20世纪50年代, 随着化学工业中的高分子材料的合成与改性技术的不断发展, 一种新型而具有独特个性, 被称为“第五代建材”的建筑材料诞生了, 它就是膜材料。膜材料是用于膜结构中的高强度柔韧性薄膜 (见图1) , 它是一种耐用、高强度的涂层织物, 是在用纤维织成的基布上涂敷树脂或橡胶等而制成, 具有质地柔韧、厚度小、重量轻、透光性好的特点。

膜材料是膜结构工程中最重要的组成部分, 作用与钢筋、混凝土、轻质板材是等同的。自20世纪60年代起, 世界上许多国家开始研究膜材料, 到现在已经有许多种类, 常用的建筑膜材包括:PTFE膜材、PVC膜材、加面层的PVC膜材等。最初使用的膜材料是涂覆聚氯乙烯 (PVC) 的聚脂织物, 这种膜材料只有7～8年的寿命, 在太阳紫外线及风、雨的交互作用下, 膜布会变得硬脆、破裂而失去结构性能, 只能用于临时性建筑。设计者们认识到, 需要一种强度更高、耐久性更好、不燃、透光和能自洁的建筑织物, 70年代美国制造商开发的玻璃纤维织物即满足如上要求。主要的改进是涂覆的面层采用了聚四氟乙烯 (PTFE) 。这种材料于1973年首次百富策略白菜网于美国加利福尼亚拉维恩学院一个学生中心的屋顶上 (见图2) 。经过了近30年的考验, 材料还保持着70%～80%的强度, 仍然透光并且没有褪色。拉维恩学院膜结构的使用经验证明, 涂覆PTFE面层的玻璃纤维织物不但有足够的强度承受张力, 在使用功能上也具有很好的耐久性, 完全可以在永久性建筑中使用。

与此同时, 涂覆PVC的聚脂织物在性能上也有很大改进。制造商在原来的涂层外面再加一面层, 比较成熟的有聚氟乙烯 (PVF) 和聚偏氟乙烯 (PVDF) , 这种面层不但能保护织物抵抗紫外线, 而且大大地改进了自洁性, 这样就把聚脂织物的使用年限提高到20年以上, 得以在永久性建筑中使用。

膜结构是张力结构体系的一种。由膜内的空气压力支承膜面, 利用钢索或刚性支承结构向膜内施加预张力, 从而形成具有一定刚度、能够覆盖大空间的结构体系。采用膜结构作为结构体系的建筑就是膜结构建筑。膜结构建筑的两大特点是空间整体结构和预张力, 这也是它优于传统结构体系的原因所在。空间整体结构使受力更合理、结构更稳定, 预张力使膜结构成为几乎纯张拉结构体系, 充分发挥材料力学性能。

膜结构的建筑是有独特外形的, 作为一种将先进的建筑技术和建筑艺术完美结合和高度统一的新型建筑形式, 在近几十年得到了迅速的发展。随着这种新型结构的发展, 建筑语汇和空间形式也更加丰富多样, 更大跨度的屋顶成为可能。下文对膜结构在体育场馆建筑设计中的百富策略白菜网作分类浅要分析。

为了迎接1972年的奥运会, 1967年进行了一场设计竞赛, Behnisch以其整体概念获胜。所选基地的南部位于城市北部的郊外, 是战争时期破坏物的填埋场, 有上百万吨的碎石瓦砾。利用这些废弃物堆成一些小山, 盖在自然岩层上, 以形成山地和湖泊的景观, 而成为对基地的一种纪念方式。自始至终这就是最关键的想法, 而此作是借助一个沙盘完成的。

慕尼黑竞赛方案是由Behnisch及其伙伴和工程师HeinzIsler设计的。他们设想了一个有桅杆和索网支撑的连续帐篷, 由主体育场上空伸展到其他两个场馆上空, 其中一支甚至覆盖到横跨高速路的入口桥上。它比任何建造过的索网屋顶都大, 人们甚至怀疑它是否能够建成。为了进一步深入方案设计, Leonhardt和Andra被任命为主要的工程师, Jorg Schlaich作为方案领导, Freiotto被聘为顾问。索网屋顶最终修改成形, 是一个不同的形状, 桅杆的位置进行了修改, 但仍忠于Behnisch的原创。新的技术被采用, 工程技术发挥得淋漓尽致, 建筑商和工艺专家配合默契, 新工艺应运而生, 比如为了固定索网的大桅杆 (见图3、4) 。

充气式膜结构分为气撑式膜结构和气肋式膜结构两种。气撑式膜结构是将膜材固定于屋顶结构周边, 利用送风系统让室内气压上升到一定压力后, 使屋顶内外产生压力差, 以抵抗外力 (见图5) 。因利用气压来支撑, 及钢索作为辅助材料, 无需任何梁、柱支撑, 气撑式膜结构可得更大的空间, 施工快捷, 经济效益高, 但需维持进行24 h送风机运转, 在持续运行及机器维护费用上的成本较高。气肋式膜结构是由充气后具有拱形支撑能力并用膜肋分隔的独立密闭仓构成的屋盖体系 (见图6) 。它与气撑式相比的优越性是室内为常压气体环境。

2002年6月1日至6月30日, 韩国和日本共同举办2002世界杯足球锦标赛。两国也分别兴建了多座体育场, 其中, 韩方9座中有4座采用膜结构屋顶, 为济州体育场、汉城体育场、釜山综合体育馆和大邱综合体育场。这些体育场馆的结构方式除釜山体育场采用索膜顶结构外, 大都采用桁架进行支撑, 膜材作为覆盖材料。本文重点对济洲体育场结构设计百富策略白菜网的管状桁架加索膜结构加以浅析。

济州体育场位于韩国济州岛的西归浦市 (Seoguipo) 。体育场地上4层, 地下2层, 拥有42000个座位。西看台屋顶为空间桁架, 屋面为索膜结构, 整个屋顶由6根桅杆及钢索牵拉着。屋顶下方的座位区可满足国际足联的比赛要求。由于地形的特殊性, 比赛场地低于地面并将看台沿周边排列, 以减少土方工作量。建筑物高度由体育场的最佳整体效果来控制 (见图7、8) 。

体育场的设计理念源于当地传统渔船“TEU”的形象。覆盖体育场一侧的半月形屋盖其径向桁架连接着前后桁架, 并由桅杆上的钢索牵拉着。看台结构和屋盖结构是脱开的, 以减小所有荷载组合在一起后引起的不可预料的应力。

屋盖结构各构件的作用:

(1) 前桁架及径向桁架的场内端头用于有效地抵抗风吸力, 连接在桅杆上的钢索承担重力荷载和正向风荷载。

(2) 后桁架用做约束径向桁架场外端头并传递屋盖荷载至主径向桁架。

(3) 带悬臂的径向桁架由圆形钢管组成, 它起到了连接前后桁架的作用。

(4) 由三种构件组成的桁架, 除了支撑屋盖荷载外, 还具有控制主径向桁架侧向位移的功能。

(5) 位于屋盖内端头的前桁架, 用做抵抗风吸力。

(6) 桅杆是支撑屋盖结构的主要构件, 它由不同直径的变截面钢管构成。6根高度不等的桅杆 (80 m/60 m/40 m) 支撑着整个屋盖结构。

(7) 拉索及边索固定在桅杆的顶部。一根拉索 (直径82.5 mm) 支撑着屋盖的前端, 两根边索 (直径为69.8 mm) 支撑着屋盖的后端。用于牵拉桅杆的牵拉索应紧紧固定在桅杆顶部的锚固件上。牵拉索是用作平衡屋盖结构荷载的。

(8) 支撑薄膜的四面体索桁架包括四根底部钢索、四根顶部钢索和拉杆。四根底部钢索用于控制主桁架侧向位移并起着主结构的作用。覆盖在径向桁架和连接桁架上的薄膜要求具有适当的曲率。薄膜曲面通常由两个垂直曲率承担吸力荷载。

索膜顶建筑的代表是韩国釜山体育场。该体育场可以容纳7.1万名观众 (见图9) 。它最初是为2002年亚运会设计的, 为适用于多种比赛, 屋盖结构采用了可缩进的三角形拉撑膜顶。后来由于原设计的屋盖开洞较小, 不满足国际足联对场地草坪应具有充分的日照要求。因此, 屋顶结构改用索膜体系, 中间椭圆形洞口尺寸为180 m×152 m, 代替原设计直径为120 m的洞口。新的屋盖结构由上、下环形钢索连接在一起。整个屋盖结构支撑在外圈四周钢筋混凝土斜柱及钢环梁上 (见图10) 。

新屋顶呈圆形, 直径为228 m。支撑结构由48根人形斜柱和垂直混凝土柱组成。屋面面积为20000 m2, 椭圆开洞长轴为180 m, 短轴为152 m。屋架高度为13.6 m, 短向为21.6 m。屋顶钢索与其他下部支撑的钢筋混凝土柱相对应, 分成48个部分。钢环梁由宽1400 mm、高750～1200 mm、钢板厚度为30 mm的梯形钢管构成。环梁座在混凝土柱顶上并与斜钢柱连接。环梁和柱的连接处采用了14根直径为36 mm的预应力合金钢筋, 每根施加700 kN预应力。索桁架由环顶索、径向索、垂直索和立柱组成。洞口周围的内侧布置了两道拉力环。

膜结构由48个单元组成。每个单元支撑在2个相邻的上层径向索、上层环索及钢环上。带拉索的钢管拱跨在两个径向索之间。拱跨度为10.64～13.6 m。特制的铝连接件附在拱的上面, 将膜固定, 并将膜的上升力传到拱上。这种连接件也传递侧向力。

相对于砖石结构、混凝土结构、钢结构这些结构, 膜结构是一种新型的结构方式, 其膜材为高分子聚合物和玻璃纤维等, 充分发挥了材料抗拉性能。不仅在材料力学性能方面与传统的结构方式有本质上的区别, 而且在形式上, 索膜结构具有自由多变的特点, 创造了新的建筑形象。对膜结构在建筑设计中百富策略白菜网的研究, 一定会对建筑美学的研究提供新的支持。