膜结构在国内的百富策略白菜网晚于世界近50年, 但近10几年来, 膜结构在国内的百富策略白菜网发展速度高于世界任何地区。目前, 膜结构已广泛百富策略白菜网于大型体育场馆、展览中心、航空和铁路交通、文化娱乐等公共建筑中, 雕塑、小品等小型临时建筑也在公共绿地和公园中极为普遍。

膜结构之所以得到如此众多的建筑师的青睐和日益广泛的百富策略白菜网, 根本原因在于膜材料的独特性。区别于传统建筑材料钢、混凝土及玻璃的“刚性”本质, 膜材料是一种完全“柔性”的材料, 又是一种介乎不透明的钢或混凝土与全透明的玻璃之间的“半透光”的材料。因这些特质, 膜结构可以生成各类丰富多彩、复杂多变的空间光滑曲面, 能够充分反映建筑师的独特个性, 甚至能够生成令建筑师感到惊喜的出乎其意的建筑效果。

膜结构按所采用的材料, 可划分为PVC材料膜结构、PTFE材料膜结构、ETFE材料膜结构;按其建筑几何元素, 可划分为马鞍形膜结构、伞形膜结构、碗形膜结构;按其支承结构体系及支承方式, 可划分为张拉膜结构、框架支承膜结构、气承式膜结构、气枕膜结构;按其使用功能和使用方式, 还可划分为可移动、可展开、可开合膜结构等。

膜材料可分为两大类:基层涂层类和高分子复合类。

基层涂层类材料由双向纤维编织的基材和具有耐久和自洁功能的涂层组成[1], 见图1所示。其中, 基材有玻璃纤维基材和聚酯纤维基材两类, 涂层有PVC和PTFE两类。玻璃纤维基材一般覆盖PTFE涂层, 而聚酯纤维基材一般覆盖PVC涂层。所以, 常将玻璃纤维类膜材称为PTFE材料, 将聚酯纤维类膜材称为PVC膜材。

高分子复合类膜材是ETFE材料经特殊处理后制造的高强度薄膜材料, 常称为ETFE膜材。

膜材料是一种完全柔性的面料, 所以膜面受拉时张紧, 拉力为零时松弛褶皱。越是曲率半径小的膜面越能保证其保持较大水平的拉力, 平面膜面极易发生应力松弛而导致褶皱, 所以膜面必是曲面。但膜材料成品是平的, 当采用平的膜成品制成曲面膜面时, 只能将成品平面裁剪成具有较窄宽度的裁剪片, 各裁剪片拼接形成近似曲面, 再经张拉才能形成光滑的膜面。裁剪片之间拼接缝具有两层膜面厚度, 与单层膜面透光率差异很大, 所以拼接缝在膜面上是可见且极为明显的 (图2) 。如果膜面上拼接缝杂乱无章, 将大大影响其美观性, 所以必须按一定规则设计一个美观的拼接缝图案。

PVC、PTFE和ETFE膜材料均具有一定的弹性变形能力。其中PVC的变形能力最强, 因而仅需较小的张力就可生成较光滑的曲面, 但相对而言, PVC膜材的耐久性和自洁能力又较差, 一般用于临时建筑和半永久性建筑中。PTFE可用于永久性建筑中, 但价格一般高于PVC材料。相对于PVC和PTFE膜材, 无基材的ETFE材料的应力蠕变现象明显且持续时间长[2], 所以宜用于制作充气单元, 这样可以通过补充空气维持气压稳定以保持膜面具有足够的张力、不因蠕变而松弛。因为没有基材, ETFE是一种近乎透明的材料, 所以运用小尺度的充气ETFE膜单元还可以替代玻璃面板或配以灯光达到特殊的建筑效果。PVC和PTFE为半透光的材料, 所以在大面积覆盖的建筑屋面中运用PVC和PTFE在白天无需照明, 将达到很好的节能效果。PVC和PTFE的水密性和气密性不亚于ETFE, 所以也可百富策略白菜网于各类充气单元和充气结构中。

任何复杂或大型的膜结构表面均是由许多相对独立的曲面单元组成的, 曲面单元是指至少包含一个多边形封闭边界的面内受拉的膜面单元。在一个多边形封闭边界内, 完全“柔性”的膜面可以依靠其自身的面内张力维持形状 (图3a) , 或内部支承于一个或多个支点 (图3b) , 或与垂直于膜面的空气压力相互平衡而维持形状 (图3c) 。

从图3a和图3b中截取任意膜微元, 可以发现膜微元任意两个正交方向的曲面曲率必是反向的, 因为只有这样, 两个方向的膜面张力才能互相平衡, 膜面形状才能据此维持, 这种具有正交反向曲率的曲面称为“负高斯曲面”, 见图4a。而从图3c中截取任意膜微元, 可以发现, 膜微元任意两个正交方向的曲面曲率必是同向的, 因为柔性松弛的膜面在其法向空气压力作用下必然生成两个同向的膜面面内拉力, 据此达成平衡并维持曲面形状, 这种具有正交正向曲率的曲面称为“正高斯曲面”, 见图4b。

图3a的曲面单元是典型的具有负高斯曲面性质的马鞍形曲面, 图3b的曲面单元是具有负高斯曲面特性的带桅杆支撑的伞形曲面, 图3c的曲面单元是典型的具有正高斯曲面性质的碗形曲面。

膜曲面单元的边界通过点或线连接于膜结构支承体上。膜结构支承体可以独立构成一个稳定的结构体系, 膜曲面单元仅为围护体, 这类膜结构称为框架支承式膜结构体系;膜结构支承体也可与膜曲面单元共同形成稳定的受力结构体系, 膜曲面单元成为不可缺少的受力单元, 这类膜结构称为张拉膜结构体系;碗形膜曲面单元可以由充斥于整个建筑体内的空气压力所支承, 这类膜结构称为气承式膜结构体系;两个碗型膜曲面可成对封闭并由充斥其内的空气压力所支承, 这类膜结构称为气枕结构体系。

张拉膜结构中, 膜结构的曲面单元与其支承体共同构成了一个完整的结构受力体系。张拉膜结构的支承体一般为脊、谷、边、斜拉索及撑杆或飞柱等集成体, 并不能独自构成稳定的受力体系, 膜曲面单元的破损或缺失将导致整个结构体系的溃塌。图5给出了一个典型的张拉膜结构实例, 在其中的伞形曲面单元中, 一旦膜面缺失, 飞柱及其下的由3根钢管和拉索组成的支承体将溃塌失效。在实际工程中, 一般通过设置主要支承体的稳定索和膜单元的脊索等, 来确保整个膜结构体系的安全, 亦可做到“膜损屋不倒”。

在张拉结构中, 膜面必须充分张紧才能承担其结构单元的功能。因为充分张紧, 膜面高度光滑和光洁、室内具有极佳的透光效果, 这些形成了张拉膜结构体系重要的建筑魅力;因为膜面充当了结构受力单元, 支承体并非完整的结构体系, 所以支承体构件较少, 结构体系极其简洁, 这形成了张拉膜结构独特的结构魅力。正因为兼具特别的建筑和结构魅力, 张拉膜结构体系往往成为建筑师的首选, 所以, 它在膜结构建筑中百富策略白菜网最为广泛。2010年上海世博会中轴屋面也采用了张拉膜结构体系 (图6) , 这是目前世界上最大的张拉膜结构体系。

张拉膜结构体系如未经妥善设计, 将导致结构体系的安全度不高, 一旦膜面因强台风或其他原因破损, 将导致整个结构体系的失效。

框架支承式膜结构体系中, 膜面或膜单元曲面仅仅起围护作用, 膜面的支承体系是独立且稳定的结构承重体系。曲面单元可以是马鞍形或伞形的。这类膜结构体系的最大优点在于结构体系的安全度极高, 因为膜曲面单元的损坏或缺失不会影响整个结构体系的安全性。但因为这类膜结构体系中支承体系构件较多, 极大地影响了其室内建筑观感和透光性, 无法充分体现膜结构轻盈飘逸的特点。图7-9是国内建造的较有影响的框架支承式膜结构体系。

气承式膜结构中, 建筑物的整个屋面形似一个倒扣的碗面, 由充斥于建筑物内的空气压力支承。由于膜材料极轻的自重, 这类膜结构所需空气压力也极小, 所以, 气承式膜结构是一种极为轻型高效的结构体系。但是, 采用气承式膜结构体系的建筑物, 必须设置鼓风装置, 不间断地充气以补充气压, 一旦断电后, 整个屋面膜曲面将逐渐掉落。建筑层高较低的气承式膜结构建筑内, 必须充分考虑到这一情况, 通过设置支架防止膜屋面掉落导致室内人员受困窒息的情况发生。图10为采用气承式膜结构体系的东京穹顶。

气枕式膜结构体系的膜单元类似充气枕头, 依靠填充于封闭膜单元内的气压支承膜单元的曲面形状。2008北京奥体国家游泳馆“水立方”的墙面上就填满了很多大小不一的ETFE气枕膜单元, 如图11所示。

气枕式膜结构一般采用ETFE透明材料配以灯光可达成炫彩的建筑效果。与气承式膜结构类似, 气枕内的空气气压必须恒定以维持气枕形状。所以, 一般必须设置气枕气压的监控和自动充气装置。ETFE膜材具有较明显的蠕变特征, 相比于气承式膜结构, 自动充气对于ETFE气枕膜结构体系更为重要。

除了类似枕头的气枕膜结构体系外, 采用PVC或PTFE材料的管状充气结构也属于气枕式膜结构, 这类结构更多地百富策略白菜网于临时广告架, 极少百富策略白菜网于建筑结构中 (图12) 。

公共建筑、体育场馆甚至建筑小品有时需要满足开启、展开、移动等特殊功能要求。而膜材料的质量远远轻于其他传统建筑材料, 这就使得在设计具备特殊功能要求的建筑物时, 膜结构建筑往往成为首选甚至必选。图13-17给出了我国和世界各地建造的多功能膜结构的一些工程实例。

在多功能膜结构设计中, 最困难的首先是开合、展开或移动的机械传动和控制系统的设计, 这是决定能否顺利实现膜结构各项特殊功能的关键。对于图12-14所示的开合或移动膜结构, 膜面设计完全等同于一般膜结构;但对于图15-16的可展开膜结构, 必须同时充分考虑展开前后两个状态的建筑效果, 而展开前膜面的建筑观感和效果较难进行理论模拟, 只能通过缩尺模型进行实验模拟。

膜结构体系的创新一直是工程界和设计界所追求的目标。如果循着建筑结构发展的历史脉络, 我们不难发现, 建筑结构的材料经历了天然的土、木、石到工业革命后的钢、混凝土、玻璃、纤维有机等人工材料的发展。天然材料的特点是强度低且抗压性能优于抗拉性能, 而人工材料的特点是强度高而导致截面小, 因而抗拉性能优于必须考虑稳定问题的抗压性能。与材料类型发展相对应的是, 建筑结构的体系也经历了以受压为主逐渐向轻型的以受拉为主的发展历程。所以, 结构体系创新的原动力是材料的创新, 一旦材料领域生产出各项建筑和力学性能超过现有膜材、并更适用于建筑结构的新型柔性面料, 必定会出现与之对应的新型膜结构体系。

结构体系创新可以通过在前述各类膜结构体系内创造新的种类来实现, 也可以通过在前述各类膜结构体系外创建新的体系来实现。

在既有各类体系内创建新的种类很难。事实上, 框架支承膜结构体系中, 膜面仅为围护面层, 所以, 这类体系内的创新, 本质上在于其支承体系即传统结构体系的创新, 与膜结构无关。而在各类多功能膜结构中, 因机械和控制学科的快速发展和进步, 开合展开的实现方式早就从齿轮传动进步到液压传动, 从被动控制进步到主动控制, 可以预计, 因这类进步而带来的新型多功能膜结构将越来越多, 但事实上这也与膜结构无关。

通过综合或混合运用前述各类膜结构体系是有望在既有各类体系外创建出新体系的。其中一个例子是瑞士某公司的专利产品, 如图17所示。在这一专利产品中, 综合运用了充气膜结构和张拉膜结构的概念, 成功构建了一个充气张拉膜管梁。在这一膜管梁中, 上部刚性受压杆承担梁的上弦杆件功能, 呈螺旋形分布的拉索在梁中承担下弦受拉构件功能, 而充于膜管内的空气因其不可压缩性承担受压腹杆的功能。

图18为成功创新膜结构体系的第二个例子[3]。考虑到对ETFE气枕膜单元须全时监测并随时补充空气以保持足够气压的不便, 设计者采用了气枕膜单元的形式, 但以弹簧压杆替代空气对两面膜面始终施加足够的压力以维持膜面受拉。虽然这一创新将气枕膜中的碗形膜面更改成了伞形膜面, 并且视觉上增加了内部弹簧压杆遮挡的不利效果, 但这无损其结构体系创新的成功性。

以上成功创新的实例虽然只是较小的膜单元体, 但大型建筑结构体系的创新也完全可以通过综合或混合运用既有不同体系予以实现。但显然, 这需要相关领域研究者和设计者进一步提高创新意识、共同艰苦工作, 这其中更应该包含建筑师的智慧。