近几年国际上有3个较大的活动:2012年5月韩国丽水世博会, 2012年7月英国伦敦奥运会, 以及将于2014年举行的巴西世界杯。围绕这些活动兴建了许多建筑, 其中不乏优秀的膜结构建筑。同时, 国际壳体与空间结构学会 (IASS) 在不到一年的时间召开了两次大会:2011年9月IABSE-IASS伦敦大会上, 交流了约800篇论文, 2012年5月IASS-APCS首尔大会上交流了约300篇论文。2012年年初, 国际工业织物协会 (IFAI) 2011年度33个获奖项目颁布。本文介绍其中有特点的工程、项目以及关于膜结构的研究进展, 从中可以看出膜结构的发展趋势。

美国休斯顿米切尔表演艺术中心 (图1) 是Horst Berger的收官之作, 是典型的张拉式膜结构。该项目1990年建成时仅3 000座席, 2009年5月经改扩建后, 达到6 000个座席。

沙特阿拉伯麦加DoKEEP大厦 (图2) 7栋大楼顶的连体帐篷结构总面积15 000m2, 帐篷里包含私人房间、酒店设施及食肆等, 是典型的张拉式膜结构。这样成片的高层楼顶百富策略白菜网张拉式膜结构还很少见, 工程难度主要是在300 m高空的安装。

巴西萨尔瓦多的新水源球场 (Fonte Nova) , 建于1951年, 为迎接巴西世界杯进行改建, 56 000个座位, 屋面采用28 000m2 PTFE膜材 (图3) 。

巴西东南部贝洛奥里藏特的米内罗球场 (Mineirao) , 建于1965年。此次翻新改建为66 805座, 屋面采用13 000m2 TiO2/PTFE膜材 (图4) 。

巴西2014年世界杯在建足球场的资料不多, 从方案图看, 翻新改建的里约热内卢87 101座的马拉卡纳球场 (Maracana) (图5) 和巴西南方阿雷格里港50 287座的何塞·皮涅罗 (Jose Pinheiro Borda) 河滨竞技场 (图6) 也采用了膜结构。

韩国晋州体育场 (图7) 采用悬挑桁架加拱形檩条支承膜覆盖。该体育场在2010年6月举行韩国全国运动会时建成, 可容纳20 000人。该工程的特点是采用了3种膜材:膜屋面包括72个单元, 内部屋顶 (田径场侧) 采用半透明TS-PTFE膜;主屋面 (看台) 采用PTFE膜;墙面采用PTFE网格膜以便通风和吸收声音。

伦敦奥林匹克体育场 (图8) 在奥运会和残奥会期间是80 000座席的体育场, 赛后转换成一个25 000座席的体育场。人字形柱支承外压缩环桁架, 内张力环采用索, 其间辐射布置双层径向索形成索网, 上覆112片PVC膜材张紧形成罩篷, 是典型的索系支承式膜结构。灯塔A形柱立在内张力环主索上, 设后稳定索和环向稳定索。

阿根廷拉普拉塔足球场 (图9) 2003年开放使用, 当时已完成屋面环梁。平面为85m半径相交的两个圆圈, 中心距48m, 提供给两个足球俱乐部分享, 故称“双星穹顶”, 设有53 000座席。2009年启动穹顶的建设, 周边压缩环采用三角形钢桁架 (宽9m、高13m) , 每侧通过泰氟龙滑动轴承释放支承的径向位移, 以减小温度应力。索穹顶上弦径向索联方形布置, 第一环增加了径向索, 下弦3道环向索。索定长, 用两个临时塔架, 逐环安装, 屋面覆盖PTFE。由于常用的PTFE只有16%的透明度, 不足以确保天然草生长, 首次采用新膜材UltraLUX, 透明度为24%, 但拉伸强度1 710kN/cm, 略低5%。已完成两个外圈屋面的覆盖, 2011年2月在此举行了2011年美洲杯的揭幕战。

韩国忠州世界武术节剧场 (2011年9月) 由14个桁架柱支承屋顶, 三角形管桁架组成椭圆状压缩环 (图10) 。屋面采用透镜型PTFE气囊, 平面尺寸为30m×53m。气囊内部高5m, 体积5 630m3, 内压350Pa。用索在气囊上、下部作加劲, 短向7根?24索, 长向4根?24索, 考虑雪荷载, 长向不设上弦。上、下索之间考虑?12联系索, 可减小压缩环受力。这个结构跨度不大, 但可取地是尝试了直接用气囊做屋盖结构的一种新形式。

美国新泽西某校园充气馆 (图11) 宽58 m, 长117m, 高24m。全天候用于足球和曲棍球项目, 包括4条跑道。采用交叉索网系统, 以保证结构稳定。据报道可承受强台风和8kN/m2的雪荷载, 值得关注。用自动控制系统保持室内温度。充气膜夏天可轻松撤下, 冬天重新安装。

格鲁吉亚Batumi夏季音乐厅 (图12) 位于首都第比利斯, 平面为椭圆状, 尺寸为147m (长轴) ×105m (短轴) , 设9 000座席。固定的舞台屋盖为钢桁架系统, 有3°倾斜, 覆盖5 500m2, 8°外倾的周边柱支承压缩环。7 900 m2伸缩式膜屋顶跨度83 m, 29根径向索跨越压缩环和舞台口的弧形钢桁架, 增加了柔软剂的单层PVC膜位于径向索下, 膜收起过程沿径向索滑动进入膜库, 冬季膜需要存储和密封在膜库里。膜库端15根索降低1.60m, 形成折叠式的山脊和山谷线, 用于排水并提高屋面刚度。

加拿大温哥华BC Place体育馆 (图13) 1986年建成, 平面呈椭圆状, 尺寸227 m×186 m, 可容纳6万人, 曾是世界上最大的气承式充气圆顶体育馆。因膜材老化2007年曾被大风吹坏。2010年奥林匹克冬季运动会后, 已更换为新的开合屋盖结构。混凝土结构上高达47.5m的36根桅杆支承36榀径向索桁架形成屋盖主结构。采用性能更好的PTFE纤维膜做成36个充气垫, 沿下弦径向索滑动构成伸缩式屋顶, 跨度70m, 覆盖8 500m2。永久荷载作用下的气垫内压是500Pa, 如果屋顶受到雪压将增加到2 000Pa。收缩过程是气垫首先放气, 然后折叠缩回。最大的问题是收缩之前空气不能完全放掉, 为此上层膜设置直径70 mm的管, 以便排风机抽气, 保证折叠到最小的尺寸。固定内环和伸缩式屋顶的过渡区是钢环桁架支承的玻璃顶, 边缘有充气密封系统。

波兰国家体育场 (图14) 位于首都华沙, 平面尺寸280m×245m, 覆盖面积近70 000m2, 55 000座席, 为主办2012年欧洲杯足球赛而建。碗结构周围72根柱支承下压缩环, 替代上压缩环的是斜杆。辐射布置索桁架的径向索互相交叉, 增加倾斜, 提高刚度。固定屋盖54 000m2, 采用PTFE膜覆盖看台, 内边缘10m宽为4 000m2的热增强玻璃屋顶。外部上径向索连接到张力环, 支承10m宽悬挑玻璃顶和悬挂伸缩式膜;内部下径向索只用4组索 (每组3根) , 在草地上空对角线布置, 使遮挡场地上空的结构数目最少。开合屋盖11 000m2, 用PVC膜沿着60根内部上径向索跨越中央的枢纽和张力环, 覆盖草坪。

自从加拿大蒙特利尔“斜塔”体育馆伸缩式开合不成功后, 这种形式已经很少采用。上面这3个伸缩式开合膜结构都是Schlaich事务所的作品, 他们详细研究了合理的伸缩方式, 并且都采用了先进的膜材, 成功地实现了包括气垫在内的膜结构伸缩式开合。

巴西利亚的马内加林沙 (Mane Garrincha) 国家球场, 70 402座席, 用膜结构覆盖屋面和墙面, 也采用了伸缩式开合方式。固定屋面采用40 000 m2 TiO2/PTFE膜, 伸缩式开合膜屋面为40 500m2 PTFE网格膜, 墙面是4 000m2 PTFE膜 (图15) 。

哈萨克斯坦Khan Shatyr娱乐中心 (图16) 位于首都阿斯塔纳市, 那里有从-40~40℃的极端气候。娱乐中心内游客可以购物、看电影及用餐, 设有慢跑的路径、微型高尔夫球场。在最高的独立屋顶, 是热带的沙滩和温暖的泳池。

该结构长轴140m、短轴120m, 中央三脚架高150m, 屋顶表面积19 000m2。从高度70~125m, 成对使用192根直径38mm的径向索, 辅以环向索抗扭, 外表面使用ETFE完全透明膜气枕。索与膜需要相对较高的预应力 (需提高10%~20%) 以控制变形, 控制索最大变形 (800mm) , 铝框设计需适应变形。顶环直径20 m, 采用150 mm厚钢板, 顶部结构设百叶窗保证通风。低温下ETFE会变硬, 设计中需关注。

膜结构在大型工程中的百富策略白菜网多体现在体育场馆, 展示了膜结构百富策略白菜网于大跨度屋盖结构的优势。图16则是用膜结构覆盖超大空间、构建人工环境的一个成功案例。国际上已有不少学者在探讨构建500~1 000m2超大空间的可行性, 图17是用索与膜覆盖伦敦某街区的方案。我国也应该多专业联合开展探索性研究, 以迎接未来的挑战。

韩国丽水世博会国际馆屋盖造型的寓意为丽水的海浪与岛屿, 采用钢结构骨架支承膜结构。屋面上共11个岛屿, 其中7个的大小和形状不同 (图18) 。最小14m×14m×5.3m, 重约95kN;最大22m×18 m×7.8 m, 重约203kN。岛屿既是造型, 又在内部设有通风口, 为下部展厅自然通风, 内外均采用半透明的二氧化钛PVC膜覆盖。

印度德里大型系留气球 (Aerostat) 用于2010年英联邦运动会开幕式和闭幕式, 长80m、宽40m、高12 m, 22 000 m3体积内充氦气, 使用近10 000m2的PVC织物和约5km长的缆索, 创造了世界上最大的投影面 (图19) 。主体可拆分成4个部分, 在德里现场组装。在体育场的最后活动和闭幕式之间短短12h内重新安装。

设计师哈波尔德为卡塔尔多哈2022年足球世界杯设计的Sheikh Zayed体育场开合屋盖方案, 也采用了可驱动的巨型充气顶 (图20) 。

德国柏林东南约100km休闲公园湖边57 m高的Teichland观光塔, 塔内是垂直的混凝土楼梯。外表面的创意是凹凸的皮肤, 采用约1 100m2张力膜实现。由顶部和底部的两个环, 固定3片47m高的PTFE膜 (TiO2) , 辅以竖向索 (图21) 。

韩国丽水世博会主题馆长140m, 高3~13m, 形如一条鱼 (图22) 。为获得鱼鳞的模拟视觉效果, 表面采用108片玻璃钢百叶, 最长13m, 厚9mm。底部边缘固定, 顶部由伺服电机驱动的伸缩制动器推上或降低边缘, 导致百叶弹性弯曲和侧旋转。通过电脑控制总线系统控制制动器以达到同步, 也可以单独处理每个百叶窗, 并链接到互联网。13m长百叶窗的开放过程需要旋转60°和移动450mm, 一次打开/关闭进程大约30s。日落之后可打开LED灯, 获得不同角度的效果。这里采用的虽然不是膜材, 但这种百富策略白菜网理念很值得借鉴。

艺术家Anish Kapoor在法国巴黎系列展中展出了大海兽 (Leviathan) 。这是一个充气膜结构艺术品, 72 000m3充气雕塑, 高35m, 宽33m, 长72m, 形如3个相互关联的球形“灯泡”, 最大挑战是凸起的中央穹顶和通往灯泡的狭窄区 (图23) 。

新西兰奥克兰机场毛利树, 投影尺寸28 m×21.6m, 高9 m, 为树顶环型桁架结构, 悬挂PTFE织物, 表面积577m2, 表面是投影连续的360°图像 (图24) 。

还有诸如膜结构在克罗地亚机场航站楼中的百富策略白菜网 (图25) , ETFE膜材用于地铁出入口 (图26) 、墙面 (图27) 等实例, 均表明膜结构已经进入了艺术与装饰领域, 百富策略白菜网更为广泛。

蔬菜水培种植是一种新技术, 种子在圆盘中部种植, 随着蔬菜生长螺旋移动到外部。日本为蔬菜水培研制了标准化圆顶绿色建筑物, 直径30 m、高5m的双层ETFE气承式膜结构 (外部60μm、内部100μm) , 增加了聚乙烯绳网抵抗风荷载, 连接到36个1.5m高钢桁架边墙。气压由桁架墙上风机提供;冬季屋顶排风关闭, 双层膜可以保温;夏季屋顶排风打开, 热气容易向外扩散 (图28) 。

英国RUBB建筑体系, 采用热浸锌钢管预制、螺栓连接的桁架拱结构, 便于装卸。内外覆以PVC双层膜 (图29) 。按英国标准设计, 可承受基本风速46m/s, 基本雪载750kN/m2, 已经形成标准化、规格化的体系。应该注意英国没有抗震要求, 如果采用该体系需进行抗震验算。

法国一个研究组提出由铰链开合钢骨架和纺织面料关联形成跨越17~50 m的折叠伞膜结构 (图30) , 复杂的静态折叠可行性和耦合动力风荷载经过数值模拟认为是可行的。

日本一个研究组研制了一种临时救灾房屋的简易建设体系。采用事先制作好的膜结构充气为胎, 现场充气后自行抹砂浆建造 (图31) 。试验表明利用壳结构受力体系, 底部厚90 mm, 顶部只需45mm厚, 包括平整场地、备料在内施工只需2d。

膜结构充气胎还可用于制作“冰壳” (图32) 。日本在具有足够的雪和低温的北海道, 用膜和绳子作成充气胎。通过吹雪和喷水形成厚6~7cm的冰, 可制作直径15~30m的“冰壳”, 室内在白天具有完全自然光线的半透明气氛, 可以作为滑雪胜地的休闲康乐设施。

瑞士Airlight公司和EMPA组合结构研究中心从2003年开始研究Tensairity梁, 也有了工程百富策略白菜网, 近年又研究了Tensairity拱 (图33) 。

比利时布鲁塞尔自由大学研究了可折叠Ten-sairity梁。还有学者考虑利用织物的受拉性能在气囊中增加织物肋, 以提高整体刚度。

柏林艺术大学将提出下弦用索, 用张拉膜作腹肋与上弦拱结合形成Hybrid膜结构拱, 有效地控制拱的屈曲 (图35) 。新加坡国立大学研究了Hybrid柱 (图36) , 将橄榄形格构柱的缀板用抗拉性能好的膜材代替。

从这些基本构件研究得到的启示是:发挥膜材适用于抗拉、气囊适用于抗压的特点, 再辅以索可望形成新的受力更为合理的膜结构基本构件。当这些基本构件用于大型结构时, 也许会引起人们重新认识膜结构。