在数千年建筑发展的历程中, 建筑技术一直作为一只无形的手推动着建筑艺术的发展。尤其是步入20世纪之后, 一系列新材料、新技术的诞生造就了纷繁的艺术形式。建筑技术不再局限于充当实现结构形式的保障角色, 而逐渐成为艺术表现的手段。膜结构作为技术与艺术完美的结合体, 近几十年来正受到越来越多建筑师的青睐, 特别是以ETFE气枕式膜结构为代表的充气式膜结构体系, 其轻盈、通透、具有可持续性等特点使其在众多建设项目中大放异彩。伴随着2008年北京奥运会的圆满落幕, 以国家游泳中心为代表的ETFE气枕式膜结构建筑正在引起更多人的关注。

19世纪初, 伴随着工业化时代的到来, 建筑技术得到迅猛的发展, 天才的设计师们开始寻求有别于传统结构的新型结构体系。1927年, 巴克明斯特·富勒 (Richard Buckminster Fuller) 首次提出利用气泡式结构体笼罩城市聚落的设想, 尽管当时的人们认为那只是乌托邦式的梦想, 但经过几十年的发展, 膜结构凭借着其诸多的优势得到长足发展。从传统的砌体结构到钢筋混凝土结构, 人类逐渐抛弃了厚重的石墙和高大的拱券, 而膜结构的出现进一步将设计师从结构自重的束缚中解放出来。令人耳目一新的新型膜结构体系成为人类实现探索超大空间覆盖进程中的又一次飞跃。

膜结构体系通常分张拉式和充气式两种形式, 有别于张拉式膜结构受力方式, 充气式膜结构主要是利用膜面内外空气的压力差为膜材施加预应力, 从而使膜面具有空间覆盖的能力。充气式膜结构又分为气承式、气肋式和气枕式三种类型。其特别之处在于它将柔软的膜材与无处不在的空气有机结合, 与支撑钢结构共同形成了一种全新的结构体系。充气式膜结构的出现正在改变着人们对建筑的固有认识。

充气式膜结构的首次集中展示是在1970年的日本大阪万国博览会。其中, 以采用气承式膜结构的美国馆 (图1) 和采用气肋式膜结构的日本馆 (图2) 最具代表性。通过此次博览会, 人们开始认识到气体作为建筑材料在覆盖巨型空间时所发挥的独特的结构作用。

早期的气肋式膜结构由于受到形态等方面的限制, 在永久性建筑上百富策略白菜网不多。气承式膜结构在其后的十多年间虽然得到了广泛百富策略白菜网, 但由于室内舒适度欠佳、融雪系统和气压自动控制系统性能不稳定等问题, 加上运行及维护也是一笔不小的开支, 1985年以后, 大跨度建筑中已经很少采用这种结构形式。但探索新型充气式膜结构的步伐却并未停止。1992年建成的日本熊本公园体育馆在屋盖中央部分采用了一个直径107 m的整体性气囊 (图3) , 并在气囊内增加了车辐式双层索系, 这种组合克服了初期气肋式的限制, 也摒弃了气承式的先天不足。作为气枕式膜结构的雏形, 它充分显示出气枕式膜结构在结构稳定性和环境舒适性上的先天优势。伴随着新型膜材的出现, 以ETFE膜为主的膜材与气体完美结合为充气式膜结构迎来新一轮的繁荣。

现代意义上的气枕式膜结构是指:在轻巧的主体钢结构支撑下, 向多层膜材形成的气囊中充气, 依靠膨胀后的气枕围合, 从而形成的一种新型充气式膜结构 (图4) 。自20世纪末投入使用之后, 以慕尼黑安联球场 (图5) 、英国伊甸园工程 (图6) 、北京国家游泳中心 (图7) 为代表的大型项目便如雨后春笋一般相继涌现。气枕式膜结构在对建筑领域产生深远影响的同时, 也充分展示出传统结构形式不可比拟的结构特性:

首先, 气枕式膜结构采用的膜材多为乙烯四氟乙烯 (简称ETFE) 。与传统膜材相比, ETFE膜材的耐久性、透光率等材料性能均有大幅提升 (表1) , 其透光率优于玻璃, 自重却不及玻璃的十分之一。此外, ETFE膜材本身还可在雨水的冲刷下实现自洁, 避免了大量的后期维护。

其次, 由于气枕是由弹性膜材与气囊内的气体协同承载, 因此气枕内部压力只需维持在200 Pa~600 Pa之间, 便足以抵御膜面外的风、雪荷载。英国电视节目《明天的世界》曾经利用汽车展示ETFE气枕所具有的高强度的抗压能力 (图8) 。

此外, 气枕充气后, 其内部压力、表面张力与膜面曲率可以达成系统上的平衡状态。当外界荷载变化时, 通过调整气枕内部充气量, 间接控制气枕承载能力, 从而实现适应性调节的目的。与传统刚性结构体系不同, 气枕式膜结构不依赖于材料自身的刚度, 而是通过形变吸收能量、承受荷载。这种自行调节能力使气枕在很大程度上起到了稳定支撑钢结构的作用, 因此, 气枕式膜结构的支撑钢结构构件数量得以大为减少, 重量也大为减轻。除此以外, 气枕单元体在跨度上优势明显。数据表明:单向承载时, ETFE气枕的跨度可达3 m~5 m, 双向承载时则高达11 m, 单元跨度上的优势使单个气枕无需次级支撑结构而直接安装在主体支撑钢结构上, 从而大幅减少了支撑结构的复杂程度和重量。

得益于气枕式膜结构在自重、跨度等方面的优势, 一系列结构领域的创新应运而生。以最新提出的xanadome结构概念为例 (图9) , 该结构体主要由铰接拱组成, 拱两侧是用以固定拱架的斜拉钢索, 钢索从一锚点呈扇形发散与拱架连接。钢索之间连接着由ETFE膜材制成的巨大气枕。气枕不但覆盖空间, 而且承受压力, 对钢索起稳定作用。xanadome采用的铰接拱内压力与拉力同时存在。由于没有弯矩的存在, 组成xanadome结构体的每一个构件都将发挥其最大的承载能力。xanadome结构体跨度远远大于我们熟悉的结构体系。2002年大都会建筑事务所完成的洛杉矶城市艺术博物馆 (Los Angeles County Museum of Art, 图10) 的参赛方案, 采用xanadome结构概念, 使该方案的膜结构穹顶跨度达1.6 km, 足以笼罩整个城市街区。

气枕式膜结构不仅成为富勒的“少费多用”的结构理念的具体体现。同时, 它还蕴藏着巨大的生态潜力。首先, 由多层膜形成的气枕充气后具有卓越的保温隔热能力, 在此基础上形成的双层表皮结构进一步提升了围护结构在保温、隔热上的优势。以北京国家游泳中心为例, 双层表皮结构中间的空腔就如同“气候缓冲区” (图11) , 应对不同季节气候条件, 通过人工控制表皮结构上通风口的开阖, 而实现保温、隔热的目的。相关资料显示:采用双层表皮结构的国家游泳中心, 依靠被动式太阳能的策略, 池水加热和室内供暖两方面预计将节约30%的费用 (2) 。

其次, 为了适应室内不同的光照需求, 避免产生温室效应, 高透明度的ETFE膜材表面通常进行局部镀银处理, 通过控制镀银图案密度调节气枕的透光量。近年来出现的可调节气枕, 从真正意义上实现了采光遮阳的智能化、人性化控制。通过调节多层气枕膜材间充气量, 可以动态改变气枕表皮的透光量 (图12) 。2000年汉诺威世博会上的Cyclebowl是首个采用可调节ETFE气枕的建设项目。2004年建成的伦敦金斯德尔中学中庭顶棚 (图13~14) 再次采用了可调节ETFE气枕, 其室内自然光透射率可人为控制在5%~50%之间。

此外, 空气作为组成气枕式膜结构的重要建筑材料, 在使用过程中不会产生任何污染。更为重要的是, 虽然ETFE膜材难以降解, 但膜材与钢材一样, 其回收再利用率可达100%。在大力倡导可持续性发展理念的今天, 减少碳排放、实现人与自然的和谐共生成为人类不断诉求的目标。ETFE气枕式膜结构建筑不仅可以满足人们日常的使用要求, 也是我们谋求建设集约型、可持续发展型社会的有效途径。

在能源问题日益严重的今天, ETFE气枕式膜结构凭借其自重轻、跨度大、自调节等结构特点为我们营造可持续化发展的新型建筑环境提供了有利手段。巴克明斯特·富勒有关生态、自然、轻质建筑的构思, 正依托先进的材料科学与工程技术逐渐成为现实, 那些曾是乌邦托式的理想, 如今已化身成气枕式膜结构步入我们的生活, 并仍将对我们所居住的世界产生深远的影响。

资料来源

图1:见www.columbia.edu;

图2:见www.google.com;

图3:见杨庆山, 姜忆南.张拉索-膜结构分析与设计.科学出版社, 2004:11;

图5、6、7、8、9、10、13、14:见Annette Le Cuyer.ETFE-Technology and Design.Birkhauser Verlag AG, 2008:128、66、88、47、64、65、99、104。