?膜結構作為一種空間結構形式,最早可以追溯到遠古。人類用木頭搭建結構骨架,覆蓋上獸皮或草席,用繩子或石塊固定在地上,建成簡易的房子。
以獸皮建造的帳篷
近代膜結構,受到馬戲團大型帳篷的啟發,并隨著新型膜材料和高強鋼索的研發,以自由、輕巧、柔美,充滿力量感的造型,在建筑領域的應用越來越廣泛。
此外,因為膜結構建造快、方便安裝和拆卸,特別適用于小型、臨時的或使用年限較短的建筑。
1 材料
建筑中最常用的膜材料主要有PTFE膜、PVC膜和ETFE膜三種。膜材的選擇往往取決于建筑物的功能、防火要求、設計壽命和投資額。
PTFE 在極細的玻璃纖維(3微米)編織成的基材上,涂覆聚四氟乙烯等材料。
永久性建筑的首選膜材料,使用壽命在20~30年以上;
強度高、耐久性好、自潔性好,且不受紫外光的影響;
高透光性,且透過的光線為自然散漫光,不產生陰影和眩光;
反射率高,熱吸收量少;
燃燒性能A 級;
PTFE在1979年左右出現后,從各方面改善了膜材的特性,使得膜結構從帳篷或臨時性建筑,發展到永久性建筑。
PVC 以尼龍織物為基材,涂覆PVC 或其他樹脂。
早期的膜材,使用年限一般為7到15年;
強度及防火性與PTFE相比具有一定差距;
自潔性較差,可在PVC涂層上再涂PVDF樹脂;
另一種涂有Tio2(二氧化鈦)的PVC膜,具有極高的自潔性;
燃燒等級B1 級,不及PTFE膜;
ETFE 乙烯-四氟乙烯共聚物薄膜,非織物類。
耐久性好,15年以上惡劣氣候,力學和光學性能不改變;
耐磨、耐高溫、耐腐蝕,絕緣性;
密度小,抗拉強度高,破斷伸長率達300%;
表面非常光滑,極佳的自潔性能,灰塵、污跡隨雨水沖刷而除去;
阻燃材料,熔后收縮但無滴落物。
2 高效的張拉結構
膜結構是以高強度的柔性薄膜材料,經張拉或充氣形成穩定的曲面,承受外荷載的結構形式,其造型自由、輕巧、柔美,充滿力量感。
結構形式譜系簡圖
在上面的結構體系簡圖中,膜結構屬于利用形抗的全軸力張拉結構,其結構效率是非常高的。利用膜材料的高抗拉強度,單獨考慮膜材的跨度與其厚度的比值,可以達到1/10000,是最極致的輕型結構。
構件尺寸與跨度的比值(估算)
3 結構形式分類
根據膜結構的成形方式和受力特點,一般可以分為張拉膜、充氣膜和骨架膜三種。比較形象的比喻是,張拉膜像帳篷、充氣膜像熱氣球、骨架膜像蒙古包。
幾種張拉膜和充氣膜
2.1 張拉膜
利用馬鞍面或者其它曲面正反曲率的特點,給膜材施加張力以提高膜結構的剛度,抵抗外荷載。弗雷·奧托(Frei Otto,1925~2015)最早把這一創意應用于建筑,創造出自由多變,輕盈飄逸的建筑造型。
卡塞爾聯邦花園展覽音樂廳, 1955
奧托1955年設計卡塞爾聯邦花園展覽音樂廳,像是一個四點支撐的帳篷,依靠邊索給膜施加預應力使帳篷的外形呈現兩頭向上、兩頭向下的形狀(馬鞍形)。這個設計宣告了帳篷設計進入了全新的時代。
科隆園藝展舞場,1957
不久之后,他設計了科隆園藝展舞場,由6根梭形柱撐吊起張拉膜,再以6根穩定索向下壓住膜材以平衡受力,覆蓋了直徑33米的室外舞場區域。從結構體量和設計方面來說,該結構第一次超出了“帳篷”的意向。
科隆聯邦庭院展覽入口拱門, 1957
科隆聯邦庭院展覽入口拱門,是膜和鋼結構拱的組合。拱門跨度34m,跨越整個售票大廳,鋼結構拱為膜提供張拉支承條件,膜張緊后又為鋼拱提供側向支撐。鋼拱的截面非常小,直徑僅為171mm、壁厚為14mm。如今,現場所呈現的是當年的復制品,與原作相比其跨度小而受壓拱的截面卻更大。
1964年,弗雷·奧托成立了“輕型建筑研究所”,被稱為“建筑天空的起飛跑道”。他的代表作蒙特利爾博覽會西德館,德國慕尼黑奧運會雖然為索網張拉結構,但幾乎完美地呈現了張拉膜的形態,因為索網結構與張拉膜結構具有類似的受力原理。
1967年蒙特利爾世博會的德國館,8根鋼鐵的桅桿和5厘米直徑鋼纜結成的索網支撐起半透明的白色滌綸帳篷,這一輕型化大跨度的建筑成為1972年慕尼黑奧運主場館的先聲。
蒙特利爾博覽會德國館,1967
膜材一般不能單點受力(局部拉應力過大,可能會撕裂)。當“膜”面內僅僅由一根桅桿支撐時,為了將膜材的內力傳遞到帳篷的高、低點上,通常需設置脊索、谷索、索圈(即“索眼”)來實現,類似于上圖蒙特利爾博覽會德國館的作法。
慕尼黑奧運會主場館, 1968–1972
丹佛國際機場航站樓是為數不多的整體采用膜結構的機場。76米x285米的大空間沿長邊方向劃分為17個單元。
丹佛國際機場航站樓:鳥瞰
每個單元由間距45.8米的兩根支柱撐起山峰形的脊索,柱間為起穩定作用的谷索。以脊索和谷索為邊界結構,其間的張拉膜材覆蓋建筑大空間。
丹佛國際機場航站樓:室內
2010年上海世博會主入口的世博軸也采用了張拉索膜結構,由德國SBA公司和華東建筑設計研究院設計。全長1045米、寬約100米的世博軸,由6個喇叭形的“陽光谷、13根大型桅桿、數十根斜拉索和巨大的膜結構組成。
上海世博會世博軸,2010年
2.2 骨架膜
骨架膜是以剛性構件作為骨架,以膜材作為覆蓋材料,主要由剛性骨架承受外荷載。由于膜材的透光性和張力感,使得骨架膜結構的大空間更加明亮、開放、富有力度感。
蓬皮杜梅斯藝術中心, 2010
蓬皮杜梅斯藝術中心由坂茂建筑事務所(Shigeru Ban Architects)設計。以15m跨度為模數,3個縱深長達90m的長方體彼此垂直層疊。木結構屋面表面覆蓋PTEE薄膜,呈現出極佳的效果。
漢諾威世博會日本館,2000,坂茂、奧托
2000年,奧托和與坂茂合作了漢諾威世博會日本館,采用了與曼海姆大廳類似的網殼結構,只是屋面網格的木材換成了紙卷。
2.3 充氣膜
利用氣壓使膜產生張力,以此來抵抗外力的結構稱為充氣膜結構,具體又分為氣承式和氣脹管式兩大類,是現代膜結構擺脫馬戲團帳篷形象的一次嘗試。
簡單地理解,氣承式是利用膜內外氣壓差使膜產生拉力來平衡外荷載,類似于熱氣球。
氣承式(熱氣球) / 氣脹管式(充氣棒)
氣脹管式的原理是利用充氣使得管(梁或拱)形成抗彎和軸向剛度,以承擔外荷載,類似于常見的充氣棒。氣脹管式充氣膜所需要的氣壓比氣承式的更大,結構效率比氣承式低。
氣承式和氣脹管式受力原理簡圖
充氣膜結構建造方便、快速,最初用于軍用設施。Votta Byrdr從美軍雷達穹頂、兵營和倉庫充氣膜結構的建造中積累了經驗,于1957年采用充氣膜建造了自家的游泳池簡易棚,第一次把這種結構形式帶入到大眾的建筑領域。
以1970年大阪世博會為展示契機,膜結構因建造快速簡便,被眾多國家場館所采用。其中最具代表性的美國館和富士館都是充氣膜。
美國館的方案是由蓋格爾(D.Geiger)提出的低拱度空氣膜結構,屬于氣承式。在長軸142米、短軸83.5米的橢圓形壓環內側,用索張拉膜材(聚氯乙烯噴涂的玻璃纖維布)。
大阪世博會上的美國館,1970
美國館穹頂的垂度非常低(僅1.6m),垂度低的充氣穹頂受到的風荷載分布比較均勻(吸力),這對保持膜結構形態和承載力的穩定非常有利。
與美國館不同,富士館是一種拱形的充氣膜,只對拱形管充氣,建筑物內部氣壓與室外氣壓相同,出入口不需要氣門鎖,完全自由。同時結合橫向索和纜風索,形成整體穩定的結構。
充氣拱的管狀截面直徑約4m,膜材為噴涂有彈性橡膠的聚乙烯醇纖維布,充氣氣壓比室外大氣壓高800mm水柱。每個單元有16根拱,拱長均為72m,但每根拱的拱高和拱腳跨度不同,最終呈現出獨特的形狀。富士館以前所未有的結構系統和形態震驚了世界。
大阪世博會富士館,1970
建筑設計:村田豐,結構設計:川口衛
PTFE這種不可燃、高耐久性膜材的出現,為充氣膜形式的永久建筑提供了技術上的可行性。20世紀七八十年代美國和加拿大建造了大量的蓋格爾充氣膜(單層低矢高氣承式膜結構)的體育館。
然而,由于充氣穹頂在風雪影響下受損甚至倒塌的事故多次發生,且建筑維護費用高(維持氣壓和修補),漸漸地充氣穹頂被其它形式的穹頂所取代。
事故原因包括多種因素,膜材料壽命(通常20-30年左右)、風雪天氣的大幅降溫使得氣壓不穩定、低矢高穹頂易積雪、撓度大和積雪進一步增大的惡性循環,除雪困難等。
Hubert H. Humphrey Metrodome,蓋格爾設計
2010年因暴雪導致膜材撕裂,內部氣壓驟降而垮塌
4 其它
相比與其它結構材料,膜還有一些獨特的性質,比如光特性(透光、遮光、泛光)、可折疊、可卷起。利用這些特點,能設計出更加有趣的結構。
華沙體育場
利用膜的可展特性,實現屋蓋中心的開啟和封閉
以膜作為張拉材料的張拉整體結構
壓桿之間不直接連接
以膜構成的空間有無窮無盡的可能和魅力。綜合考慮功能與形態、造型與力、材料、系統、節點、織物裁剪、施工方法等等,膜結構設計也是一種妙趣橫生的探索過程。
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