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何以成就“膜”幻建筑――膜结构采光顶探析

作者：中国建筑金属结构信息网网    
时间：2009-12-23 10:03:32 [收藏]


    　　膜结构建筑的发展依赖于膜材的技术革命和施工技术发展。从历史角度来看，材料技术的革命为建筑带来越来越多的创意，也带来无穷无尽的高要求。从现代主义到后现代主义，再到解构主义建筑理论，甚至所谓混沌理论，无一例外地要求材料创新，而每次材料革命又给建筑学添加更多新的创作语言。

    　　结构膜材的性能

    　　用于膜结构中的高强度柔韧性薄膜称为膜材，结构膜材有织物膜材和箔片膜材两大类。目前，织物涂层膜材是主流材料，它是一种耐用、高强度的涂层织物，由织物和涂层复合而成，具有质地柔韧、厚度小、重量轻、透光性好的特点。对自然光有反射、吸收和投射能力，难燃或阻燃，具有良好的耐久、防火、气密等特性；抗老化性好，具有较好的自洁性能。

    　　膜结构采光顶的优点

    　　膜结构是一种非传统的全新结构形式，膜结构采光顶根据结构形式可分为三类，即骨架式膜结构采光顶、充气式膜结构采光顶和张拉式膜结构采光顶。其实，膜结构的设计也迥异于传统结构，要求建筑师与结构工程师紧密配合、相互协作。一般而言，膜结构屋顶与传统的建筑屋顶相比具有以下优点：

    　　（1）自重轻。膜结构采光顶要比传统玻璃、铝板等建筑采光顶轻一个或几个数量级，单位面积的结构自重也不会随规模、跨度的增加而明显增加。抗震性、耐候性好，使用寿命长。

    　　（2）造型优美，富有时代气息。膜结构的优美造型是力平衡后自然形成的，“找形”是膜结构采光顶建筑艺术美的重要设计内容，是由建筑师和结构工程师共同完成的，打破了传统的“先建筑，后结构”的做法。膜结构采光顶的结构与造型、技术与艺术得到了完美的结合和高度的统一，因此又被称为艺术采光顶或艺术外维护结构。

    　　（3）施工速度快。膜片的裁剪制作、钢索和中国建筑金属结构信息网的制作均在工厂内完成，在施工现场只是钢索、中国建筑金属结构信息网及膜片的连接安装及张拉的过程，故在现场的施工安装比较文明，且安全快捷。

    　　（4）经济效益明显。就目前来看，膜结构采光顶可能第一次投资稍大，但由于此类结构的日常维护费用少。因此，膜结构采光顶的经济优势与规模、跨度和技术难度成正比的，大跨度建筑及高层建筑中其成本只是玻璃的2/3，使用寿命可长达25年。易建、易拆、易更新。

    　　（5）安全可靠。膜材料一般都是阻燃材料，防火性优，自重轻，抗震性能好。膜材是柔性面材，不像玻璃容易破碎，无坠落伤人之忧,膜结构采光顶也不会有整体倒塌之虑。

    　　膜结构采光顶的建筑要求

    　　1． 膜面雨水的排放

    　　膜结构采光顶应有足够的坡度以妥善解决排水和积雪问题，以免引发重大工程事故。通常，膜面的坡度应不低于1:10。多数膜结构采用无组织排水方式，此时应注意雨水对地面和墙面的污染。利用建筑物自身的某些形状特点，可设置有组织排水。

    　　2． 防火与防雷

    　　PTFE膜材是不可燃材料，PVC膜材是阻燃材料。对于永久性建筑，宜优先选用不可燃类膜材。当采用阻燃类膜材时，应根据消防部门的要求采取适当措施。例如，应保证建筑物的顶棚与地板之间的距离在8m以上，并且避免膜材及其连接件与可能存在的火源接触。建于建筑物顶层或空旷地段的膜结构要采取防雷措施。

    　　3． 采光

    　　膜材的采光性较好，在阳光的照射下，由于漫散射的作用，使建筑物内部呈现明亮效果，因而在白天通常不需要照明。这一特点使得膜结构特别适用于体育馆、展览厅和天井等对采光要求较高的建筑物。当采用内部照明时，灯具与膜面应保持适当距离，以防止灯具散发出的热量将膜面烤焦。

    　　4． 声学问题

    　　膜结构的声学问题包括对内部声音的反射和对外部噪声的屏蔽两方面。织物膜材对声波振动具有很强的反射性，这种反射性会使音乐声音变得恶劣，并使人很难听清讲话内容。对于某些具有内凹面的建筑，如充气膜结构或拱支式膜结构，顶棚会使声波反射汇集。另外，声波穿过织物膜材时的衰减也是需要考虑的，通常单层膜的隔声性能仅在10dB左右。一种较为可行的方法是在膜结构顶棚上每隔一段距离悬挂一些标牌，以增加对声波的吸收，并改变顶棚的曲线造型，从而改变反射方向。

    　　5． 隔热、保温与通风

    　　膜结构建筑的保温隔热性能较差，目前广泛采用的膜材还不能较好地隔绝外部温度的影响。单层膜材的保温性能大致相当于夹层玻璃，故仅适用于敞开式建筑或气候较温暖的地区。当对建筑物的保温性能有较高要求时，可采用双层或多层膜构造。一般两层膜之间应有25cm~30cm的空气隔层，还应该注意解决内部结露问题。当用于游泳池、植物园等内部湿度较大的建筑时，湿空气接触膜内表面易产生结露，可采取室内通风、安装冷凝水排出口或安装空气循环系统等措施。
    　　6． 与环境协调

    　　膜结构与周围环境的协调除了要在建设场地、建筑造型、膜材料的选择（如色彩、质地）等方面加以考虑之外，在细部处理上也要考虑与环境结合与协调。
    膜结构采光顶典型工程

    　　1. 德国慕尼黑安联体育场

    　　德国慕尼黑安联体育场的ETFE膜结构幕墙和采光顶（又名“救生圈”），采光顶面积3800m2，幕墙面积2600m2，ETFE膜抗拉强度52MPa。

    　　安联体育场是慕尼黑两支俱乐部足球队的共同主场。为此，菱形纹理的ETFE外表覆膜提供了一种巧妙的设计，膜下的两种气囊在不同球队主场作战时会分别发出红色、蓝色的光芒，非球队赛事时，它是白色的。因此，通过建筑的灯光变幻远远便可知道是谁在主场比赛，甚至可以知道主队进球了。酷爱足球的德国人还提议在主队进球时，外表灯光可以加强一些。

    　　2. 东京穹顶

    　　东京穹顶，绰号“巨蛋”，是日本为了适应不同气候变化而建造的第一个气承式体育馆。穹顶跨度超过200m，包括了1240000m3的室内空间，这个超大空间，全年都开放空调设备，可以容纳50000名垒球球迷或56000名观众观看其他赛事。

    　　穹顶的设计是180m2略显方形的椭圆形，从一边到最大弧度梁的距离为201m。矢跨比为0.124，整个结构采用的是80mm的螺旋索。采光顶的膜材采用了防水性能好、强度大、使用年限长、有特氟隆涂层的玻璃纤维材料，涂层厚度为0.8mm。

    　　3. 威海市体育场

    　　威海市体育场平面尺寸236m×205m，椭圆形，覆盖面积15300m2，膜材为PVDF，用钢量为22kg/ m2，于2001年12月建成。其结构特点是由34个连成一体的、形状渐变的单桅杆伞形膜单元组成。每一单元由单桅杆谷索、脊索、翼索、边索及张力膜组成，膜单元悬挑长度17m~30m。

    　　4. 国家游泳中心――“水立方”

    　　国家游泳中心又被称为“水立方”，位于北京奥林匹克公园内，是2008年北京奥运会的主游泳馆，也是2008年北京奥运会标志性建筑物之一。国家游泳中心规划建设用地62950m2，总建筑面积65000m2~80000m2，其中地下部分的建筑面积不少于15000m2，建筑整体尺寸是 177m × 177m × 30m。“水立方”四周覆盖的轻型聚合体膜实际上是ETFE膜，它不仅具有很好的热学性能和透光性，而且能够积蓄20%的太阳能，并可以用来为水加温，调节室内环境温度，节能效果明显。

    　　总而言之，膜结构采光顶是一种非传统的全新结构形式，其设计与施工方式也迥异于传统结构。膜结构技术在德国、美国、日本等发达国家已经历了三十多年的发展。在我国，这种新结构技术发展势头也较猛，新颖的建筑构思与先进的结构技术还将进一步为人们创造更多优秀建筑。
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