概述
膜結(jié)構(gòu)建筑作為新的建筑形式于本世紀(jì)五十年代在國(guó)際上開(kāi)始出現(xiàn)，至今已有五十多年的歷史，特別是到了七十年代以后，膜結(jié)構(gòu)的應(yīng)用得到了迅速發(fā)展。膜結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)為建筑師們提供了超出傳統(tǒng)建筑模式以外的新選擇。
介紹
膜結(jié)構(gòu)建筑(Membrane)是20世紀(jì)中期發(fā)展起來(lái)的一種新型建筑結(jié)構(gòu)形式，是由多種高強(qiáng)薄膜材料(PVC或Teflon)及加強(qiáng)構(gòu)件（鋼架、鋼柱或鋼索）通過(guò)一定方式使其內(nèi)部產(chǎn)生一定的預(yù)張應(yīng)力以形成某種空間形狀，作為覆蓋結(jié)構(gòu)，并能承受一定的外荷載作用的一種空間結(jié)構(gòu)形式。膜結(jié)構(gòu)建筑可分為充氣膜結(jié)構(gòu)和張拉膜結(jié)構(gòu)兩大類(lèi)。充氣膜結(jié)構(gòu)是靠室內(nèi)不斷充氣，使室內(nèi)外產(chǎn)生一定壓力差（一般在10㎜～30㎜水柱之間）,室內(nèi)外的壓力差使屋蓋膜布受到一定的向上的浮力，從而實(shí)現(xiàn)較大的跨度。張拉摸結(jié)構(gòu)則通過(guò)柱及鋼架支承或鋼索張拉成型，其造型非常優(yōu)美靈活。
膜結(jié)構(gòu)建筑作為一種建筑體系所具有的特性主要取決于其獨(dú)特的形態(tài)及膜材本身的性能。恰由于此，用膜結(jié)構(gòu)建筑可以創(chuàng)造出傳統(tǒng)建筑體系無(wú)法實(shí)現(xiàn)的設(shè)計(jì)方案。
膜材的組成
膜結(jié)構(gòu)所用膜材料由基布和涂層兩部分組成.基布主要采用聚酯纖維和玻璃纖維材料；涂層材料主要聚氯乙烯和聚四氟乙烯。常用膜材為聚酯纖維覆聚氯乙烯（PVC）和玻璃纖維覆聚聚四氟乙烯（Teflon）。PVC材料的主要特點(diǎn)是強(qiáng)度低、彈性大、易老化、徐變大、自潔性差，但價(jià)格便宜，容易加工制作，色彩豐富，抗折疊性能好。為改善其性能，可在其表面涂一層聚四氟乙烯涂層，提高其抗老化和自潔能力，其壽命可達(dá)到15年左右。Teflon材料強(qiáng)度高、彈性模量大、自潔、耐久耐火等性能好，但它價(jià)格較貴，不易折疊，對(duì)裁剪制作精度要求較高，壽命一般在30年以上，適用于永久建筑。
膜結(jié)構(gòu)建筑發(fā)展歷程
世界上最早的膜結(jié)構(gòu)建筑出現(xiàn)在1970年大阪世博會(huì)，此后膜結(jié)構(gòu)建筑得到了很大的發(fā)展。
1975年在美國(guó)密執(zhí)安州龐提亞克興建了平面尺寸243.9X183m的銀色穹頂，這是第一次將氣承式膜結(jié)構(gòu)建筑應(yīng)用于永久性的大型體育館。其后在北美地區(qū)，類(lèi)似的膜結(jié)構(gòu)就建了9座，其中象美國(guó)的明尼阿波利斯和加拿大的溫哥華均位于北方地區(qū)。雖然象這樣的充氣結(jié)構(gòu)也發(fā)生過(guò)幾次不愉快的坍塌事故，但是膜結(jié)構(gòu)終于登堂入室，進(jìn)入永久性建筑的行列。日本在徘徊了10多年之后，也在1988年修建東京后樂(lè)園棒球場(chǎng)時(shí)采用了氣承式膜結(jié)構(gòu)建筑。
1986年以后，在美國(guó)建造的大型體育館就沒(méi)有采用過(guò)空氣膜結(jié)構(gòu)建筑，對(duì)于有些已建成的體育館，其膜材將達(dá)到保證的使用年限，需改建時(shí)也不再考慮采用氣承式膜結(jié)構(gòu)。不過(guò)由于其造價(jià)低廉、安裝方便，中小跨度的健身房、網(wǎng)球館、倉(cāng)庫(kù)等，氣承式膜結(jié)構(gòu)還是受到歡迎。
位于號(hào)稱日本雪國(guó)的秋田縣，最深積雪可達(dá)150cm。1990年建造了天空穹頂體育館，其外形從球體截取，長(zhǎng)邊為130m、短邊為100m。這座體育館的設(shè)計(jì)構(gòu)思來(lái)源于當(dāng)?shù)刂难└G洞，但置身其中又有在戶外的感覺(jué)。屋蓋承重是正交的格構(gòu)式空間拱系，沿長(zhǎng)方向采用空腹拱并設(shè)有鋼索，沿短方向采用鋼管拱。長(zhǎng)向鋼索被用來(lái)對(duì)膜面施加張力，同時(shí)與骨架在屋面形成V形槽溝，以便于雪滑落。緊貼屋面的鋼管拱被用作輸送暖風(fēng)的通道，既起到融雪的作用，也解決了膜面的結(jié)露問(wèn)題。膜材為單層玻璃纖維織物，透光率可達(dá)10%，在場(chǎng)中仰望屋頂，給人以通透明亮的感覺(jué)。在寒冷地區(qū)建造大跨度膜結(jié)構(gòu)，秋田天空穹頂是一個(gè)成功的范例。
在全世界眾多的紀(jì)念性建筑中，英國(guó)所建造的千年穹頂（Millennium Dome）尤為突出。當(dāng)2000年子夜的鐘聲敲響時(shí),在倫敦泰晤士河畔五彩繽紛焰火的照耀下，千年穹頂以它銀白色的圓頂迎接新的千禧年。這座直徑 320m、以 12根高山100m的桅桿所支承的圓球形屋頂采用了膜結(jié)構(gòu)建筑。正是這座穹頂集中體現(xiàn)了20世紀(jì)建筑技術(shù)的精華，用它來(lái)迎接新世紀(jì)，的確是再恰當(dāng)不過(guò)了。
水立方”是世界上最大的膜結(jié)構(gòu)工程，建筑外圍采用世界上最先進(jìn)的環(huán)保節(jié)能ETFE(四氟乙烯)膜材料。2008年北京奧運(yùn)會(huì)標(biāo)志性建筑物之一。其與國(guó)家體育場(chǎng)分列于北京城市中軸線北端的兩側(cè)，共同形成相對(duì)完整的北京歷史文化名城形象。
建筑特點(diǎn)
1、 輕質(zhì)：張力結(jié)構(gòu)自重小的原因在于它依靠預(yù)應(yīng)力形態(tài)而非材料來(lái)保持結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。從而使其自重比傳統(tǒng)建筑結(jié)構(gòu)的小得多，但卻具有良好的穩(wěn)定性。建筑師可以利用其輕質(zhì)大跨的特點(diǎn)設(shè)計(jì)和組織結(jié)構(gòu)細(xì)部構(gòu)件，將其輕盈和穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)特性有機(jī)地統(tǒng)一起來(lái)。
2、 透光性：透光性是現(xiàn)代膜結(jié)構(gòu)最被廣泛認(rèn)可的特性之一。膜材的透光性可以為建筑提供所需的照度，這對(duì)于建筑節(jié)能十分重要。對(duì)于一些要求光照多且亮度高的商業(yè)建筑等尤為重要。通過(guò)自然采光與人工采光的綜合利用，膜材透光性可為建筑設(shè)計(jì)提供更大的美學(xué)創(chuàng)作空間。夜晚，透光性將膜結(jié)構(gòu)變成了光的雕塑。
膜材透光性是由它的基層纖維、涂層及其顏色所決定的。標(biāo)準(zhǔn)膜材的光譜透射比在10%~20%之間，有的膜材的光譜透射比可以達(dá)到40%，而有的膜材則是不透光的。膜材的透光性及對(duì)光色的選擇可以通過(guò)涂層的顏色或是面層顏色來(lái)調(diào)節(jié)。
通過(guò)膜材和透光保溫材料的適當(dāng)組合，可以使含保溫層的多層膜具有透光性。即使光譜透射只有幾個(gè)百分點(diǎn)，膜屋面對(duì)于人眼來(lái)說(shuō)依然是發(fā)亮和透光的，具有輕型屋面的觀感。
3、柔性：張拉膜結(jié)構(gòu)不是剛性的，其在風(fēng)荷載或雪荷載的作用下會(huì)產(chǎn)生變形。膜結(jié)構(gòu)通過(guò)變形來(lái)適應(yīng)外荷載，在此過(guò)程中荷載作用方向上的膜面曲率半徑會(huì)減小，直至能更有效抵抗該荷載。
張拉結(jié)構(gòu)的靈活性使其可以產(chǎn)生很大的位移而不發(fā)生永久性變形。膜材的彈性性能和預(yù)應(yīng)力水平?jīng)Q定了膜結(jié)構(gòu)的變形和反應(yīng)。適應(yīng)自然的柔性特點(diǎn)可以激發(fā)人們的建筑設(shè)計(jì)靈感。
不同的膜材的柔性程序也不相同，有的膜材柔韌性極佳，不會(huì)因折疊而產(chǎn)生脆裂或是破損，這樣的材料是有效實(shí)現(xiàn)可移動(dòng)、可展開(kāi)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)和前提。
4、 雕塑感：張拉膜結(jié)構(gòu)的獨(dú)特曲面外形使其具有強(qiáng)烈的雕塑感。膜面通過(guò)張力達(dá)到自平衡。負(fù)高斯膜面高低起伏具有的平衡感使體型較大的結(jié)構(gòu)看上去像擺脫了重力的束縛般輕盈地飄浮于天地之間。無(wú)論室內(nèi)還是室外這種雕塑般的質(zhì)感都令人激動(dòng)。
張拉膜結(jié)構(gòu)可使建筑師設(shè)計(jì)出各種張力自平衡、復(fù)雜且生動(dòng)的空間形式。在一天內(nèi)隨著光線的變化，雕塑般的膜結(jié)構(gòu)通過(guò)光與影而呈現(xiàn)出不同的形態(tài)。日出和日落時(shí)，低入射角度的光線將突現(xiàn)屋頂?shù)那屎透〉裥Ч?，太?yáng)位于遠(yuǎn)地點(diǎn)時(shí)，膜結(jié)構(gòu)的流線型邊界在地面上投入彎彎曲曲的影子。利用膜材的透光性和反射性，經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)的人工燈光也可使膜結(jié)構(gòu)成為光的雕塑。
5、 安全性：按照現(xiàn)有的各國(guó)規(guī)范和指南設(shè)計(jì)的的輕型張拉膜結(jié)構(gòu)具有足夠的安全性。輕型結(jié)構(gòu)在地震等水平荷載作用下能保持很好的穩(wěn)定性。
由于輕型結(jié)構(gòu)自重較輕，即使發(fā)生意外坍塌，其危險(xiǎn)性也較傳統(tǒng)建筑結(jié)構(gòu)小。膜結(jié)構(gòu)發(fā)生撕裂時(shí)，若結(jié)構(gòu)布置能保證桅桿、梁等剛性支承構(gòu)件不發(fā)生坍塌，其危險(xiǎn)性會(huì)更小。
膜結(jié)構(gòu)的柔性使其在任一荷載作用下均以最有利的形態(tài)承載。當(dāng)然，結(jié)構(gòu)的布置和形狀要根據(jù)荷載情況來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)和調(diào)整。設(shè)計(jì)要確何膜面與其輔助結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)工作，以避免力在膜面或輔助結(jié)構(gòu)上集中而達(dá)結(jié)構(gòu)破壞的臨界值。
建筑形式
建筑體系：膜結(jié)構(gòu)體系由膜面、邊索和脊索、谷索、支承結(jié)構(gòu)、錨固系統(tǒng)，以及各部分之間的連接節(jié)點(diǎn)等組成。
支承分類(lèi)：膜結(jié)構(gòu)按支承條件分類(lèi)為：柔性支承結(jié)構(gòu)體系、剛性支承結(jié)構(gòu)體系、混合支承結(jié)構(gòu)體系。
結(jié)構(gòu)分類(lèi)：從結(jié)構(gòu)上分可分為：骨架式膜結(jié)構(gòu)，張拉式膜結(jié)構(gòu)，充氣式膜結(jié)構(gòu)3種形式
1.骨架式膜結(jié)構(gòu)（Frame Supported Structure）
以鋼構(gòu)或是集成材構(gòu)成的屋頂骨架，在其上方張拉膜材的構(gòu)造形式,下部支撐結(jié)構(gòu)安定性高，因屋頂造型比較單純,開(kāi)口部不易受限制，且經(jīng)濟(jì)效益高等特點(diǎn)，廣泛適用于任何大,小規(guī)模的空間。
2.張拉式膜結(jié)構(gòu)（Tension Suspension Structure）
以膜材、鋼索及支柱構(gòu)成，利用鋼索與支柱在膜材中導(dǎo)入張力以達(dá)安 定的形式。除了可實(shí)踐具創(chuàng)意，創(chuàng)新且美觀的造型外,也是最能展現(xiàn)膜結(jié) 構(gòu)精神的構(gòu)造形式. 近年來(lái)，大型跨距空間也多采用以鋼索與壓縮材構(gòu)成鋼索網(wǎng)來(lái)支撐上部膜材的形式。因施工精度要求]高，結(jié)構(gòu)性能強(qiáng)，且具豐 富的表現(xiàn)力，所以造價(jià)略高于骨架式膜結(jié)構(gòu)。
3.充氣式膜結(jié)構(gòu)（Pneumatic Structure）
充氣式膜結(jié)構(gòu)是將膜材固定于屋頂結(jié)構(gòu)周邊，利用送風(fēng)系統(tǒng)讓室內(nèi)氣壓上升到一定壓力后，使屋頂內(nèi)外產(chǎn)生壓力差，以抵抗外力，因利用氣壓來(lái)支 撐，及鋼索作為輔助材,無(wú)需任何梁,柱支撐，可得更大的空間，施工快捷，經(jīng)濟(jì)效益高，但需維持進(jìn)行24小時(shí)送風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，在持續(xù)運(yùn)行及機(jī)器維護(hù)費(fèi)用的成本上較高。
現(xiàn)今，城市中已越來(lái)越多地可以見(jiàn)到膜結(jié)構(gòu)的身影。膜結(jié)構(gòu)已經(jīng)被應(yīng)用到各類(lèi)建筑結(jié)構(gòu)中，在我們的城市中充當(dāng)著不可或缺的角色：
應(yīng)用領(lǐng)域
1.娛樂(lè)空間：近年來(lái)，隨著建筑空間觀念的日益深化以及科學(xué)手段的不斷提高，回歸自然、沐浴自然之溫馨已是現(xiàn)代建筑環(huán)境學(xué)發(fā)展的主流。室內(nèi)外的視線越來(lái)越模糊，出現(xiàn)了許多亦內(nèi)亦外、相互滲透的不定空間，如：天井、四季廳、動(dòng)植物園、體育、文化娛樂(lè)場(chǎng)所等。由于膜材的光透性，白天陽(yáng)光可以透過(guò)膜材形成慢射光，使室內(nèi)達(dá)到和室外幾乎一樣的自然效果，因此膜結(jié)構(gòu)能創(chuàng)造出與自然環(huán)境相媲美的空間形式。
2.標(biāo)志性小品：一個(gè)城市的中心區(qū)反映一個(gè)城市的地理風(fēng)貌和民族風(fēng)情，同時(shí)，也是一個(gè)城市文化發(fā)展程度的標(biāo)志。而景觀設(shè)計(jì)要求其具有廣泛的可讀性、雅俗共賞，既有超凡脫俗的藝術(shù)價(jià)值，又能使大眾喜聞樂(lè)見(jiàn)與大眾息息相通。膜結(jié)構(gòu)以其鮮明的個(gè)性和標(biāo)識(shí)性，應(yīng)用于城市小品設(shè)計(jì)中。
3.綠色漫步道：近年來(lái)，在人口密集的大城市，在居住區(qū)周邊配置綠色空間并有人行步道。居民可以在不受車(chē)輛的影響下，在居住區(qū)附近的街心地帶輕松愉快地散步、休憩，而感到十分愜意。在綠色空間中構(gòu)造一座膜小品，即生動(dòng)的美化了環(huán)境--如同廣闊綠洲中的點(diǎn)點(diǎn)白帆，又有很強(qiáng)的功能性--人們可以在行走之暇小憩一會(huì)兒。
4.商業(yè)街：商業(yè)街在城市中占有相當(dāng)大的比重。商業(yè)街的建筑與環(huán)境是城市文明的窗口，代表著物質(zhì)文明和精神文明的水平，同時(shí)，也是景觀環(huán)境的重要組成部分。膜結(jié)構(gòu)輕巧別致極具現(xiàn)代化風(fēng)格，且易于安裝移動(dòng)，在商業(yè)街設(shè)計(jì)中得以廣泛應(yīng)用。
5.建筑入口：建筑入口使城市公共空間與建筑空間相鄰的界面，成為城市空間的組成部分。它是人們視覺(jué)最先接觸的部分，因此，除了功能以外，還應(yīng)有很強(qiáng)的標(biāo)識(shí)性，并能體現(xiàn)建筑的個(gè)性，是建筑環(huán)境和城市景觀的重要組成部分。由于膜結(jié)構(gòu)獨(dú)特的造型是其他結(jié)構(gòu)類(lèi)型無(wú)法比擬的，故成為近來(lái)建筑入口經(jīng)常采用的形式。
6.步行街：利用膜結(jié)構(gòu)輕巧，別致的造型建造各種半封閉，全封閉的不行空間，使其形成全天候的 建筑空間，提供防風(fēng)雨，防日曬等人工環(huán)境，并有較好的標(biāo)識(shí)招攬效果，因此是步行街改造和新建的絕佳選擇。
7.停車(chē)場(chǎng)：隨著都市現(xiàn)代化步伐的加快,汽車(chē)成為任何一個(gè)都市不可缺少的交通工具。我國(guó)由于汽車(chē)工業(yè)高速發(fā)展，城市的汽車(chē)擁有量成倍上升，但城市建設(shè)規(guī)劃沒(méi)能盡快適應(yīng)這一發(fā)展的要求，常常是車(chē)無(wú)停放之地。所以在建設(shè)群規(guī)劃時(shí)就應(yīng)充分考慮停車(chē)場(chǎng)的問(wèn)題，把停車(chē)場(chǎng)的建設(shè)和規(guī)劃當(dāng)成現(xiàn)代城市建設(shè)規(guī)劃的重要組成部分，變得越來(lái)越重要。同樣，膜結(jié)構(gòu)在停車(chē)場(chǎng)建設(shè)中也擔(dān)當(dāng)重要角色。
生活在現(xiàn)代都市的人們已經(jīng)從過(guò)去以謀生為目的的社會(huì)行為走上了以樂(lè)生為目的的新臺(tái)階，在精神上追求健康向上，愉快和富有人性的文化環(huán)境?，F(xiàn)代建筑環(huán)境是現(xiàn)代城市，現(xiàn)代文化與社會(huì)，現(xiàn)代人的生活和觀念的綜合表象。在展現(xiàn)人的個(gè)性化，自?shī)市院投嘣原h(huán)境空間方面，膜結(jié)構(gòu)以其獨(dú)具魅力的建筑形式，必將會(huì)在環(huán)境建設(shè)中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。
廣西膜結(jié)構(gòu)-海南膜結(jié)構(gòu)-陜西膜結(jié)構(gòu)
