膜結(jié)構(gòu)建筑設(shè)計(jì)淺談

馮 霖

(四川省明杰設(shè)計(jì)顧問(wèn)有限公司，四川成都 610023)

眾所周知，膜材的實(shí)質(zhì)是一種輕型的表面材料，這種輕型表面材料的使用已經(jīng)有數(shù)千年歷史。從最原始建筑模型之一的帳篷，發(fā)展到現(xiàn)在已成為建筑領(lǐng)域不可或缺的一種建造形式。1937年Le Corbusier設(shè)計(jì)的巴黎世博會(huì)展覽中心，將過(guò)往歷史中建造帳篷所利用的手工技巧與現(xiàn)代建筑元素，比如鋼材和輕型結(jié)構(gòu)的理念，大膽地結(jié)合起來(lái)，從而開創(chuàng)了一種新的現(xiàn)代建筑形式。

1 膜結(jié)構(gòu)建筑的應(yīng)用

1967年蒙特利爾世博會(huì)上的德國(guó)館(圖1)讓更多的人開始注意膜結(jié)構(gòu)建筑。整個(gè)20世紀(jì)60年代以及70年代早期，幾乎在世界各地都建造了一定數(shù)量的膜結(jié)構(gòu)建筑，它們分別承載了多種不同功能，其形式本身和功能皆歷經(jīng)了多次檢測(cè)及考驗(yàn)，證明了膜結(jié)構(gòu)建筑對(duì)城市建設(shè)所具有的重要意義。

隨著1972年慕尼黑奧運(yùn)會(huì)場(chǎng)的成功，膜結(jié)構(gòu)成為了體育場(chǎng)館建造的重要設(shè)計(jì)手段，2000年迪拜伯茨酒店(圖2)，著名的帆船外形使之成為膜結(jié)構(gòu)在建筑立面應(yīng)用上的典范，而近年來(lái)充氣膜結(jié)構(gòu)和大型氣候殼的發(fā)展，也引領(lǐng)了對(duì)建筑物氣候調(diào)節(jié)、重物負(fù)荷、防火節(jié)能等領(lǐng)域的研究應(yīng)用。

圖1 1967年蒙特利爾世博會(huì)—德國(guó)館

圖2 2000年迪拜伯茨酒店

2 膜材的分類

一棟膜結(jié)構(gòu)建筑的完成有賴于多種因素共同發(fā)揮作用，其中最形象最直觀的就是大面積的建筑膜材本身。正是膜材本身的質(zhì)量以及特點(diǎn)決定了建筑物此后相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)的外觀、功能以及客戶的滿意程度。因?yàn)榻ㄖげ氖且环N靈活性非常強(qiáng)的建筑元素，只能在施加張拉力的情況下才能得到固定，所以膜材本身的張拉力和彈性都是重要的選擇標(biāo)準(zhǔn)。至今為止，世界上大約90 %的膜結(jié)構(gòu)建筑采用了以下三種材料：

(1)PTFE(聚四氟乙烯)涂層玻璃纖維，例如倫敦千年穹頂(圖3)。

圖3 倫敦千年穹頂

(2)PVC(聚氟乙烯)涂層聚酯纖維，例如斯圖加特Gottlieb Daimler體育場(chǎng)(圖4)。

圖4 斯圖加特Gottlieb Daimler體育場(chǎng)

(3)ETFE(四氟乙烯聚合物)膜材，例如康沃爾郡伊甸園(圖5)。

圖5 康沃爾郡伊甸園

從20世紀(jì)中期開始這三種材料就已漸次運(yùn)用于建筑領(lǐng)域，使用這些膜材的相關(guān)技術(shù)都已經(jīng)達(dá)到了相當(dāng)成熟的水平，且都有潛力在原有性能基礎(chǔ)上派生出各種新的材料以滿足不同建筑結(jié)構(gòu)的需要，在經(jīng)濟(jì)和技術(shù)層面上為設(shè)計(jì)師和客戶提供更優(yōu)選擇。

對(duì)膜結(jié)構(gòu)建筑或需要使用膜材的其他建筑設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，在早期就應(yīng)該認(rèn)真考慮諸如膜材選擇等的重要問(wèn)題。在建筑設(shè)計(jì)的概念階段要決定選用何種建筑材料，不僅要考慮建筑技術(shù)和造型方面的元素，而且要將整個(gè)工程的總體投資考慮在內(nèi)。至于是否采用膜結(jié)構(gòu)建筑方案，或者是否使用某種膜材，則應(yīng)由項(xiàng)目所涉及的各專業(yè)設(shè)計(jì)人員和客戶甚至施工單位共同討論決定?？梢哉f(shuō)所有項(xiàng)目，對(duì)建筑使用功能和細(xì)節(jié)要求的考察和評(píng)估都對(duì)材料選擇有很大的影響。例如，按照建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范，某個(gè)項(xiàng)目需要絕對(duì)防火，那么建筑材料的“不燃性”就是最基本的要求，達(dá)不到要求的材料就要排除。同樣，不同膜材具備不同的特性，需要對(duì)膜材的分類和特性有所了解。

膜的材料分為織物膜材和箔兩類，織物膜材又分為涂層和未涂層膜材。未涂層膜材通常用于室內(nèi)、外懸掛式織物頂棚，也可作為空間隔斷、遮光幕、隔熱和吸聲材料等，由生纖維織物平織或曲織而成。而生產(chǎn)涂層膜材，則需要對(duì)生纖維進(jìn)行一系列的預(yù)處理，比如在其兩面分別涂上PVC材料或硅樹脂(生產(chǎn)聚酯纖維時(shí))，或者分別涂上PTFE材料或硅樹脂(生產(chǎn)玻璃纖維時(shí))。涂層與纖維間存在的強(qiáng)大膠著力使得以搭接縫方式聯(lián)合起來(lái)的各涂層織物表面能夠產(chǎn)生大或等于材料本身的力量。在膜材的生產(chǎn)過(guò)程中，涂層在膜材生產(chǎn)中有著重要的角色，它一方面可以保護(hù)織物免受諸如潮濕或紫外線等的損害，另一方面也可以增強(qiáng)強(qiáng)度和抗污力延長(zhǎng)織物的使用壽命。

在所有涂層或?qū)訅?、封閉式或?qū)捑W(wǎng)格纖維中，PTFE涂層玻璃纖維以及PVC涂層聚酯纖維達(dá)到了作為外部建材以及大型建筑及組合單元自然天氣遮蔽物使用所需的所有重要技術(shù)性要求。

PTFE涂層玻璃纖維有賴于其較長(zhǎng)的使用壽命、不燃性以及有助于表面自潔的低黏著系數(shù)，贏得了廣大使用者的信任。低可燃性PVC涂層聚酯纖維表面涂有各種功能加強(qiáng)性材料(比如涂有含氟聚合物最外涂層)，既經(jīng)濟(jì)又具備極佳的機(jī)械屬性。并且因?yàn)樗谡郫B時(shí)具有很好的抗裂性，所以多年以來(lái)一直成功用于折疊式膜材建筑，以及臨時(shí)性、可再利用膜結(jié)構(gòu)建筑。除含氟聚合物最外涂層以外， PVC涂層聚酯纖維還可使用其他功能性外部涂層材料，比如杜邦薄膜尤其適用于接觸強(qiáng)烈紫外線面積較大的建筑，因?yàn)檫@種材料具有保護(hù)內(nèi)部涂層材料免受紫外線損害的功能。

很多建筑工程中PTFE涂層玻璃纖維與PVC涂層聚酯纖維可以替換使用。已裝配好的PTFE玻璃膜材因?yàn)槠渥陨淼囊恍┘夹g(shù)優(yōu)點(diǎn)通常貴于PVC聚酯纖維，不過(guò)從張拉力角度來(lái)看，二者并無(wú)差別。與PVC聚酯纖維相比，PTFE玻璃纖維的一些特點(diǎn)，如低彈力、低屈撓性(容易導(dǎo)致破裂或涂層自我侵蝕)等，對(duì)連接、建造、安裝甚至一定程度上對(duì)結(jié)構(gòu)框架設(shè)計(jì)上的細(xì)節(jié)提出了更高的要求。

其他一些新型膜材還包括：PTFE層壓玻璃纖維，表面不加涂層而是增加了透明含氟聚合物膜，這樣膜材的透明度大大提高(高達(dá)50 %)，但材料仍擁有較大的力量，完全能夠用于中小跨度的建筑物；涂層PTFE纖維，這種膜材純粹以PTFE材料為基礎(chǔ)制作，擁有高透明度和防水性能，而且一旦在其外部涂加一層特殊涂層便可焊接，使得在世界各種氣候區(qū)建造高性能的可折疊式膜結(jié)構(gòu)建筑成為可能；硅樹脂涂層玻璃纖維和PTFE涂層玻璃纖維有同樣的防火系數(shù)，但價(jià)格更便宜，在提高了抗污性后，有望成為PTFE涂層玻璃纖維的替代品。

相比于其他建材，一般的織物膜材使用壽命不算長(zhǎng)，一般在15～25年之間。能夠作為建筑物外部建材長(zhǎng)期成功使用的膜材只有以含氟聚合物為基礎(chǔ)制成的箔。此類高性能箔(比如從ETFE材料制成的箔)通常經(jīng)模壓工序成形以獲得高質(zhì)量以及持久的材料厚度，另外模壓工序也能保證材料的最大透明度。

常用箔包括ETFE箔、THV箔以及PVC箔。ETFE箔主要是以雙層或者多層形式用于充氣式結(jié)構(gòu)建筑，與其他透明塑料或者玻璃相比，它具有明顯的優(yōu)勢(shì)：它的重量極小，每平方米不足一千克，所以與玻璃相比，它更容易建成大跨度表面，而且結(jié)構(gòu)更輕巧。同時(shí)它允許不規(guī)則彎曲表面的形成，所以為建筑設(shè)計(jì)多樣化提供了更大的空間。除此之外，這種膜材擁有完全可再利用性以及高度紫外線透明度，而且擁有表面自潔功能，因此允許各種形式的粉刷或油漆。但由于這一膜材對(duì)細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)、建造以及安裝等方面的技術(shù)要求很高，所以一般只有擁有豐富使用經(jīng)驗(yàn)而且熟悉其使用技巧的建筑師才能成功使用，在我國(guó)比較成功的是水立方(圖6)這個(gè)案例。

圖6 水立方局部外立面

THV箔在化學(xué)屬性上與ETFE箔有一定聯(lián)系，它適用于錨固的拉索網(wǎng)設(shè)計(jì)以及遮棚建造。THV膜材具有透明、有彈性、易施工等優(yōu)點(diǎn)，但與ETFE膜材相比更易破裂，所以只能用于跨幅較小的建筑設(shè)計(jì)。PVC箔則適用于中小跨幅臨時(shí)性建筑的內(nèi)部裝潢和照明頂棚。PVC膜材的伸展性能受溫度影響較大，而且此膜材力量較小，一般不用于外部長(zhǎng)期固定建筑的建造。

3 膜材在建筑設(shè)計(jì)中的選擇

根據(jù)以上分類，可以大致了解各種膜材的特性，做出膜材種類的初步選擇。而在膜結(jié)構(gòu)建筑設(shè)計(jì)中，要最終確定合適的膜材，還需要對(duì)產(chǎn)品的一系列屬性做判斷，進(jìn)一步選擇出符合項(xiàng)目條件和使用要求的膜材。

首先是跨度，一方面，結(jié)構(gòu)計(jì)算前會(huì)根據(jù)膜材的曲率半徑，按規(guī)范對(duì)風(fēng)和雪荷載取值后，估算出模塊的最大跨度。而另一方面，一種膜材的最大跨度也受其自身機(jī)械屬性的限制。因此，設(shè)計(jì)中每個(gè)模塊的可能長(zhǎng)度及其總面積不僅取決于結(jié)構(gòu)計(jì)算，還取決于生產(chǎn)和裝配階段時(shí)采取的措施。

其次是張拉力和抗撕裂能力，結(jié)構(gòu)計(jì)算會(huì)對(duì)膜材的強(qiáng)度有所要求，如果設(shè)計(jì)需要使用某種膜材，就一定要將這種具體材料的強(qiáng)度考慮在內(nèi)，包括膜材縫合處的強(qiáng)度。雖然廠家會(huì)提供一系列強(qiáng)度數(shù)據(jù)，不過(guò)在具體建筑工程或者具體膜材的應(yīng)用時(shí)，仍需要進(jìn)行具體檢測(cè)。

此外，膜材的重量、燃燒性能、使用壽命、適用溫度范圍、抗彎折性能、隔音效果、吸聲性能、隔熱性能等屬性，有優(yōu)勢(shì)也有劣勢(shì)，在做膜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)需要充分考慮。隨著社會(huì)的發(fā)展，對(duì)建筑項(xiàng)目的品質(zhì)要求越來(lái)越高，膜材作為一種建筑材料，對(duì)其也有了更高屬性要求。根據(jù)不同的使用方向和項(xiàng)目條件，在技術(shù)研究人員的努力下，膜材的顏色、可涂繪性、防紫外線和抗風(fēng)化性能、自潔功能、抗化學(xué)物質(zhì)侵蝕、光透射系數(shù)、光反射以及光吸收系數(shù)、節(jié)能以及再利用等方面，都有了長(zhǎng)足的發(fā)展，讓我們?cè)谶M(jìn)行膜結(jié)構(gòu)建筑設(shè)計(jì)時(shí)有了更多實(shí)現(xiàn)創(chuàng)意的選擇。

4 膜結(jié)構(gòu)的支承方式

膜結(jié)構(gòu)建筑造型豐富多彩、千變?nèi)f化，除了給人強(qiáng)烈印象的大面積膜材外，膜結(jié)構(gòu)中的支撐體系其實(shí)也起著非常重要的作用。大的膜結(jié)構(gòu)通常表現(xiàn)出基本支撐結(jié)構(gòu)與表皮的理想的共生關(guān)系，承受拉應(yīng)力的膜材面層和承受壓應(yīng)力的支撐體系就像皮膚與骨骼的關(guān)系，具有很強(qiáng)的互補(bǔ)。按照膜結(jié)構(gòu)的支承方式，我們可以將其大致分為骨架支承式膜結(jié)構(gòu)、張拉膜結(jié)構(gòu)和充氣式膜結(jié)構(gòu)。

骨架支承式膜結(jié)構(gòu)是以鋼材或是其他材料構(gòu)成支撐骨架，在其外部固定膜材的構(gòu)造形式。因下部支撐結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性高，建筑造型比較容易把握，受膜材特性限制小，且經(jīng)濟(jì)性好等特點(diǎn)，廣泛適用于任何規(guī)模的建筑空間，但膜材在結(jié)構(gòu)體系中只是起輔助作用，不能完全展示膜結(jié)構(gòu)的魅力。

張拉膜結(jié)構(gòu)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)到穩(wěn)定的構(gòu)造形式，具有豐富的表現(xiàn)力，可以實(shí)現(xiàn)更有創(chuàng)意、獨(dú)具特色的造型，并且也是最能展現(xiàn)膜結(jié)構(gòu)特質(zhì)的構(gòu)造形式。因?yàn)橐浞挚紤]和結(jié)合膜材特性，施工精度要求更高，結(jié)構(gòu)性能要求更強(qiáng)，所以造價(jià)略高于骨架支承式膜結(jié)構(gòu)。

充氣式膜結(jié)構(gòu)是將膜材固定于圍護(hù)結(jié)構(gòu)周邊，通過(guò)送風(fēng)系統(tǒng)讓室內(nèi)氣壓上升到一定壓力，使建筑室內(nèi)外產(chǎn)生壓力差，將空氣作為膜表皮的支撐元件，以抵抗外力的構(gòu)造形式。因利用氣壓來(lái)支撐，鋼索作為輔助材，無(wú)需任何梁、柱支撐，所以施工快捷，可得更大的空間，但容易受大風(fēng)、積水積雪影響產(chǎn)生顯著而頻繁的形變，需保持 24 h送風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，維持整個(gè)內(nèi)部空間的較高壓力，必要時(shí)還要送暖風(fēng)化雪，長(zhǎng)期來(lái)看，在持續(xù)運(yùn)行及機(jī)器維護(hù)費(fèi)用的成本上較高。

雖然說(shuō)是有以上的分類，但也有很多膜結(jié)構(gòu)建筑并不局限于此。膜結(jié)構(gòu)最主要的優(yōu)勢(shì)包括：重量輕、較好的彈性(可以提供很大的膨脹范圍以及吸收一定程度結(jié)構(gòu)變形的能力)以及較大范圍的透光性能，因此為了給膜結(jié)構(gòu)提供更大的幾何范圍，以充分展現(xiàn)其優(yōu)勢(shì)，有很多大型結(jié)構(gòu)都采用了復(fù)合型結(jié)構(gòu)或者優(yōu)化發(fā)展后的進(jìn)化型結(jié)構(gòu)。

比如純索體系與較柔的剛性承載構(gòu)件的組合，可以使這個(gè)結(jié)構(gòu)類型適用的建筑范圍更加廣泛。例如德國(guó)沃爾夫斯堡大眾體育場(chǎng)(圖7)屋頂，就采用了混合體系，通過(guò)在環(huán)索之上延伸懸臂的放射狀桁梁產(chǎn)生了一條與場(chǎng)地平行的屋頂線，既運(yùn)用了張拉膜結(jié)構(gòu)又運(yùn)用了骨架支承式膜結(jié)構(gòu)。

圖7 德國(guó)沃爾夫斯堡大眾體育場(chǎng)

在張拉膜結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，還衍生了一種索支撐網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，就是采用鋼索構(gòu)成鋼索網(wǎng)以支撐上部膜材的索網(wǎng)形式，當(dāng)跨度過(guò)大或表面曲率過(guò)小時(shí)，膜材會(huì)達(dá)到其建筑工程特性的極限，針對(duì)這種情況，膜面的工程特性可以由網(wǎng)狀的拉索結(jié)構(gòu)替代，這樣該建筑結(jié)構(gòu)就變成了索網(wǎng)結(jié)構(gòu)，膜材成為單純的表皮材料。當(dāng)索網(wǎng)被用來(lái)加強(qiáng)膜表皮時(shí)，更大的模塊間距成為可能，這對(duì)充氣膜結(jié)構(gòu)的大型氣承表皮很有意義，法國(guó)尼姆古羅馬圓形競(jìng)技場(chǎng)修繕加頂?shù)墓こ叹筒捎昧顺錃馐侥そY(jié)構(gòu)與索網(wǎng)結(jié)構(gòu)的結(jié)合，并取得了良好效果。

充氣式膜結(jié)構(gòu)也有不少的優(yōu)化發(fā)展，前面說(shuō)過(guò)其最大缺點(diǎn)就是長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)維護(hù)費(fèi)用高，但將其表面設(shè)計(jì)為一種將空氣 密閉在兩層薄膜之間的真正充氣枕形式后，一定的此類費(fèi)用就可以避免。在這種建筑形式下，壓力損失小，并且豎向荷載也不再通過(guò)空氣柱傳到地面，而是通過(guò)處于受壓狀態(tài)的上層預(yù)張拉膜以及下層處于張拉狀態(tài)的膜來(lái)傳遞。這種表面自成支撐體系的充氣式膜結(jié)構(gòu)就是氣承表面結(jié)構(gòu)，瑞士紐卡特爾國(guó)家展覽館就采用了這種形式。與氣承表面的形式相類似，充氣的線性支撐構(gòu)件也能結(jié)合腔體和空氣來(lái)制作。一般而言，它們將成為軸對(duì)稱的承荷構(gòu)件，以充氣拱或充氣梁的形式存在。有了這些多種多樣的氣承結(jié)構(gòu)，充氣式膜結(jié)構(gòu)建筑的設(shè)計(jì)也更靈活多樣。

5 結(jié)論

21世紀(jì)以來(lái)，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，膜結(jié)構(gòu)的使用范圍越來(lái)越廣泛，對(duì)我們建筑設(shè)計(jì)師來(lái)說(shuō)，有一點(diǎn)格外重要，那就是在所有膜結(jié)構(gòu)建筑的設(shè)計(jì)中，應(yīng)該以材料的技術(shù)特性以及創(chuàng)造預(yù)應(yīng)力表皮形狀所遵循的規(guī)律為出發(fā)點(diǎn)。以這種原則為指導(dǎo)，才能不斷創(chuàng)新設(shè)計(jì)出優(yōu)秀的膜結(jié)構(gòu)建筑作品。