膜结构在环境设计中的应用

　　一、 膜结构常识

　　膜结构(Membrane Structures)是20世纪中期发展起来的一种新型建筑结构形式，是由多种高强薄膜材料(PVC或Teflon)及加强构件(钢架、钢柱或钢索)通过一定方式使其内部产生一定的预张应力以形成某种空间形状，作为覆盖结构，并能承受一定的外荷载作用的一种空间结构形式。膜结构可分为充气膜结构和张拉膜结构两大类。充气膜结构是靠室内不断充气，使室内外产生一定压力差(一般在10mm-30mm水柱之间)，室内外的压力差使屋盖膜布受到一定的向上的浮力，从而实现较大的跨度。张拉膜结构则通过柱及钢架支承或钢索张拉成型，其造型非常优美灵活。

　　膜结构所用膜材料由基布和涂层两部分组成。基布主要采用聚酯纤维和玻璃纤维材料;涂层材料主要聚氯乙烯和聚四氟乙烯。常用膜材为聚酯纤维覆聚氯乙烯(PVC)和玻璃纤维覆聚聚四氟乙烯(Teflon)。PVC材料的主要特点是强度低、弹性大、易老化、徐变大、自洁性差，但价格便宜，容易加工制作，色彩丰富，抗折叠性能好。为改善其性能，可在其表面涂一层聚四氟乙烯涂层，提高其抗老化和自洁能力，其寿命可达到15年左右。Teflon材料强度高、弹性模量大、自洁、耐久耐火等性能好，但它价格较贵，不易折叠，对裁剪制作精度要求较高，寿命一般在30年以上，适用于永久建筑。

　　世界上第一座充气膜结构建成于1946年，设计者为美国的沃尔特?勃德(W.Bird)，这是一座直径为15m的充气穹顶。1967年在德国斯图加特召开的第一届国际充气结构会议，无疑给充气膜结构的发展注入了兴奋剂。随后各式各样的充气膜结构建筑出现在1970年大阪世界博览会上。其中具有代表性的有盖格尔设计的美国馆(137m ×78m卵形)，以及川口卫设计的香肠形充气构件膜结构。后来人们认70年大阪博览会是把膜结构系统地、商业性地向外界介绍的开始。大阪博览会展示了人们可以用膜结构建造永久性建筑。而70年代初美国盖格尔一勃格公司(Geiger-Berger Associates)开发出的符合美国永久建筑规范的特氟隆(Teflon)膜材料为膜结构广泛应用于永久、半永久性建筑奠定了物质基础。之后，用特氟隆材料做成的室内充气式膜结构相继出现在大中型体育馆中，如 1975年建成的密歇根州庞蒂亚克银色穹顶(椭圆形 220 × 159m)，1988年建成的日本东京体育馆(室内净面积4.6767m2)。

　　张拉式膜结构的先行者是德国的奥托(F.Otto)，他在 1955年设计的张拉膜结构跨度在 25m左右，用于联合公园多功能展厅。由于张拉膜结构是通过边界条件给膜材施加一定的预张应力，以抵抗外部荷载的作用，因此在一定初始条件(边界条件和应力条件)下，其初始形状的确定、在外荷载作用下膜中应力分布与变形以及怎样用二维的膜材料来模拟三维的空间曲面等一系列复杂的问题，都需要有计算来确定，所以张拉膜结构的发展离不开计算机技术的进步和新算法的提出。目前国外一些先进的膜结构设计制作软件已非常完善，人们可以通过图形显示看到各种初始条件和外荷载作用下的形状与变形，并能计算任一点的应力状态，使找形(初始形状分析)、裁剪和受力分析集成一体化，使得膜结构的设计大为简便，它不但能分析整个施工过程中各个不同结构的稳定性和膜中应力，而且能精确计算由于调节索或柱而产生的次生应力，完全可以避免各种不利荷载工况产生的不测后果。因此计算机技术的迅猛发展为张拉膜结构的应用开辟了广阔的前景。而特氟隆膜材料的研制成功也极大地推动了张拉膜结构的应用。比较著名的有沙特阿拉伯吉达国际航空港、沙特阿拉伯利雅得体育馆、加拿大林德塞公园水族馆、英国温布尔登室内网球馆、美国新丹佛国际机场等。

　　膜结构的设计主要包括体形设计、初始平衡形状分析、荷载分析、裁剪分析等四大问题。通过体形设计确定建筑平面形状尺寸、三维造型、净空体量，确定各控制点的坐标、结构形式，选用膜材和施工方案。初始平衡形状分析就是所谓的找形分析。由于膜材料本身没有抗压和抗弯刚度，抗剪强度也很差，因此其刚度和稳定性需要靠膜曲面的曲率变化和其中预张应力来提高，对膜结构而言，任何时候不存在无应力状态，因此膜曲面形状最终必须满足在一定边界条件、一定预应力条件下的力学平衡，并以此为基准进行荷载分析和裁剪分析。目前膜结构找形分析的方法主要有动力松弛法、力密度法以及有限单元法等。膜结构考虑的荷载一般是风载和雪载。在荷载作用下膜材料的变形较大，且随着形状的改变，荷载分布也在改变，因此要精确计算结构的变形和应力要用几何非线性的方法进行。荷载分析的另一个目的是确定索、膜中初始预张力。在外荷载作用下膜中一个方向应力增加而另一个方向应力减少，这就要求施加初始张应力的程度要满足在最不利荷载作用下应力不致减少到零，即不出现皱褶。因为膜材料比较轻柔，自振频率很低，在风荷载作用下极易产生风振，导致膜材料破坏，如果初始预应力施加过高，膜材徐变加大，易老化且强度储备少，对受力构件强度要求也高，增加施工安装难度。因此初始预应力的确定要通过荷载计算来确定。经过找形分析而形成的膜结构通常为三维不可展空间曲面，如何通过二维材料的裁剪，张拉形成所需要的三维空间曲面，是整个膜结构工程中最关键的一个问题，这正是裁剪分析的主要内容。

　　膜结构在我国也不乏工程实例，其中规模最大、最具影响力的膜结构要数1997年竣工的上海八万人体育场看台罩棚张拉膜结构工程。但该膜结构为美国Weidlinger公司设计制作，由此也可以看出我国在该领域与国外先进国家的差距很大。目前影响我国膜结构广泛应用的主要因素有：国产膜材料性能差，而进口膜材料价格高;尚无商业性的膜结构计算机辅助设计系统;人们对膜结构缺乏足够的认识等。

　　二、膜结构建筑特点：

　　本世纪五十年代，膜结构建筑作为别开生面的建筑形式在国际上开始出现，至今已有四十多年的历史，特别是到了七十年代以后，膜结构的应用得到了迅速发展。膜结构的出现为建筑师们提供了超出传统建筑模式以外的新选择。时至今日，膜结构已广泛用于体育场馆、展厅、商议市场、娱乐场馆、旅游设施等。膜结构按期结构形式可分为钢结构、张拉结构及充气结构;按摩材特性又可分为永久性膜结构(膜材是使用年限可超过25年)半永久性膜结构(膜材使用年限为10- 15年)及临时性膜结构(膜材使用年限为3-5年)。

　　膜结构具有以下特点：

　　1.艺术性

　　膜结构与造型学，色彩学为依托，可结合自然条件及民族风情，根据建筑师的创意建造出传统建筑难以实现的曲线及造型。膜结构-建筑师的浪漫设想，享受大自然般浪漫空间。

　　2.经济性

　　对于同等大小的建筑，如果采用膜结构，其成本只相当于传统建筑的二分之一或更少，特别是在建造短期应用的大跨度建筑时，就更为经济。而且膜结构能够拆卸，易于搬迁。

　　3.节能性

　　由于膜材本身具有良好的透光率(10-20%)，建筑空间白天可以得到自然的漫散射日光，可以节约大量用于照明的能源。

　　4.自洁性

　　膜材表面加涂的防护涂层如(据四氟乙烯、丙烯酸等)具有耐高温的特点，而且本身不发粘，这样落到膜材表面的灰尘可以靠雨水的自然冲洗而达到自洁的效果。

　　5.大跨度无遮挡的可视空间

　　膜结构已改传统建筑材料而使用膜材，其重量只是传统建筑的三十分之一。而且膜结构可以从根本上克服传统结构在大跨度(无支撑)建筑上实现所遇到的困难，可创造巨大的无遮挡的可视空间。

　　三、当代膜结构发展概述

　　(一)、前言

　　为了迎接新世纪的来临，人们试图采用各种方式表示庆贺，建造一座建筑物不但以其形体引人注目，而且将作为标志性建筑而长久地存在。在全世界众多的纪念性建筑中，英国所建造的千年穹顶(Millennium Dome)尤为突出。当2000年子夜的钟声敲响时,在伦敦泰晤士河畔五彩缤纷焰火的照耀下，千年穹顶以它银白色的圆顶迎接新的千禧年。这座直径 320m、以 12根高山100m的桅杆所支承的圆球形屋顶采用了张力膜结构。正是这座穹顶集中体现了20世纪建筑技术的精华，用它来迎接新世纪，的确是再恰当不过了。

　　虽然人们喜欢从最广泛的意义出发，把铁木构架和帆布建成的大棚,甚至以枝条和兽皮搭成的帐篷都纳入膜结构的范围,但从严格的结构受力的定义来说,膜结构始于1970年日本大阪博览会上一座气承式膜结构的美国馆。当初这不过是临时性的展览建筑，但30年来膜结构却经历了巨大的变化。

　　从膜结构的跨度来看，近似椭圆形的美国馆，两个方向的跨度针别为 140m和 83.5m。以后东京后乐园的气承式膜结构，最大跨度达201m。而美国亚特兰大的佐治亚穹顶，以椭圆形的屋顶覆盖了 240mxl92m的索膜结构。从当前的技术和材料条件看，完全有可能用膜结构来修建 1000m的大跨度建筑。从所覆盖的面积来看，1981年沙特阿拉伯吉大机场候机大厅的伞形悬挂膜结构的占地42万m2，已令人叹为观止。而如今在沙特阿拉伯的米拿，为了庇护来往的朝圣者，正在分三期建设与吉大机场类似的膜结构，总面积在100万m2以上，堪称 帐篷之城。

　　膜结构作为一种现代化的工程结构，显示了当今建筑技术与科学的发展水平，也具有巨大的发展潜力，在新的世纪中，膜结构必将在建筑结构中占有重要的地位。 (二)、不定的形状与形状的确定

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