建筑膜結(jié)構(gòu)織物材料潛力無限
膜結(jié)構(gòu)是建筑結(jié)構(gòu)中最新發(fā)展起來的一種形式，它以性能優(yōu)良的織物為材料，或是向膜內(nèi)充氣，由空氣壓力支撐膜面，或是利用柔性鋼索或剛性支撐結(jié)構(gòu)將面繃緊，從而形成具有一定剛度、能夠覆蓋大跨度空間的結(jié)構(gòu)體系。自從1970年代以來，膜結(jié)構(gòu)在國外已逐漸應(yīng)用于體育建筑、商場、展覽中心、交通服務(wù)設(shè)施等大跨度建筑中。膜結(jié)構(gòu)已成為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)選型中的一個主要方案。成為化纖紡織品應(yīng)用的一個重要領(lǐng)域。近年來在中國建筑結(jié)構(gòu)中也有長足的進(jìn)展。
大阪萬國博覽會中的美國館采用了氣承式空氣膜結(jié)構(gòu)。這個擬橢圓形、軸線尺寸為 140m×83.5m的展覽館是世界上第一個大跨度的膜結(jié)構(gòu)，而且是首次采用了聚氯乙烯(PVC)涂層的玻璃纖維織物。作為一種真正的現(xiàn)代工程結(jié)構(gòu)，大阪萬國博覽會的展覽館標(biāo)志著膜結(jié)構(gòu)時(shí)代的開始。自此以后，膜結(jié)構(gòu)在世界范圍內(nèi)得到了迅猛的發(fā)展。從跨度來說,美國龐提亞克的"銀色穹頂"氣承式空氣膜結(jié)構(gòu)的平面有234.9m×183m,開始采用聚四氟乙烯(PTFE)涂層的玻璃纖維織物，類似的大型體育館在北美就建了九座。從面積來說,沙特阿拉伯吉大機(jī)場候機(jī)大廳的懸掛膜結(jié)構(gòu)占地42萬m2。作為膜結(jié)構(gòu)一種新形式，索穹頂于1988年首先用在漢城奧運(yùn)會的體操館與擊劍館，其后又在一些體育建筑中得到推廣。千年穹頂以其獨(dú)特的膜結(jié)構(gòu)，顯示了當(dāng)今建筑技術(shù)與材料科學(xué)的發(fā)展水平。
發(fā)展中的中國膜結(jié)構(gòu)
中國現(xiàn)代空間結(jié)構(gòu)的發(fā)展受到了西方國家先進(jìn)技術(shù)的影響。近幾年來，在膜結(jié)構(gòu)應(yīng)用上顯示了活躍的趨勢。雖然一開始工程規(guī)模不大，但已逐漸擴(kuò)展到更大的面積和跨度。所采用的技術(shù)與材料在某種程度上還要依靠國外，但預(yù)計(jì)會有更多的工程依靠自己的力量來完成。
在過去十年中，中國的許多城市都在籌劃建設(shè)新的體育設(shè)施。由于其重量很輕的優(yōu)點(diǎn)，膜結(jié)構(gòu)往往被采用。體育建筑可以說是膜結(jié)構(gòu)在中國應(yīng)用的突破口。1997年之前，只建造了少量的小型與中型的膜結(jié)構(gòu)，同年在上海舉行的第七屆全國運(yùn)動會，膜結(jié)構(gòu)被用在主體育場的看臺挑篷，總面積達(dá)36100m2。這是中國第一次將膜材制成的屋頂用在大面積的永久性建筑上，具有深遠(yuǎn)的影響。當(dāng)時(shí)涂PTFE的玻璃纖維膜材和工程安裝還借助于國外鵬騰公司的力量。在上海體育場成功的建成后，雖然它的價(jià)格仍高于傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，又出現(xiàn)了一些膜結(jié)構(gòu)屋頂?shù)捏w育場。
頤中體育場座落在山東省的濱海城市青島，這是中國第一個靠自己力量設(shè)計(jì)與施工的大型膜結(jié)構(gòu)體育場，外包尺寸為266m×180m，可容納6萬觀眾。懸挑40m的屋蓋是一個包括膜、索和鋼支承結(jié)構(gòu)的典型張拉體系，整個屋蓋由70個錐形索膜單元組成，總面積為30000m2。
環(huán)顧整個中國大地，新的體育中心正在一個接一個的規(guī)劃，膜結(jié)構(gòu)成為覆蓋主體育場的優(yōu)選，估計(jì)已有十多個體育場采用。在大城市中有上海(虹口區(qū)足球場)、武漢、鄭州和廣州，在中小城市有煙臺、威海和蕪湖。另一個適宜采用膜結(jié)構(gòu)的對象是室內(nèi)體育館，在中國還剛開始。在華北的秦皇島體育館是第一個采用雙層膜的工程，其平面呈橢圓形，長短軸各為112m與98m。最近的一個實(shí)例是成都的水上樂園。這個有20000m2的大型建筑用來作為死海漂浮運(yùn)動。一系列拱形鋼桁架跨越115m，上覆以PVC聚酯織物。
膜結(jié)構(gòu)曾被用于覆蓋一些室內(nèi)或室外的演出設(shè)施。大部分是由鋼框架支承的張拉膜結(jié)構(gòu)。建成的實(shí)例有：長沙世界之窗劇場(3500m2)、深圳歡樂谷中心表演場(5800m2)、廣州海洋世界海豚館（2840m2）和天津泰豐風(fēng)雨劇場(1000m2)等。世界之窗劇場建成于1998年，是早期采用PVC覆面膜材的工程之一。
由于圖內(nèi)和國際上交流的擴(kuò)展，需要許多新型的會議與展覽建筑。1999年在深圳召開了中國高新技術(shù)成果交易會，有兩個面積為2400m2的館采用了膜屋蓋，顯示了其輕質(zhì)與透光的突出優(yōu)點(diǎn)。在海南省的小鎮(zhèn)博鰲，由于有全世界重要人物參加的一系列高層會議在此舉行而聞名。主會場即采用了膜結(jié)構(gòu)，施工工期十分緊迫，4000m2的膜屋蓋在40天內(nèi)完工。在廣西壯族自治區(qū)首府南寧建造了國際會議展覽中心。一個以膜材覆蓋的鋼穹頂位于多功能大廳上空成為整個建筑物的焦點(diǎn)。鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)外兩邊采用雙層的PTFE玻璃纖維織物覆蓋。
膜結(jié)構(gòu)還可用來覆蓋各種不同的小型建筑，如加油站、收費(fèi)站、服務(wù)中心、大門入口以及遮陽設(shè)施等。雖然每個工程的面積只有幾百平方米，但工程的數(shù)量很多，把全國的工程加起來，膜的數(shù)量就很可觀了。
中國膜材十年仍未突破
膜結(jié)構(gòu)只有在材料問題得到解決之后才得以大量推廣應(yīng)用，因此關(guān)鍵問題是要提供滿足功能要求、耐久性好與經(jīng)濟(jì)的膜材。用于膜結(jié)構(gòu)有二種主要建筑織物，即涂敷聚四氟乙烯（PTFE）的玻璃纖維織物和涂敷聚乙烯（PVC）的聚酯織物。PTFE玻璃纖維織物具有強(qiáng)度高、半透明、耐火不燃以及自潔性好等優(yōu)點(diǎn)。雖然材料的保證年限是25年，但按照實(shí)際使用的經(jīng)驗(yàn)，其期望的使用壽命將會更長。玻璃纖維膜材的唯一缺點(diǎn)是價(jià)格較貴。PVC聚酯織物與玻璃纖維織物相比，其強(qiáng)度等性能稍差，使用年限也較短，但價(jià)格卻很便宜，大約在1/5左右。加了改進(jìn)其性能可在涂層外再加一層面層，聚偏氟乙烯（PVF）或聚偏二氟乙烯（PVDF）。這種面層能保護(hù)織物抵抗紫外線的侵蝕，并改進(jìn)其自潔性。
目前國內(nèi)有好多廠家都能生產(chǎn)有PVC涂層聚酯織物，但其性能尚未能完全達(dá)到建筑織物的要求，作為建筑用的永久性材料尚需進(jìn)一步提高。據(jù)悉最近有些公司正在試制有PVDF面層的聚酯織物和PTFE玻璃纖維織物，外觀與性能都大有改進(jìn)。
膜結(jié)構(gòu)公司大量涌現(xiàn)
當(dāng)前中國已出現(xiàn)了專門從事于膜結(jié)構(gòu)制作與安裝的企業(yè),主要的有北京紐曼帝萊蒙膜建筑技術(shù)有限公司、北京市光翌空間膜技術(shù)工程有限公司等,它們都具有設(shè)計(jì)與生產(chǎn)的能力并已經(jīng)在國內(nèi)建造了一些PVC涂層織物的膜結(jié)構(gòu)工程。最近的實(shí)例有青島頤中體育場和鄭州航海體育場的看臺挑篷，面積都有上萬平方米。此外,北京金騰盛膜結(jié)構(gòu)技術(shù)公司、天津市康達(dá)膜材建筑工程有限公司、上海漢杰依膜結(jié)構(gòu)技術(shù)公司、深圳欣望角空間膜技術(shù)開發(fā)公司也正在積極開展膜結(jié)構(gòu)業(yè)務(wù)。過去一年中，引人注目的是在膜結(jié)構(gòu)制造業(yè)中涌現(xiàn)了不少大大小小的廠家，估計(jì)至少有五十家，大部分位于中國的沿海城市。
值得注意的是,國外的膜材和膜結(jié)構(gòu)制造商也紛紛在中國設(shè)立辦事處、代理商甚至合資企業(yè)。在膜材方面有法國的法拉利(Ferrari)、德國的米樂(Mehler)、比利時(shí)的希運(yùn)(Sioen)、韓國的秀博(SuperTex)、日本的Chemfab (Saint Gobain代理)、德國的杜肯(Duraskin)以及日本的中興(Chukoh)等。在膜結(jié)構(gòu)方面有美國的鵬騰(Birdair)公司、德國的濟(jì)豐(C+M)膜結(jié)構(gòu)公司、歐洲的Skyspan公司等。日本的太陽工業(yè)(Taiyo Kogyo)公司已在北京設(shè)立了辦事處，并在上海設(shè)立了制造工廠。這充分說明中國這個廣闊的潛在市場也吸引了國外企業(yè)的興趣。
缺乏標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范
要在中國進(jìn)一步推廣膜結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，最主要的措施之一就是要制定標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。由于大多數(shù)建筑師和工程師對這種新結(jié)構(gòu)還不熟悉，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范可以作為設(shè)計(jì)與施工的指南。另外，這些技術(shù)文件將對制作與安裝提出要求，并對允許誤差作出規(guī)定。這將有助于保證膜結(jié)構(gòu)的工程質(zhì)量。這在中國有許多新的制造廠家進(jìn)入這個行業(yè)之際顯得尤其重要。
幾年前，一些研究機(jī)構(gòu)和高等學(xué)校已從事膜結(jié)構(gòu)的研究與開發(fā)，并建立了技術(shù)儲備。大規(guī)模的膜結(jié)構(gòu)建設(shè)也為制作與安裝提供了有益的經(jīng)驗(yàn)。此外，美國、日本、法國等先進(jìn)國家所制定的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)也是可貴的參考。所有這些有利條件為在中國編制一本技術(shù)規(guī)程做好了準(zhǔn)備。在空間結(jié)構(gòu)協(xié)會主持下，"膜結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程"編制組于2001年9月成立，編制組成員包括了研究院、設(shè)計(jì)院、大學(xué)和制造廠的代表。此后，編制組進(jìn)行了大量的編寫工作。規(guī)程的草案在全國范圍內(nèi)征求意見并通過了專家組的審查。規(guī)程的主要內(nèi)容包括：總則與基本規(guī)定、材料、結(jié)構(gòu)分析、構(gòu)造、制作、安裝、工程驗(yàn)收以及維護(hù)和保養(yǎng)。這個規(guī)程將報(bào)送中國工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會批準(zhǔn)，可用于所有膜結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與施工。
發(fā)展過程艱難但前景樂觀
從多年來國內(nèi)外的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)來看，膜結(jié)構(gòu)具有強(qiáng)大的生命力，必將是21世紀(jì)建筑結(jié)構(gòu)發(fā)展的主流。預(yù)計(jì)最能發(fā)揮膜結(jié)構(gòu)優(yōu)勢的應(yīng)用領(lǐng)域有：
需要自然采光的公共建筑,如體育館、訓(xùn)練房、游泳館、展覽廳等,膜材的透光性能很好地解決采光問題,又可節(jié)約能源,并給人以一種處于大自然環(huán)境中的感覺。
▲輕巧而美觀的膜結(jié)構(gòu)用于敞開或半敞開建筑物的遮蔽屋蓋尤為適宜。近年來在足球、田徑等比賽的體育場中,越來越多的看臺挑篷都采用膜結(jié)構(gòu)。國外很多露天劇院的舞臺、博覽會的展覽館也都以膜材作為頂蓋。在我國廣大地區(qū)的農(nóng)貿(mào)市場也可大力推廣膜結(jié)構(gòu)。
▲各種類型的生產(chǎn)廠房與倉庫,其尺寸都比較規(guī)則,因而可采用膜結(jié)構(gòu)并加以定型化、商品化。這種建筑有運(yùn)輸、拆裝方便的優(yōu)點(diǎn),對于緊急救災(zāi)或?yàn)?zāi)后重建也十分有用。
▲在改造原有建筑物時(shí),膜結(jié)構(gòu)的自重輕是很大的優(yōu)點(diǎn),可以用來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的屋蓋。它也可用來連接毗鄰的房屋,例如在商場、廣場、校園中,這將有效地?cái)U(kuò)大其建筑空間。
中國膜結(jié)構(gòu)的發(fā)展規(guī)模是十分鼓舞人心的，從1995年開始，當(dāng)年只造了一個面積為3300m2的膜結(jié)構(gòu)。從1996至2001年，六年內(nèi)建造的膜結(jié)構(gòu)估計(jì)達(dá)370,000m2。由于一些大型體育場的建成，膜結(jié)構(gòu)的建設(shè)以平均每年20%的速度增長。2003年建造的膜結(jié)構(gòu)約為180,000m2。當(dāng)膜結(jié)構(gòu)第一次用于上海體育場時(shí)，恐怕有很少人會看到這在推動膜結(jié)構(gòu)發(fā)展的潛力。此后，膜材被用在大小不等的體育場篷蓋上，并占據(jù)了膜結(jié)構(gòu)相當(dāng)大的份額。最近廣州新白云機(jī)場候機(jī)樓采用了膜材作為屋蓋的一部分，就有巨大的58,000m2面積。候機(jī)大樓很可能成為膜結(jié)構(gòu)的另一個潛在應(yīng)用對象，因此有理由預(yù)測中國的膜結(jié)構(gòu)將繼續(xù)以每年15-20%速度增長。
展望將來，隨著中國經(jīng)濟(jì)的增長和文化生活的不斷豐富，將建造更多的具有新穎功能、形式多樣的建筑。大部分工程項(xiàng)目將實(shí)行國際招標(biāo)，這必將吸引不少國外的設(shè)計(jì)、咨詢與施工單位來參與，無疑這會給中國帶來新的概念和先進(jìn)的技術(shù)。同時(shí)還可以進(jìn)一步帶動國產(chǎn)膜材的技術(shù)提升，也將為國內(nèi)外膜材企業(yè)的交流與合作提供機(jī)會。
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