从1970年日本大阪万国博览会上膜结构第一次集中展示到近半个世纪后的上海世博会中“一轴四馆”永久场馆之一的世博轴体现了膜结构强大的生命力。同时在大力倡导绿色建筑的背景下, 膜结构作为一种环保、节能、质轻的结构体系, 正受到越来越多的重视。随着膜结构材料与技术上的发展, 毫无疑问, 它将成为21世纪“绿色建筑体系”的一大亮点。本文将对这种新型空间结构体系作相应的介绍及分析。

从广义方面讲, 只要是使用了膜材料的结构都称之为膜结构, 而狭义上膜以结构支撑体系存在的只有充气膜结构, 其他的都是与别的构件组合而成。本文述说的是广义上的膜结构, 按照支承方式它可分为充气膜结构和张拉膜结构。充气膜结构在使用过程中出现了很多问题, 在我国很少使用。张拉膜结构是由网索结构和帐篷结构发展而来的, 按照结构组合形式分为悬挂张力膜结构、骨架支承膜结构和复合膜结构三种。在长期的发展实践中, 它们有着各自的优缺点, 其中复合膜结构是近几年才热起来的新型结构形式, 它克服了充气膜结构的缺点, 又体现了空气膜结构的造型美、跨度大等优点[1]。

1994年我国第一个膜结构专业公司成立, 1997年上海第八届全运会八万人体育馆中的复合膜结构的百富策略白菜网, 国家游泳中心“水立方”围护膜结构和世博轴膜工程, 都说明膜结构在我国的发展是很迅猛的。近几年来, 全世界倡导绿色建筑, 膜结构备受推崇, 归纳起来, 其有两个发展方向:一是大型体育场馆和展览中心;另一条是膜结构小品建筑, 如住宅小区的公共设施、加油站、露天剧场等。

作为一种新型结构体系, 它有独特的优点:

1) 自重轻, 跨度大。在满足强度与刚度条件下, 膜结构材料体积小, 自重轻, 容易形成大跨度, 且其单位面积的质量不会因为跨度的增加而明显增加。

2) 建筑造型自由、丰富、别致, 富有时代气息, 不仅可以用于大型公共建筑也可用于景观小品, 为建筑师提供了更多的创作空间。

3) 透光性能好, 阳光透过薄面可在室内形成漫射光, 白天大部分时间无需人工采光, 节约了照明费用及电力, 符合绿色建筑的设计理念, 充分利用了太阳能等自然资源, 耗能小, 而晚上的室内灯光透过膜面给夜空增添了梦幻般的夜景。

4) 易于施工。膜材的裁剪、粘合等工作主要在工厂完成, 现场主要是将膜成品张拉就位的过程, 装配相对简单, 施工速度快。

5) 安全性好。膜结构属柔性结构, 自重轻, 具有优良的抗震性能。膜材料通常是阻燃材料或不可燃材料, 因此具有较高的安全度。同时, 膜结构的柔性使其在任一荷载作用下均以最有利的形态承载, 更大效率地抵抗外力。

6) 自洁性能优良。膜材料表面涂层, 特别是聚四氟乙烯 (PTFE) 涂料具有良好的非粘着性, 大气中灰尘不易附着渗透, 而且表面的灰尘会被雨水冲刷干净, 使得建筑能自己保持清洁与美观[2]。

在这么多优点的背后当然也有不少缺点: (1) 由于我国自身技术不成熟, 很多东西都要进口, 故工程造价偏高。 (2) 自重轻, 也就意味着其竖向稳定性可能会受到影响, 没有传统建筑的稳定性好。 (3) 跨度大了, 抗局部荷载作用能力就差了, 容易出现褶皱、局部破损甚至整体破坏等问题。 (4) 跟透光性能好矛盾的是其隔音性能也好, 导致其不可能运用在所有建筑中, 同时隔热效果也大打折扣, 需要寻求新的膜材料来改善隔热性能。 (5) 作为新的建筑结构体系, 膜结构设计技术也没有很成熟, 比如结构计算分析, 传统的建筑结构专业设计软件基本成熟, 而膜结构方面的软件多数是国外的, 虽有国内自主开发的, 不过很不完善, 节点库不完整, 其准确性有待于相互校核, 需要更多的研究来完善推广。

绿色建筑的定义是:在建筑的全寿命周期内, 最大限度地节约资源 (节能、节地、节水、节材) , 保护环境和减少污染, 为人们提供健康、适用和高效的使用空间以及与自然和谐共生的建筑。膜结构有很多特点都符合绿色建筑的定义, 当然, 要最大化膜结构的这些特点, 需要优良的膜材料及娴熟的设计。

常见的膜材有PVC、PTFE、ETFE膜材。 (1) PTFE建筑膜材, 是在超细玻璃纤维织物上涂以聚四氟乙烯树脂而成的材料。这种膜材有较好的焊接性能, 有优良的抗紫外线、抗老化性能和阻燃性能。另外, 其防污自洁性是所有建筑膜材中最好的, 但柔韧性差, 施工较困难, 成本也十分惊人。上海世博轴顶篷的膜就是采用这种膜材的。 (2) PVC建筑膜材, 其百富策略白菜网较早, 有多种颜色可供选择, 柔韧性能好, 使用方便, 易于连接。但还是有很多缺点, 常常外涂附加面层。比如玻纤PVC建筑膜材, 常规定PVC涂层在玻璃纤维织物经纬线交点上的厚度不能少于0.2 mm, 再加以光热稳定剂来提高抗老化性。它具有阻燃、防腐蚀、耐老化、防紫外线、自洁性、耐高温、保温性好等特点。 (3) ETFE建筑膜材, 由ETFE (乙烯-四氟乙烯共聚物) 生料直接制成。ETFE具有优良的抗冲击性能、电性能、热稳定性和耐化学腐蚀性, 而且机械强度高, 加工性能好。其他各方面性能也有很大的优势, 比如自洁性、透光性、耐候性等, 这种材料有很大的市场前景, 环保节能绿色, 鸟巢、水立方都使用了这个材料, 但其维修费用高, 同时这种膜材国内还没厂家生产, 只能从国外进口。

针对上述情况, 要真正的做到绿色膜材料, 国家需要制定相应的计划措施来促进膜材的发展, 比如可以在科研单位以及高校多设置几个研究中心进行如PVDF、纳米TiO2表涂剂等的研究。在引进世界一流的生产设备和工艺技术的同时, 加紧消化吸收并改进创新, 尽快开发适合我国市场需求的膜材表面处理技术, 提升市场竞争力, 做到名副其实的绿色经济膜结构。

膜结构设计方面, 前面说到的计算机设计软件没自主品牌等缺点考验着神州大地, 加强自主开发力度和引进外国先进技术当然也是解决这个问题的关键。同时, 设计中有些可以优化的问题需要尽量优化。如膜结构的排水问题, 因为膜面有一定的形状和造型, 难免会在膜材端部的拉结点与建筑物的接触处形成雨水的导水口, 大面积的雨水汇集从接触处向下流淌从而污染墙面, 影响美观。在设计找形时应当避免局部存在平坦区域, 通过增大膜结构形体周边圆弧的弧度和加大膜体坡度来防止[3]。绿色建筑理念下的设计需要大胆想象, 谨慎设计, 融合自然。

随着我国综合国力的不断提升及经济建设的持续发展, 新材料 (RTFE、THV等) 和国产膜材性能不断提升, 技术方面日趋完善, 这些都为膜结构的进一步的发展提供了机遇。近年来, 绿色建筑理念不断深入民心, 有着节能、环保、生态、安全等特点的膜结构广泛百富策略白菜网在体育建筑和展览建筑中, 很多都作为标志性建筑存在。在不久的将来, 膜结构将会更多地百富策略白菜网在寻常建筑中, 如绿色漫步道、建筑入口、停车场、高速公路收费站等地方。