膜结构悄然走入新建筑

文章来源:天禧膜官网 发表时间:2018-06-07

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提到膜结构建筑,许多人会觉得陌生。但说到广州海洋馆,凡去过的人都会被那种新奇的建筑形式所吸引。广州海洋馆的海豚表演场和海狮馆整个被两个大型的篷盖所笼罩,充满了现代气息。在世界上的膜结构建筑中,英国所建造的千年穹顶(Millennium Dome)尤为突出。这座直径320m、以12根高100m的柱子所支承的圆球形屋顶采用了张力膜结构。记者近日从2008奥运会组委会得知,奥运会主场馆鸟巢也将大量使用膜结构。

  对于这种新奇的、充满柔性艺术气息的新式建筑,许多人不禁担心,这看似帐篷的东西能抵抗大风和防腐抗霉吗?和土木建筑相比,使用年限又如何呢?

  膜结构的由来

  膜结构起源于欧洲,张拉式膜结构第一次出现在1964年瑞士的一次博览会上,随着高新材料出现和建造工艺的提升,现已成为一门专业性很强的建筑形式。用在建筑设计上,不仅能加强屋顶区域结构,而且能扩大建筑设计的空间、提亮室内自然照明,现已进入了大型建筑领域,在世界各地造就了许多成功的范例,分别应用于娱乐、体育、商业、工业、农业等领域。这当中远的有2000悉尼奥运会场馆、法国世界杯里昂热朗体育场、英国剑桥大学研究中心,1990年大阪世博会、1992年西班牙塞尔维亚世博会、德国慕尼黑体育馆;近的有2001年中国广州九运会场馆、广州第四届花卉博览会、韩日世界杯场馆等等。
  建筑设计师之所以采用膜结构,主要是因为其独特的性能。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;涂层材料主要是聚氯乙烯(PVC)和聚四氟乙烯(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,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,提高自抗老化和自洁能力。其寿命可达到15年左右。
  另一方面,由于膜材是柔性织物,自重较轻。能建成大跨度;同时膜结构表面必须有曲线起伏以便膜材张拉,故建筑设计师在从事设计时非常自由,可以设计出形式多样、曲线优美、充满柔性和极强艺术感的造型。

  不定的形状与形状的确定

  膜结构的突出特点之一就是它形状的多样性,曲面存在着无限的可能性。对于气承式空气膜结构来说,充气之后的曲面主要是圆球面或圆柱面,可能没有太多的选择余地。而对于以索或骨架支承的膜结构,其曲面就可以随着建筑师的想象力而任意变化。
  就形状而言,对建筑师说来是至关重要的。采用一般结构的建筑物,其形状往往是先由建筑师确定。膜结构则不同,首先它的变形比一般结构要大一些,其次它的形状是在施工过程中逐步形成的,有一个形状确定的问题,需要结构工程师的参与。要确定在初始荷载下结构的初始形状,即结构体系在膜自重(有时还有索)与预应力作用下的平衡位置。在初步设计阶段,先按建筑要求设定大致的几何外形,然后对膜面施加预应力使之承受张力,其形状也相应改变,经过不断调整预应力,最后就可得到理想的几何外形和应力分布状态。
  膜结构设计打破了传统的先建筑、后结构做法,要求建筑设计与结构设计紧密结合。在设计过程中,建筑师和结构工程师要坐在一起确定建筑物的形状,并进行必要的计算分析。这时,所设计建筑物的平面形状、立面要求、支点设置、材料类型和预应力大小都将成为互相制约的因素,一个完美的设计也就是上述矛盾统一的结果。

  从帐篷到永久性建筑

  过去人们习惯地把膜结构看作是个帐篷,而帐篷只能算是一个临时性建筑——不够牢固、不能防火、又不能保暖或隔热。如今对采用膜结构的帐篷却要刮目相看了,其中的关键问题就是材料。上世纪70年代美国制造商开发的玻璃纤维织物即满足了如上的要求。主要的改进是涂覆的面层采用了聚四氟乙烯(PTFE
商品名称Teflon一特氟隆)。这种材料于1973年首次应用于美国加利福尼亚拉维思学院一个学生活动中心的屋顶上。经过20多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表明涂覆PTEE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,从乐观的估计来说这种材料的使用年限将远不止当初所估计的25年。
  与此同时,一种价格比较低、涂覆PVC的聚酯织物在性能上也有很大的改进。制造商在原来的涂层外面再加一面层,比较成熟的有聚乙烯(PVF,商品名Tediar)和聚偏氟乙烯(PVDF)这种面层能保护织物抵抗紫外线1975年在美国密执安州庞提亚克兴建了平面尺寸为243.9X183m的银色穹顶,这是第一次将气承式膜结构应用于永久性的大型体育馆。其后在北美地区,类似的膜结构就建了9座。
  膜结构建筑已有数十年的历史,是建筑设计师发挥想象力最佳的材料和建筑形式,被誉为梦幻材料。目前,膜结构90%都是公共建筑。在公园、体育场馆、车站、机场、港口、展览中心、路桥收费站、停车场、加油站、户外公共环境等场所,都有膜结构工程的身影,膜结构建筑往往都成为城市、建筑群体的视觉中心点。目前,在全球,索膜建筑无论在工程还是在科研领域都处于热潮中。索膜建筑功能的多样化和使用领域的不断扩展,结构跨度或高度不断增大,使索膜结构体系成为标志性建筑。由于材料科学的迅速发展,新的优质建筑膜材不断出现,再加上膜结构特有的柔顺的曲面、广阔的空间、半透明的室内环境,使得膜结构具有广阔的发展前景。

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