漫谈膜结构的发展史

文章来源:天禧膜官网 发表时间:2018-06-07

 1967年蒙特利尔的万国博览会德国馆是由德国的FreiOtto教授设计的,在建筑上有广泛的国际影响。膜结构以其轻质、薄而柔软的特性大大不同于当时在建筑中常见的钢结构。由曲面形成的大空间由于膜材的透光性而变得无比明亮,这种空间在建筑中是没有先例的。  


    现代膜结构最初是在德国发展起来的,其基本特点、力学特性、设计方法和其作为结构体系的潜力也是在德国得到研究的。在此基础上,这些最初被称作帐篷结构的东西作为现代建筑的有机组成部分被逐渐认识。设计精良的膜结构在世界各地建造,膜结构经历了一个复兴时期。如今,它们作为独特的有着无限潜力和适应各种功能的结构已被全世界所接受。 

    一、膜结构的发展 

    1961年一篇名为《Tent》的文章在AIA杂志的二、四月份刊上发表,Otto教授给所有人揭示了膜结构的重要性。他写道:房屋不能也不应该是我们必须挤进去才能进入其中的刚体。相反,伴随我们的应该是生动的、变化的环境。”Otto教授还指出,通过对极小化的结构形态的研究,他和他的同事发现,此形态是存在于这个有机世界中的,他正试图赋于膜结构。他接下来写道:帐篷建筑是古老的,三万年前就有帐篷建筑。除了这古老的习俗外,帐篷建筑是微不足道的。正确的建造帐篷建筑有极大的困难。事实上这是所有建筑施工当中最难的一个领域。由于Otto教授的讲演和指导,膜结构的知识得以在许多国家快速地散布开来。他和他的小组于1965年出版了《Spannweiten》这本书,他们从建筑的角度研究并发展了现代的膜结构。这本书引起了全世界的关注。在轻型结构所工作的Otto做了许多工作,代表着现代膜结构的起点。他们的技术和思想反映在蒙特利尔67年万国博览会上,这个建筑物对膜结构的世界有着广泛的影响,确实是其发展里程上划时代的一笔。 

    在大阪举行的日本70年万国博览会开始对膜结构有了需求。许多日本建筑师向用膜这种新材料来创造新空间发起了挑战。大阪博览会也为发掘膜结构的潜力提供了极好的机会。为安全起见,这个结构装备了一个系统以保证屋盖在漏气时不与观众席或场地接触。这个想法成为膜结构设计史上的一个转折点,使充气膜成为可能。 

    七十年代,GeigerBerger公司发展了充气膜。随之而来的是PTFE涂层的玻璃纤维膜作为新的膜材而发展起来,导致许多巨型膜结构在美国的出现。随着Milligan学院的SteveLacy战地医院(1974)和SantaClara大学的ThomasE.Leavey活动中心(1976)的建成,大规模的充气膜开始兴建。在美国还涌现了一批能容纳许多观众的多功能的适应各种天气情况的体育馆。1970年的Silver穹顶——拥有八万个席位的低矢高穹顶在Pontiac城建成。这些大跨度建筑表明膜结构的一个优点,即大空间不再是黑暗而压迫感的,这些穹顶还能经济地跨越大空间。就此而言,大阪博览会美国馆是膜结构发展历史上的里程碑。 

八十年代,美国有7个充气膜。但1983年在Indianapolis建成Hoosier穹顶之后停止了建新的充气穹顶。为克服诸如经常地发生结构事故、持续充气带来的高成本、控制气压的复杂性、空间封闭性等问题,开始了探索新的结构形式。在北美洲,膜结构作为永久性建筑开发了新的功能。比如1980年的佛罗里达大学StephenC.O’Connel中心,1984年的Lindsay公园体育中心,1989年的SanDiego解放中心,1990年的公园露天剧场等均是完美外形与创新结构的结合。一系列购物商场也建成了。 

    八十年代末期,由BuckminsterFuller最初设想的张拉整体穹顶作为能覆盖大空间的新的结构形式而引入。这种索-杆组合结构开始代替早期的充气穹顶。1986年圣奥林匹克国家体育中心的体操馆和击剑馆是由Geiger公司设计的。紧接着是Weidlinger公司设计的1988年的Illinois州立大学Redbird体育场、1989年的Thunder穹顶、1992年的佐治亚穹顶都采用了这种结构体系。美国开拓了自己的道路来覆盖大空间。 

    八十年代全球有名的建筑师开始在许多欧州国家设计膜结构并改进了设计标准。美国的膜结构容易相似,而欧州的工程更具个人主义。1985Schlumberger大学研究中心是欧洲第一个拥有膜结构的研究中心,被称作新鲜的光空间,采用索-膜的组合结构。膜结构中有基本的钢框架,但又用到索的组合。1989年,NuageLeger膜结构建在巴黎的GrandeArche中,使得这种结构体系在全世界范围内都成了引人注目的中心。足球场上跨越观众席的传统屋顶容易使下面的空间变黑,而在欧洲建的膜结构却不会如此。1990年罗马奥林匹克体育场的膜结构从受压环的空间框架上悬挂下来,既轻盈又美观,成为跨越观众席的屋顶最常用的模型。1990RenzoPiano设计的SanNicola体育场应用膜结构与混凝土的组合,1993GottliebDaimler体育场轻便美观,与相应的结构比较取得了更大的合理性和经济性。PVC涂层的聚酯纤维膜主要用于欧州早期的膜结构,而PTFE涂层的玻璃纤维膜开始得到更大的应用。FreiOtto曾抱怨在膜结构中有太多的限制,但新的造型由于不同的结构体系而得到发挥,结构规模也越来越大。 

    在日本,1970年大阪博览会后膜结构没有太多的发展,许多膜结构的建造是支承在框架上。日本位于季风带,人们还不习惯于设计悬挂屋盖,导致人们选择传统的结构形式。但是八十年代末期,日本开始举行膜结构设计大赛,许多建筑师参加并竞相设计,于是日本的优秀膜结构开始普及。日本2002年世界杯足球赛十个体育场中有六个是膜结构(新泻体育场、鹿岛茨城足球场、琦玉体育场、静冈Ogasayama体育场、大阪长居田径场、大分穹顶)。 

    韩国2002年世界杯足球赛十个体育场中有五个采用膜结构(汉城体育场、仁川体育场、大邱体育场、釜山体育场、济洲西归浦体育场)。 

    中国长悬臂(悬挑跨度)体育场中19个里有10个采用膜结构,有香港大体育场、上海八万人体育场、上海虹口足球场、广州黄埔体育场、浙江义乌体育场、青岛颐中体育场、武汉体育中心、威海体育中心、烟台体育场、郑州航海体育场。当今时代,世界各国是相互影响的,结构设计更趋于规范而一致了。  
 二、结构设计在膜结构中的作用 

    利用薄的膜材进行设计以达到安全而合理是结构设计的关键,一个只熟悉传统建筑的建筑师来设计膜结构就很难理解和表达膜材所特有的性能。因此,在膜结构发展之初,结构设计师比建筑设计师的作用还大。 

    美国GeigerBerger公司在膜结构设计史上是先驱,留下了许多作品。发展了充气膜和张拉整体索穹顶,加上新膜材的使用,使其处于世界最前沿。其主要负责人DavidGeiger创造了第一个索穹顶结构圣奥林匹克的体操馆和击剑馆,可惜因疲劳过度于1989年去世。HorstBerger参与了1989SanDiego解放中心、1994Denver国际机场旅客集散中心等工程。Weidlinger公司又成功地运用超张拉整体穹顶覆盖大空间。Birdair公司负责建造了英国千年穹顶、上海八万人体育场、亚特兰大佐治亚穹顶、沙特阿拉伯利雅得体育场、红鸟体育场、罗马的奥林匹克体育馆等工程,Skyspan公司则建造了世界上最高(320m高)的ArabianTower旅馆、GottliebDeimler体育场等工程。 

    日本结构设计师也推动了膜结构的发展。日建设计部和竹中工务店设计部设计的东京穹顶(1988)和鹿岛建设设计部设计的AkitaSkydome(1990)Izumo穹顶(1992)都适应了日本的气候。太阳工业株式会社发展了许多膜结构的技术,包括结构设计、建筑设计和施工,奠定了其作为专业技术公司为结构设计师和建筑设计师提供支持的地位。膜结构在日本广泛应用,建筑师在设计中更灵活,膜在整个建筑表现上占有重要地位。日本的膜结构设计正在由结构设计向建筑设计转变。 

    欧洲的膜结构设计始于FreiOtto领导下的轻型结构所并拓展了膜结构的范围。随着膜结构的逐渐应用,一批结构设计事务所活跃起来。OveArup公司是二十世纪最有名的设计事务所中的一个,设计了许多独特的结构,成为膜结构设计领域的领头羊,参与了欧洲主要膜结构如Schlumberger大学研究中心和SanNicola体育馆等工程。SchlaichBergerman公司也设计了许多膜结构的设计,并以轻巧而著名,GottliebDaimler体育馆和GerryWeber中心法院(1994)尤其表明了其独特的设计方法,其轻快的设计体现了膜结构的基本特性。还必须指出,IngenieurplanungLeichtbau公司也是一家专门的膜结构公司,以1992年的Seville博览会德国馆为代表,但其负责人HaraldMuhlberger94年死于交通事故。 

    中国较早的专业膜结构公司有北京市光翌空间膜技术工程有限公司,代表作品有杭州游泳馆、广州黄埔体育场、深圳大学体育场、威海体育中心、海南博鳌亚洲经济论坛主会场、郑州航海体育场等。北京纽曼帝莱蒙膜建筑技术有限公司也是一家较早的专业膜结构公司,工程有浙江义乌体育场、青岛颐中体育场、烟台体育场等。此后,又有一批膜结构公司如雨后春笋般涌现出来,但与国外相比还存在较大差距。

 三、结构体系和膜材 

    膜结构建筑是指利用膜材特性而建起来的建筑。支承膜结构的可以是框架,也可以是索。如果用膜本身作为结构材料,则该材料有限的强度决定了该结构只能是小尺寸的。在大型结构中膜必须用某种方法加强一下,或与其他构件组合。但是膜材与别的屋面材料不同,一般来说,膜形成曲面,且膜材能抗拉,但不能抗压或抗弯。膜结构要用合理和正确的方法来张拉。在持续均匀的张拉下,整个结构的刚度增加了。膜材的徐变特性使在任意的张拉状态下也会随时间的推移渐渐地趋向等张力状态。因此从开始就设计一个等张力形态会有更大的稳定性。 

    人们曾害怕膜结构形态仅由力学来确定,而缺乏美学的考虑。但即使是由力学确定的曲面,其边界条件也不是无限制的,而必须由设计确定,其形态必须用索或钢构来赋予。具有框架的膜结构,膜被拉到钢、木或钢筋混凝土上,这个方法使习惯于传统建筑设计的建筑师在实现膜建筑上相对容易些。 

    充气膜结构的想法最初是由气球而来。第一个构思用于该结构的人可能是英国的F.W.Lanchester1917年他用充气膜建成一个战地医院而获得专利。但该结构用于实际中的是1946年建于美国的Radar穹顶。W.WBird建造了许多充气膜结构并对膜结构的发展做出了卓越的贡献。1967年在Stuttgart召开了IASS全球讨论会,使充气膜结构在全世界范围广泛流传。对充气膜结构提出了许多建议,这些都有助于制定这类结构的规范。 

    从古代开始就有游牧民的圆顶帐篷,现在又发明了合成纤维或玻璃纤维。最近能增进膜的耐久性、防火性和防水性的涂层又得到发展,因此膜结构就能如同传统建筑一样持久、安全。膜结构又具有透光性、轻质、适于各种框架以跨越大空间的特点。但一片简单的膜材就能覆盖一个原来用传统结构方法或材料才能实现的空间,也意味着膜结构有诸如隔音、隔热和撕裂强度等问题,要知道膜结构也不是万能的。 

    下面是膜材发展的年表: 

    1933——PVC(工业化) 

    1938——PTFE 

    1947——聚酯纤维(工业化) 

    1972——涂覆PTFE的玻璃纤维 

    早年的膜材是可折叠的,但PTFE涂层的玻璃纤维膜象其他建材一样最好不折叠或打开,是永久性的建筑材料,具有不燃性、大强度和耐久性,与PVC相比它又具有自洁性,不易弄脏。这种材料的发展开辟了膜结构新的可能。与耐久性好的不锈钢一样成为一种永久性建筑材料,这是个划时代的发展。用该种材料建成的建筑物,特别是大的体育场,在七十年代开始广泛地建造。最初人们担心玻璃纤维是不耐久的,到一定时间会不完整,但用氟聚合物加强的这种膜材经过24年的时间仍保持足够的强度。另一种膜材是PVC涂层的合成纤维膜,成本低,又易折叠,也有较大的市场,但有耐久性和表面易脏等问题。 

    膜结构一般用基于容许单位应力的设计方法。膜材的安全系数一般取4.0,这个值是令人满意的,因为它考虑了膜材可能引起的强度退化。从低成本的角度看,这个安全系数可能是人们能接受的最低值。过去一些膜建筑的事故表明膜材的撕裂导致结构垮掉往往是一些结构计算并没有考虑进去的局部因素导致撕裂。因此膜结构的安全很大程度上取决于设计细节。 
 四、膜结构事故案例 

    因强风引起的一个可开合膜结构事故 

    由于风荷载估计偏低、膜材的安全系数设定偏低、以及没有正确的裁剪等原因使得强风损坏了膜材,撕开的裂缝摧毁了整个屋盖。 

    ◎因暴雨引起的一个索膜结构事故由于采用了低矢跨比(比较平坦)的膜单元,因暴雨产生积水导致膜面大面积破损。 

    ◎因强风引起的一个充气膜事故 

    由于强风中膜表面剧烈地振动,碰到硬物从而损坏了膜材,不能维持内压,屋盖损坏。 

    ◎因积雪引起的一个充气膜事故 

    由于积雪时内压控制失效,屋盖形状不能恢复,最终导致坍塌。 

    此外,许多事故发生在小规模结构中。特别是充气膜,经常由于不能控制气压而发生事故。与传统结构相比,膜结构还没有碰到很多的事故。但膜结构的设计必须有各种可能下的充足考虑。因经济性优先,而过低估计荷载和材料安全系数、对结构特性认识不充分、不合理使用膜材、不合理的膜材连接依然很多,还有节点构造上不合理的使用均可导致事故发生。 

    五、展望 

    膜结构的未来发展方向是什么?使膜结构成为永久性建筑的同时,膜结构的临时性也是重要的主题。还有施工方法的改进,使膜材能定期地更换也是一个重要的任务。人们对膜材和施工方法以及高强度、抗撕裂性能、耐久性、隔热、隔音和弹性特性有不同的需求。除非我们努力满足这些要求,否则膜结构建筑的发展必将受到阻碍。 

    膜结构建筑的特点之一就是拥有一个明亮的内部空间。膜材能通过光线就是其透光性。玻璃能通过光线,能传热,膜材的透光性也如此。希望将来膜材的透光率可根据设计要求自由调节。胶片也是一种有潜力的材料,但因缺乏强度和抗火性而难以利用。高度透明的膜材正在得到发展,如果能达到一定程度则膜结构建筑史上又将写下新的一页。使用这种材料来形成一个封闭空间时将会产生什么样的热负荷?相应的施工方法和力学系统有什么样的修改?热辐射的问题怎么办?与玻璃相比透明的膜屋面是有吸引力的,因为膜需要很少的辅助构件,还能形成曲面。进一步发展膜材就必须解决上述问题。 

    对膜材表面的去污性我们能做些什么?尤其是PVC涂层上的灰尘会影响膜结构的形象。已经采取诸如在表面上涂氟这样的办法,但依然对灰尘无威慑力。膜材不像玻璃易清洁,灰尘会降低膜结构的魅力。这是个急需解决的问题,影响到膜结构作为永久性建筑在未来的发展。 

    膜结构以不同的方式在世界各地得到应用,人们已认识到它们的优点。由于膜材的轻质与耐久性,很多时候它们用来覆盖大空间。与其它类型结构的组合如果利用了各自的优点就能创造出更大的空间,也为发展新的膜结构建筑提供了可能。与不同的索结构组合也是可能的,因为膜材有很好的变形特性。膜材表面用索加强是膜结构发展的一个方向,这种情况下膜材不仅仅是覆盖屋面的材料,与索结构的组合也利用了膜材的强度。 

    最近人们才认识到利用膜结构来建造普通建筑物,也具有其他类型结构无法表现的、独特的性能。膜结构的设计、工程人员都应该为膜结构的发展贡献力量。此外,还需要国际间的交流和团结来促进膜结构的发展。

 

联系人  :李 经理

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