北京治白癜风什么医院好 https://jbk.39.net/yiyuanzaixian/bjzkbdfyy/xtxbdf_zx/fq5zm26/膜结构作为一种空间结构形式
最早可以追溯到远古
人类用木头搭建结构骨架
覆盖上兽皮或草席
用绳子或石块固定在地上
建成简易的房子
△以兽皮建造的帐篷
近代膜结构
受到马戏团大型帐篷的启发
并随着新型膜材料和高强钢索的研发
以自由、轻巧、柔美，充满力量感的造型
在建筑领域的应用越来越广泛
△常见的膜结构形式
此外
因为膜结构建造快、方便安装和拆卸
特别适用于小型、临时的
或使用年限较短的建筑
膜结构建筑打破了以往建筑形态的模式
以其独特新颖、丰富多彩的造型、优美的曲线
成为城市的象征性建筑
给建筑设计师与规划师提供了
更大的想象和创造空间
△现代膜结构创新设计案例△现代膜结构创新设计案例
01.
膜结构的材料特性
建筑中最常用的膜材料
主要有PTFE膜、PVC膜和ETFE膜三种
膜材的选择
往往取决于建筑物的功能
防火要求、设计寿命和投资额
PTFE
▽
在极细的玻璃纤维(3微米)编织成的基材上
涂覆聚四氟乙烯等材料
永久性建筑的首选膜材料，使用寿命在20~30年以上；强度高、耐久性好、自洁性好，且不受紫外光的影响；高透光性，且透过的光线为自然散漫光，不产生阴影和眩光；反射率高，热吸收量少；燃烧性能A级；
▲欣贺设计中心，厦门/MAD
在立体花园的外侧悬挂着半透明的PTFE膜材
在炎热季节起到遮阳和通风作用的同时
也让建筑看起来飘逸，轻盈
好像一层透薄柔软的皮肤覆盖在建筑骨架之上
马岩松解释——我觉得有意思的是
一栋内部具有理性逻辑的结构
看上去却有随风飘动的感觉
▲苏州奥林匹克体育中心，体育场屋顶覆盖PTFE膜，采用单层索网结构，这在中国尚为首创。
PTFE在年左右出现后
从各方面改善了膜材的特性
使得膜结构从帐篷或临时性建筑
发展到永久性建筑
PVC
▽
以尼龙织物为基材
涂覆PVC或其他树脂
早期的膜材，使用年限一般为7到15年；强度及防火性与PTFE相比具有一定差距；自洁性较差，可在PVC涂层上再涂PVDF树脂；另一种涂有Tio2（二氧化钛）的PVC膜，具有极高的自洁性；燃烧等级B1级，不及PTFE膜；
▲“中国种子”—米兰世博会中国企业联合馆，意大利
同济设计集团
建筑表皮材料选择白色PVC膜
并借助钢结构大尺度悬挑
使建筑体量轻灵而飘逸
入口处帘幕掀起
建筑空间内外相生、上下贯通
与外部世博景观相互融合
▲伦敦奥运会篮球馆，可回收PVC膜在后面的结构的作用下形成优美的起伏
ETFE
▽
乙烯-四氟乙烯共聚物薄膜
非织物类
耐久性好，15年以上恶劣气候，力学和光学性能不改变；耐磨、耐高温、耐腐蚀，绝缘性；密度小，抗拉强度高，破断伸长率达%；表面非常光滑，极佳的自洁性能，灰尘、污迹随雨水冲刷而除去；阻燃材料，熔后收缩但无滴落物。
▲TheShed艺术中心，纽约，ETFE覆面和滚轮装置
TheShed的高度为37米
其可移动的外壳由裸露的钢斜架构成
外部包覆以强韧而轻巧的透明ETFE垫层
这种材料拥有与隔热玻璃相同的热力性质
但质量要轻许多
02.
膜结构受力特性
（高效的张拉结构）
膜结构是以高强度的柔性薄膜材料
经张拉或充气形成稳定的曲面
承受外荷载的结构形式
其造型自由、轻巧、柔美，充满力量感
结构形式谱系简图
在上面的结构体系简图中
膜结构属于利用形抗的全轴力张拉结构
其结构效率是非常高的
利用膜材料的高抗拉强度
单独考虑膜材的跨度与其厚度的比值
可以达到1/是最极致的轻型结构
构件尺寸与跨度的比值(估算）
03.
膜结构形式分类
根据膜结构的成形方式和受力特点
一般可以分为
张拉膜、充气膜和骨架膜三种
比较形象的比喻是
张拉膜像帐篷
充气膜像热气球
骨架膜像蒙古包
几种张拉膜和充气膜
张拉膜
利用马鞍面或者其它曲面正反曲率的特点
给膜材施加张力
以提高膜结构的刚度
抵抗外荷载
弗雷·奥托
最早把这一创意应用于建筑
创造出自由多变
轻盈飘逸的建筑造型
▲卡塞尔联邦花园展览音乐厅,
奥托年设计卡塞尔联邦花园展览音乐厅
像是一个四点支撑的帐篷
依靠边索给膜施加预应力
使帐篷的外形呈现两头向上、两头向下的形状(马鞍形)
这个设计宣告了帐篷设计进入了全新的时代
▲科隆园艺展舞场，
不久之后
他设计了科隆园艺展舞场
由6根梭形柱撑吊起张拉膜
再以6根稳定索向下压住膜材以平衡受力
覆盖了直径33米的室外舞场区域
从结构体量和设计方面来说
该结构第一次超出了“帐篷”的意向
▲科隆联邦庭院展览入口拱门,
科隆联邦庭院展览入口拱门
是膜和钢结构拱的组合
拱门跨度34m，跨越整个售票大厅
钢结构拱为膜提供张拉支承条件
膜张紧后又为钢拱提供侧向支撑
钢拱的截面非常小
直径仅为mm、壁厚为14mm
如今，现场所呈现的是当年的复制品
与原作相比其跨度小而受压拱的截面却更大
年
弗雷·奥托成立了“轻型建筑研究所”
被称为“建筑天空的起飞跑道”
他的代表作蒙特利尔博览会西德馆
德国慕尼黑奥运会虽然为索网张拉结构
但几乎完美地呈现了张拉膜的形态
因为索网结构与张拉膜结构具有类似的受力原理
▲慕尼黑奥林匹克体育场
年蒙特利尔世博会的德国馆
8根钢铁的桅杆和5厘米直径钢缆结成的索网
支撑起半透明的白色涤纶帐篷
这一轻型化大跨度的建筑
成为年慕尼黑奥运主场馆的先声
▲蒙特利尔博览会德国馆，
膜材一般不能单点受力
(局部拉应力过大，可能会撕裂)
当“膜”面内仅仅由一根桅杆支撑时
为了将膜材的内力传递到帐篷的高、低点上
通常需设置脊索、谷索、索圈（即“索眼”）来实现
类似于上图蒙特利尔博览会德国馆的作法
▲慕尼黑奥运会主场馆,–
丹佛国际机场航站楼
是为数不多的整体采用膜结构的机场
76米x米的大空间
沿长边方向划分为17个单元
▲丹佛国际机场航站楼：鸟瞰
每个单元由间距45.8米的两根支柱
撑起山峰形的脊索
柱间为起稳定作用的谷索
以脊索和谷索为边界结构
其间的张拉膜材覆盖建筑大空间
▲丹佛国际机场航站楼：室内
年上海世博会主入口的世博轴
也采用了张拉索膜结构
由德国SBA公司和华东建筑设计研究院设计
全长米、宽约米的世博轴
由6个喇叭形的“阳光谷、13根大型桅杆
数十根斜拉索和巨大的膜结构组成
▲上海世博会世博轴，年
骨架膜
骨架膜是以刚性构件作为骨架
以膜材作为覆盖材料
主要由刚性骨架承受外荷载
由于膜材的透光性和张力感
使得骨架膜结构的大空间更加明亮、开放、富有力度感
▲蓬皮杜梅斯艺术中心,
蓬皮杜梅斯艺术中心
由坂茂建筑事务所（ShigeruBanArchitects）设计
以15m跨度为模数
3个纵深长达90m的长方体彼此垂直层叠
木结构屋面表面覆盖PTEE薄膜
呈现出极佳的效果
▲汉诺威世博会日本馆，，坂茂、奥
年，奥托和与坂茂合作了汉诺威世博会日本馆
采用了与曼海姆大厅类似的网壳结构
只是屋面网格的木材换成了纸卷
充气膜
利用气压使膜产生张力
以此来抵抗外力的结构
称为充气膜结构
具体又分为气承式和气胀管式两大类
是现代膜结构摆脱马戏团帐篷形象的一次尝试
简单地理解
气承式是利用膜内外气压差
使膜产生拉力来平衡外荷载
类似于热气球
气承式(热气球)/气胀管式(充气棒)
气胀管式的原理是
利用充气使得管(梁或拱)形成抗弯和轴向刚度
以承担外荷载
类似于常见的充气棒
气胀管式充气膜所需要的气压比气承式的更大
结构效率比气承式低
气承式和气胀管式受力原理简图
充气膜结构建造方便、快速
最初用于军用设施
VottaByrdr从美军雷达穹顶、兵营
和仓库充气膜结构的建造中积累了经验
于年采用充气膜建造了自家的游泳池简易棚
第一次把这种结构形式带入到大众的建筑领域
以年大阪世博会为展示契机
膜结构因建造快速简便
被众多国家场馆所采用
其中最具代表性的美国馆和富士馆都是充气膜
▲大阪世博会上的美国馆,
美国馆的方案是由盖格尔(D.Geiger)提出的
低拱度空气膜结构，属于气承式
在长轴米、短轴83.5米的椭圆形压环内侧
用索张拉膜材(聚氯乙烯喷涂的玻璃纤维布)
美国馆穹顶的垂度非常低(仅1.6m)
垂度低的充气穹顶受到的风荷载分布比较均匀(吸力)
这对保持膜结构形态和承载力的稳定非常有利
▲大阪世博会上的美国馆,
与美国馆不同
富士馆是一种拱形的充气膜
只对拱形管充气
建筑物内部气压与室外气压相同
出入口不需要气门锁，完全自由
同时结合横向索和缆风索
形成整体稳定的结构
充气拱的管状截面直径约4m
膜材为喷涂有弹性橡胶的聚乙烯醇纤维布
充气气压比室外大气压高mm水柱
每个单元有16根拱，拱长均为72m
但每根拱的拱高和拱脚跨度不同
最终呈现出独特的形状
富士馆以前所未有的结构系统和形态
震惊了世界
▲大阪世博会富士馆,
建筑设计：村田丰，结构设计：川口卫
PTFE这种不可燃、高耐久性膜材的出现
为充气膜形式的永久建筑提供了技术上的可行性
20世纪七八十年代
美国和加拿大建造了大量的
盖格尔充气膜(单层低矢高气承式膜结构)的体育馆
然而，由于充气穹顶在风雪影响下
受损甚至倒塌的事故多次发生
且建筑维护费用高(维持气压和修补)
渐渐地充气穹顶被其它形式的穹顶所取代
事故原因包括多种因素
膜材料寿命(通常20-30年左右)
风雪天气的大幅降温使得气压不稳定
低矢高穹顶易积雪
挠度大和积雪进一步增大的恶性循环
除雪困难等
▲HubertH.HumphreyMetrodome，盖格
年因暴雪导致膜材撕裂，内部气压骤降而垮塌
04.
膜结构其它特性
相比与其它结构材料
膜还有一些独特的性质
比如光特性(透光、遮光、泛光)、可折叠、可卷起
利用这些特点
能设计出更加有趣的结构
▲欧洲足球竞标赛赛场，波兰
利用膜的可展特性
实现屋盖中心的开启和封闭
以膜作为张拉材料的张拉整体结构
压杆之间不直接连接
以膜构成的空间有无穷无尽的可能和魅力
综合考虑功能与形态、造型与力
材料、系统、节点、织物裁剪、施工方法等等
膜结构设计也是一种妙趣横生的探索过程
