近年来, 张拉式膜结构在国内外得到迅速发展, 其自由轻盈的造型受到了建筑师们的一致青睐。[1]简单的来说, 张拉式膜结构是由柔性的膜面材料以及刚性的支撑构件协同作用组成的一种结构体系, “柔”与“刚”的强烈对比使其具有较高的建筑表现力。然而作为一种全新的结构形式, 张拉式膜结构的建筑表现背后蕴含着很深的技术理论, 建筑师要想在创作过程中有所突破, 必须首先对张拉式膜结构的技术内涵有一定的了解。

结构为了承受荷载和覆盖空间需具备三个要素:拓扑、外形与刚度。拓扑, 即指建筑在一定逻辑下所具有的结构关系或构造关系, 与此同时, 在一定拓扑关系下, 结构必须要满足其外形要求以及连接要求, 不仅建筑功能如此, 结构受力也应该符合这样的逻辑。结构的拓扑和外形要素是结构的几何要素。结构需承受荷载, 故其自身也有一定的刚度要求, 但是, 并不是所有的几何体都具有刚度, 因此, 具有一定刚度的几何形体才被称作是结构。

张拉式膜结构同样具有拓扑、形态以及刚度这三要素, 然而它与其他传统的结构形式的最大区别在于使用的结构材料的刚度。梁柱、拱、桁架等这些传统的建筑结构采用的是刚性材料, 结构可以直接从材料中获取刚度。而张拉式膜结构使用的结构材料是膜材, 膜材作为一种柔性材料, 只能受拉, 不具有受压能力, 必须通过施加预应力获取刚度, 来围合成具有一定拓扑关系的几何形态, 从而使其具有承受荷载的能力。据此, 要想表现张拉式膜结构的技术特色, 必须紧紧依膜材这一特性, 并将“柔”发挥到极致, 来展现其与传统的刚性结构不一样的风采。

张拉式膜结构由于其受力状态, 需要满足一定的几何要求, 即负高斯曲面。在几何领域中, 按照曲面在两个主曲率方向上的曲率乘积, 可以分为正高斯曲面、负高斯曲面以及零高斯曲面。球面属于典型的正高斯曲面, 即曲面上的每一点的曲率半径的向量积为整数;而对于零高斯曲面, 曲面上每个点的曲率半径的向量积是零, 柱面就是典型的零高斯曲面。负高斯曲面上过每一点的两个主曲率半径的向量积为负数, 即曲率半径的符号相反, 如双曲面和锥面, 故此类曲面也叫做互反曲面 (anticlastic surface) 。

如图1所示, 假设膜面上有一个极小点A, 用两条经过该点的互相垂直的两条索来维持平衡, 那么, 必然有一条索向上弯曲, 来承受质点A受到的向下的力, 也必然有一条索向下弯曲, 来承受质点A向上的力, 两根索互为反向, 受力平衡。由此类推, 要使膜面上的每个点都保持平衡, 那么这个面必为负高斯曲面。张拉式膜结构稳定的基本要素即膜曲面为负高斯曲面。与此同时, 通过对膜曲面施加一定的预应力, 使膜面获得一定的刚度, 以承受来自外界的荷载。张拉式膜结构的受力状态表现在膜面造型上是丰富多彩的, 但是一定要符合内部的力学逻辑。[2]

建筑师在进行张拉式膜结构的建筑造型创作过程中, 充分了解负高斯曲面的概念及特性可以在方案前期排除那些不满足膜结构受力的空间形态, 从而加快了建筑设计的效率, 避免了一些无谓的工作。

张拉式膜结构俗称“索膜”结构, 顾名思义, 其基本结构体系是由两部分组成的:“索”不仅仅局限于张拉式膜结构中的柔性索, “索膜”结构中的“索”具有广义的含义, 即建筑的支撑体系, 包括膜结构的刚性边界、桅杆、钢结构锚点等等;而“膜”则指膜面, 通过自身造型的变化来形成对建筑空间的围护体系。

结构的精髓在于力, 而张拉式膜结构与众不同的地方就在于, 建筑师通过张拉式膜结构自身张拉整体的构造关系将预应力植入到结构体系之中, 并将这种蕴含在结构深处的“力”用一种建筑语言来诠释出来。

如果说, 建筑师用“柔”性语言婉约表现了膜面的力, 那么, 整个张拉式膜结构的支撑体系则是用一种“刚”性的语言简洁直白地书写出来。所以, 既然膜面的造型反映出的是张拉式膜结构的“柔”的一面, 那么支撑结构体系的运用则能展现出其“刚”的一面。

虽然张拉式膜结构的造型千变万化, 但是却始终遵循着负高斯曲面这一基本特性。在表1中, 我们通过对其基本形态进行一定的拓扑变换, 推导出4种张拉式膜结构基本单元形态:鞍 (双曲抛物面) 形、伞 (锥) 形、骨脊形以及拱形单元。

张拉式膜结构的低点支撑有两种处理方式, 一种是直接锚固在地面上, 或者是固定在周边的边缘框架上。当低点支撑直接与地面相连接时, 膜面曲率方向会与拉索的锚固方向一致, 故在锚点附近, 锚固方向的膜面会离地面较近, 可能对张拉式膜结构的占地空间造成一定的浪费, 会要求更大的周边场地来设置低点锚固, 同时, 膜面的安全也会因为离地面太近而受到影响。因此, 张拉式膜结构的设计过程中, 会在低点处设置短桅杆, 抬高低点支撑的高度, 减小了建筑的占地面积并增强了低点锚固的稳定性。例如德国慕尼黑奥林匹克运动场的屋顶结构, 建筑师就是通过这两种锚固方式相结合的手段, 来对低点支撑加以处理 (图2) 。

低点支撑的存在, 极大地拉近了人们对于张拉式膜结构的观赏距离, 使蕴藏在张拉式膜结构中的刚性力量以一种近人的尺度迸发出来, 给人带来视觉张力与冲击力。因此, 低点支撑的位置也对张拉式膜结构的视觉表现产生很重要的影响, 当周边低点支撑较为局促时, 膜结构的空间利用效率明显增强, 但是整个结构体系不够舒展, 而随着低点支撑向边缘继续蔓延, 张拉式膜结构的整体造型也变得更具力量, 其建筑形象也会显得更加舒展。

高点支撑是张拉式膜结构中力量的汇聚点, 处理好高点支撑的形式, 可以使建筑整体造型具有更强的冲击力。在高点支撑的部位, 由于张力集中在较少的膜材料上, 因此应该增加膜材与支撑体系的接触面积, 一般来说, 有两种做法:

(1) 利用伞状骨架作为高点支撑此种情况下, 膜材在高点处仍为连续的整体, 只是高点支撑的位置有少量的应力集中趋势, 从外观上看, 膜结构在高点处具有轻微的起伏。

(2) 利用吊环作为高点支撑吊环是一种刚性圆环构件, 吊环四周与膜材料相连, 也可以通过悬索相连。

表2列举了几种高点支撑方式的示意图。结构中的关键节点自古以来都是建筑师在进行建筑创作中所要表现的重点, 例如在欧洲古典建筑中, 经典柱式的表面也一直被精致处理, 工匠们往往在其上雕刻出精美的图案, 而这些细部图案也同时影响着人们对于整个柱式的直观感受。与之相类似, 张拉式膜结构的高点支撑作为整个建筑的视觉焦点, 其表现方式对于张拉式膜结构建筑的整体形象也有着至关重要的作用, 它是建筑造型的制高点, 同时也使建筑成为周边环境所组成的天际线的一个关键转折点, 给人们带来较为强烈的视觉冲击。[3]

斜拉支撑主要指通过桅杆与拉索相结合, 从建筑周边对结构构件进行拉伸, 高耸的桅杆从膜面中突破, 直插云霄, 是张拉式膜结构中最具有视觉冲击力的一种结构形式, 它能够将膜面中蕴藏的力以一种极为夸张的方式释放出来, 淋漓尽致地表现张拉式膜结构“刚”性的一面。

“斜拉”主要是指拉索并不是沿着垂直方向进行拉伸, 它与地面呈一定的角度, 建筑师通过这种倾斜来造成视觉重心偏移, 使整个结构具有动态的张力。同时, 如果桅杆也从垂直于地面的方向稍作倾斜, 这样更加强化了这种动态视觉效果, 与此同时, 也更符合拉索、桅杆与地面的内力传递规律, 精简了构件的数量, 使整个结构体系变得更加轻盈。斜拉主要有两种方式, 其一, 为拉索直接对膜面进行拉伸, 称为直接张拉;其二, 为拉索通过短桅杆与膜面相连, 这种方式称为间接张拉 (图3、图4) 。

由哈尔滨工业大学建筑设计研究院设计的哈尔滨江北宴会厅便是斜拉支撑膜结构的典型案例。如图5所示, 膜面上方与的吊环相连, 而周边跟桅杆以向外倾斜度角将吊环拉起, 临近地面的膜材又通过低点支撑锚固在地面, 桅杆、拉索、吊环与膜材共同受力, 共同塑造了这样一种极具视觉张力的形态。

综上所述, 张拉式膜结构的形态是遵循动态逻辑演变而来的, 从基本的互反双曲面, 到伞形单元、骨脊形单元和拱形单元, 虽然造型千变万化, 但是符合负高斯曲面这一基本物理特性。建筑师只有掌握了这种逻辑演变方式, 才能在方案设计过程中, 熟练的对张拉式膜结构进行选型, 并有效地加以创造性设计, 使张拉式膜结构骨架的“刚”与膜材的“柔”相互交织, 共同谱写出具有韵律的整体造型。