建筑构造：膜结构与建筑造型

膜结构是以性能优良的柔软织物为膜面材料，由空气压力支承膜面，或用柔性钢索或刚性骨架网索将膜材绷紧形成建筑空间的一种结构。具有现代意义的大跨度膜结构出现于1970年，距今不过50 多年，但目前已广泛应用于国内外的各种大跨度建筑中。

图11-27　悬索结构的建筑造型1

（a）美国华盛顿社勒斯机场候机楼；（b）美国瑞利市牲畜展赛馆

膜结构的优点是重量轻，跨度大，施工方便，透光性和自洁性较好，建筑造型自由丰富等；其缺点是隔声效果较差，耐久性不够好（膜材的使用寿命一般为15～20年），膜面抵抗局部荷载能力较弱等。

膜结构按其支承方式不同通常可以分为张拉式膜结构、骨架支承式膜结构、空气支承式膜结构三类。

1.张拉式膜结构

张拉式膜结构是由膜材、拉索、支柱共同作用构成的。柔软的薄膜自身不能承受荷载，只有将它绷紧后才能受力，所以这种结构只能承受拉力，而且在任何情况下都必须保持受拉状态，否则就会失去稳定性。

张拉式膜结构的主要优点是轻巧柔软、透明度高、采光好、省材料、构造简单、安装快速、便于拆迁、外形千姿百态，缺点是抗风能力差而容易失去稳定，设计时必须合理选择拉索的支点、曲率和预应力值。

图11-28　悬索结构的建筑造型2

（a）北京工人体育馆；（b）美国汉普敦体育馆

这种结构适用于各种建筑平面，主要用于临时性或半永久性建筑，如供短期使用的博览会建筑、体育建筑、文娱演出建筑和进行其他活动的临时性建筑。

（1）张拉式膜结构的设计要点。

①薄膜面料应选择轻质、高强、耐高温和低温、防火性好、具有一定透明度的材料，例如各种合成纤维织物、玻璃纤维织物、金属纤维织物，并在这些织物的表面敷以各种涂层。

②为了提高帐篷薄膜的抗风能力和保持其形状，拉索的布置应使薄膜表面呈方向相反的双曲面，并对拉索施加适当的预应力，以保证在来自任何方向的风力作用下都不会出现松弛现象。

③应布置足够的拉索，使薄膜表面形成连续的曲面而不是多棱曲面，并使表面有足够的坡度，避免积存雨雪。

④尽可能地减少室内的撑杆或支架，以免妨碍内部空间的使用。

（2）张拉式结构的建筑造型。

张拉式膜结构只有在受拉紧绷的状态下才能保持结构的稳定，因此建筑物的形体全部由双曲面构成，形体随撑杆的数目和位置，索网牵引和锚固的方向、部位等因素的变化而变化。其建筑造型灵活自由，完全可以按设计者的意图构图。1967年建造的蒙特利尔博览会德国馆、1972年建造的慕尼黑奥运会体育中心、1985年日本筑波博览会的美国馆和日本电力馆都是著名的张拉式膜结构建筑实例，如图11-29、图11-30所示。张拉的骨架结构方式对其造型起着较大的影响。

图11-29　张拉式膜结构的建筑造型

（a）蒙特利尔博览会德国馆；（b）慕尼黑奥运会体育中心

图11-30　通过拱结构进行张拉的膜结构

2.骨架支承式膜结构

骨架支承式膜结构是指以刚性骨架为承重结构，在骨架上敷设张紧膜材的结构形式。常见的骨架有桁架、拱、网架、网壳等。(www.xing528.com)

在这种结构形式中，膜材仅作为表皮材料使用，起到围护和造型的作用，故而设计、制作都较为简单，造价相对较低，也具有一定的造型效果，如图11-31所示。

但这种结构中膜材自身的结构承载作用不能得到充分发挥，结构的跨度及造型也受到支承骨架的限制。

3.空气支承式膜结构

（1）空气支承式膜结构的概念。

空气支承式膜结构是利用薄膜材料制成气囊，充气后形成建筑空间并承受外力，故又称为充气薄膜结构。它在任何情况下都必须处于受拉状态才能保证结构的稳定，所以它总是以曲线和曲面来构成独特的外形。

空气支承式膜结构兼有承重和围护双重功能，故大大简化了建筑构造。薄膜充气后均匀受拉，能充分发挥材料的力学性能，可节省材料，加上薄膜本身很轻，因而可以覆盖巨大的空间。这种结构的造型美观，且能适用于各种形状的平面。薄膜材料的透明度高，即使跨度很大的建筑不设天窗也能满足采光要求。

由于空气支承式膜结构具有上述优点，一些国家在最近40年已先后建成充气结构的体育馆、展览馆、餐厅、医院等多种类型的建筑，而且特别适合于防震救灾等临时性建筑和永久性建筑。

（2）空气支承式膜结构的形式。

空气支承式膜结构分为气承式和气肋式两种。

①气承式空气支承膜结构。

气承式空气支承膜结构依靠鼓风机不断向气囊内送气，只要略保持正压就可维持其体形。遇大风时，可打开备用鼓风机补送充气量，升高气囊内气压使之与风力平衡。为了维持气压，室内需要保持密闭。

②气肋式空气支承膜结构。

气肋式空气支承膜结构以密闭的充气薄膜做成肋，并达到足够的刚度以便承重，然后在各气肋的外面再敷设薄膜作围护，形成一定的建筑空间。

气肋式空气支承膜结构属于高压充气，气肋的竖直部分受压，而横向部分受弯，故气囊的受力不均匀，不能充分发挥薄膜材料的力学性能，而气承式空气支承膜结构则属于低压充气，薄膜基本上是均匀受力，可充分发挥材料的力学性能，室内也无须保持密闭，故气承式空气支承膜结构应用较广。

除上述两种结构形式以外，还可将充气薄膜结构与网索结合起来运用，这样可增大结构的跨度，提高结构的稳定性和抗风能力。

（3）空气支承式膜结构的建筑造型。

空气支承式膜结构与张拉式膜结构都是在绷紧受拉的状态下才能使结构保持稳定。张拉式膜结构是靠撑杆和网索将薄膜张拉成型，而空气支承式膜结构则是靠压缩空气注入气囊中将薄膜鼓胀成型，其建筑形体主要由向外凸出的双曲面构成，充气薄膜的建筑造型随建筑平面形状和固定薄膜的边缘构件形式等因素变化而变化。

目前，世界各国都在探讨应用空气支承式膜结构，1970年的日本大阪世博会富士馆由16根直径为4m的气囊围合而成，最大跨度为50m，其造型独特，是空气支承式膜结构建筑的代表作之一，如图11-32所示。

图11-31　上海体育场

图11-32　空气支承式膜结构

1988年建成的日本东京圆顶运动场，采用气承式空气支承膜结构。其功能大厅主要用作棒球场，也可进行其他体育比赛和各种演出活动，能容纳观众5万人。充气结构的屋顶为椭圆形，边长180m，对角线为201m×201m，采用双层聚四氟乙烯玻璃纤维布制成，外膜厚度0.8mm，内膜厚度0.35mm。薄膜用28根直径为80mm的钢索双向正交布置，每个方向各14根，间距8.5m。屋顶面积为2.8×104m2，屋顶总重量为1060 kN。室内容积为124万立方米，使用时通过三台送风机向薄膜内充压缩空气，内压维持在4～12kPa，最大送风力达360m3/h，以保证屋顶在任何情况下都使薄膜圆屋顶不变形。薄膜为乳白色，透光性强，白天进行体育比赛时，室内可以不用照明，如图11-33所示。

图11-33　日本东京圆顶运动场

（a）体育场鸟瞰图；（b）底层平面图；（c）剖面图