膜结构的发展

  索膜结构体系起源于远古时代人类居住的帐篷(支杆、绳索与兽皮构成的建筑物),到 20 世纪 70 年代以后,高强、防水、透光且表面光 洁、易清洗、抗老化的建筑膜材料的出现,加之工程计算科学的飞速发展,索膜建筑结构体系东山再起,现已大量用于滨海旅游、博览会、文艺、体育等大空间的公共建筑上。因为索膜建筑具有易建、易拆、易搬迁、 易更新、充分利用阳光、空气以及与自然环境融合等特长,成为 21世纪 “绿色建筑体系”的宠儿。

纵观索膜结构的发展历史,可分为以下几个阶段:

1.1 膜结构的出现

  膜结构(Membrane)是 20 世纪中期发展起来的一种新型建筑结构形式,是以充气膜结构的形式出现,世界上第一座充气膜结构建成于1946年,设计者为美国的沃尔特·勃德(W.Bird),这是一座直径为 15 的充气穹顶。1967年在德国斯图加特召开的第一届国际充气结构 会议,无疑给充气膜结构的发展注入了兴奋剂。随后各式各样的充气 膜结构建筑出现在 1970 年大阪世界博览会上。

  充气膜结构它是以柔性结构体系来承受风荷载和雪荷载等各种 外荷载的作用,由于膜结构的特点以及膜材的特殊性,充气膜结构的设计分析过程也不同于以往的钢筋混凝土和钢结构。充气膜结构的结构计算包括初始形态分析、受荷分析及模态分析等内容。充气膜结构的结构分析包括3个阶段:忽略其自身微小的自重和自平衡预张力,不承受任何外部荷载的零态;在确定的边界条件及施加预应力的分布和大小后所形成的初始态;在外荷载、自重及考虑材料张力作用的工作态。它们之间的膜面主应力方向、预张力的大小变化、形态变形过程和趋势等是相互联系、相互制约的,必须从全过程、一体化的角度加以考虑。

1.2 迅速发展

  索膜结构作为新的建筑形式自出现,特别是到了20世纪70年代以后,索膜结构的应用得到了迅速发展,在国外已逐渐应用于体育建筑、商场、展览中心、交通服务设施等大跨度建筑中,膜结构的出现为建筑师们提供了超出传统建筑模式以外的新选择。1988 年建成的日本东京室内棒球馆(Tokyo Dome“Big Egg”),是一座有55000个座位的体育馆(室内净面积 46767m2),该设计是建筑行业的一种强有力的蜕变过程,其蛋形屋顶为具有弹性的薄膜,一般会把巨蛋内的气压控制在比巨蛋外高0.3%以维持蛋顶外型。结构从根本上克服传统结构在大跨度(无支撑)建筑上实现时所遇到的困难,创造了巨大的无遮挡的可视空间。其造型自由轻巧、阻燃、制作简易、安装快捷、节能、使用安全等优点。另外值得一提的是,在阳光的照射下,由膜覆盖的建筑物内部充满自然漫射光,无强反差的着光面与阴影的区分,室内的空间视觉环境开阔和谐。夜晚,建筑物内的灯光透过屋盖的膜照亮夜空,建筑物的体型显现出梦幻般的效果。

1.3 膜结构在国内的发展

  在世界建筑业的迅速发展中,中国现代空间结构的发展受到了西方国家先进技术的影响。近几年来,在索膜结构应用上显示了活跃的趋势。虽然一开始工程规模不大,但已逐渐扩展到更大的面积和跨度。所采用的技术与材料在某种程度上还要依靠国外,但预计会有更多的工程依靠自己的力量来完成。在过去10年中,中国的许多城市都在筹划建设新的体育设施。由于其重量很轻的优点,膜结构往往被采用,体育建筑可以说是膜结构在中国应用的突破口。

  1997年之前,只建造了少量的小型与中型的膜结构,同年在上海举行的第七届全国运动会,膜结构被用在主体育场 的看台挑篷,总面积达 36100平米。这是中国第一次将膜材制成的屋顶用在大面积的永久性建筑上,具有深远的影响。上海体育馆鲜明特点是大跨度、大空间,其外形既充分展示了体 育运动的力度和气势,又体现了简洁流畅的整体风格,是建筑技术和建筑艺术完美的结合。观众席上方采用马鞍形大悬挑钢管空间屋盖结构,覆以乳白色半透明膜结构的顶面,面积为 3.6 万平方米,主席台正上方的一根最长单臂悬挑梁长 73.5m,为世界建筑史之最。在上海体育场成功的建成后,虽然它的价格仍高于传统的结构,又出现了一些膜结构屋顶的体育场。颐中体育场坐落在山东省的滨海城市青岛,这是中国第一个靠自己力量设计与施工的大型膜结构体育场,外包尺寸为 266m×180m,可容纳6万观众。悬挑 40m 的屋盖是一个包括膜、索和钢支承结构的典型张拉体系,整个屋盖由70个锥形索膜单元组成,总面积为30000m2。环顾整个中国大地,膜结构成为覆盖主体育场的优选。

深圳市金鑫空间膜结构建筑设计院是国内顶尖的膜结构建筑设计单位,是一家专注于膜结构建筑设计与研究的设计院。业务涉及张拉膜结构、骨架式膜结构、充气膜结构、钢结构;对PVC、PTFE、ETFE膜材有着丰富的设计经验。我们尤其擅长大跨度结构、异性空间结构、索结构、封闭式建筑以及开启结构的设计与研究,涉及的领域有景观膜结构、停车棚膜结构、体育设施膜结构、污水加盖池膜结构等。