膜结构的应用与膜结构建筑经典案例分析

2017-03-17

    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 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。在过去十年中,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36100m2.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。当时涂PTFE的玻璃纤维膜材和工程安装还借助于国外的力量。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,新的体育中心正在一个接一个的规划, 膜结构成为覆盖主体育场的优选,估计已有十多个体育场采用。在大城市中有上海(虹口区足球场)、武汉、郑州和广州,在中小城市有烟台、威海和芜湖。另一个适宜采用 膜结构的对象是室内体育馆,在中国还刚开始。在华北的秦皇岛体育馆是第一个采用双层膜的工程,其平面呈椭圆形,长短轴各为112m与98m.最近的一个实例是成都的水上乐园。这个有20000m2的大型建筑用来作为死海漂浮运动。一系列拱形钢桁架跨越115m,上覆以PVC聚酯织物。
    膜结构曾被用于覆盖一些室内或室外的演出设施。大部分是由钢框架支承的张拉膜结构。建成的实例有:长沙世界之窗剧场(3500m2)、深圳欢乐谷中心表演场(5800m2)、广州海洋世界海豚馆(2840m2)和天津泰丰风雨剧场(1000m2)等。世界之窗剧场建成于1998年,是早期采用PVC覆面膜材的工程之一。
    由于图内和国际上交流的扩展,需要许多新型的会议与展览建筑。1999年在深圳召开了中国高新技术成果交易会,有两个面积为2400m2的馆采用了膜屋盖,显示了其轻质与透光的突出优点。在海南省的小镇博鳌,由于有全世界重要人物参加的一系列高层会议在此举行而闻名。主会场即采用了膜结构,施工工期十分紧迫,4000m2的膜屋盖在40天内完工。在广西壮族自治区首府南宁建造了国际会议展览中心。一个以膜材覆盖的钢穹顶位于多功能大厅上空成为整个建筑物的焦点。钢结构内外两边采用双层的PTFE玻璃纤维织物覆盖。膜结构还可用来覆盖各种不同的小型建筑,如加油站、收费站、服务中心、大门入口以及遮阳设施等。虽然每个工程的面积只有几百平方米,但工程的数量很多,把全国的工程加起来,膜的数量就很可观了。
    中国膜材十年仍未突破
    膜结构只有在材料问题得到解决之后才得以大量推广应用,因此关键问题是要提供满足功能要求、耐久性好与经济的膜材。用于膜结构有二种主要建筑织物,即涂敷聚四氟乙烯(PTFE)的玻璃纤维织物和涂敷聚乙烯(PVC)的聚酯织物。PTFE玻璃纤维织物具有强度高、半透明、耐火不燃以及自洁性好等优点。虽然材料的保证年限是25年,但按照实际使用的经验,其期望的使用寿命将会更长。玻璃纤维膜材的唯一缺点是价格较贵。PVC聚酯织物与玻璃纤维织物相比,其强度等性能稍差,使用年限也较短,但价格却很便宜,大约在1/5左右。加了改进其性能可在涂层外再加一层面层,聚偏氟乙烯(PVF)或聚偏二氟乙烯(PVDF)。这种面层能保护织物抵抗紫外线的侵蚀,并改进其自洁性。
    目前国内有好多厂家都能生产有PVC涂层聚酯织物,但其性能尚未能完全达到建筑织物的要求,作为建筑用的永久性材料尚需进一步提高。据悉最近有些公司正在试制有PVDF面层的聚酯织物和PTFE玻璃纤维织物,外观与性能都大有改进。
    近一段时间来,国外媒体表现出了对中国建筑设计前所未有的关注。2005年12月23日的美国《商业周刊》评选出了中国十大新建筑奇迹,包括北京奥体主会场、国家游泳中心、北京首都国际机场、上海世界金融中心、国家大剧院、中央电视台、上海崇明东滩生态城、当代MOMA、长城脚下的公社、东海大(上海)。其中地处北京的建筑就有七家之多。"中国正逐步成为当今最具有创意性建筑和工程设计的舞台。"中国建筑事业的发展,正在为今日最顶尖建筑及工艺技术创造一个舞台。报道首先分析了中国新建筑崛起的经济原因和外部环境。文章说,当全球瞩目北京2008年奥运会时,不单是世界上最快以及最具实力的运动员们正在为争取最高荣誉而加紧努力,新一代的创新建筑也正在北京的土地上拔地而起。由于蒸蒸日上的经济的强大支持,世界上最大的航空港、有节能环保的建筑及世界上最高的室外观光台等将很快一一落户中国。文章列举评选结果说,2008年以前完工的国家游泳中心(水立方)、国家体育场(鸟巢)、国家大剧院等中国公众十分熟悉的知名场馆更理所当然地进入了"十大"之列。从对它们的评价与介绍中可以看到评选者对追求环保、自然的推崇。比如被称为"水立方"的国家游泳中心,是节能环保型的建筑。游泳池内的水将由太阳能加热,泳池的双重过滤装置可实现水的再利用,就连多余的雨水也将被收集和储存在地下的水池中。复杂的工程系统和弯曲的钢结构使得外部结构像一个泡沫,这种独特的结构设计使得"水立方"几乎经得起任何地震的袭击。文章介绍"鸟巢"时写道,为让北京奥运会主会场这个有着91000个座位的、可能是至今最大的环保型体育场获得自然通风,建筑师从自然中获得了灵感,独创了一个未完全密封,但同样能为观众和运动员遮风挡雨的外壳。体育场的外观犹如一个由枝条编织而成的鸟巢;而其内部,从休息室到饭店,每一个分开的空间都是一个独立的单元,从而使自然空气的流通成为可能。文章指出,作为全国最具流行色彩的城市,北京吸引了很多知名建筑大师成就事业。入选的北京"长城脚下的公社",是由12名亚洲杰出建筑师设计建造的当代建筑艺术作品。北京"当代MOMA"的设计表明了环保创新技术在住宅中应用和它所代表的建筑发展新趋势,堪称大型可持续发展住宅建筑的典范。它采用世界上最大的地源热泵系统,将用来帮助这个由第20层的咖啡馆、干洗店等系列服务设施连接起来的8幢建筑组成的小区,采用最为节能的方式保持恒湿恒温,这是这座建筑的一大亮点。住宅单元还有一大亮点,就是可再利用废水,将厨房和洗脸盆的废水过滤,卫生间循环利用。
    (一)、不定的形状与形状的确定
    膜结构的突出特点之一就是它形状的多样性,曲面存在着无限的可能性。对于气承式空气膜结构来说,充气之后的曲面主要是圆球面或圆柱面,可能没有太多的选择余地。而对于以索或骨架支承的膜结构,其曲面就可以随着建筑师的想象力而任意变化。
    膜结构形状的千变万化突出地表现在历年各国举行的博览会上。在这些博览会上,大大小小的展览馆,无不以新颖奇特的造型来吸引观众,而膜结构就能用来达到这样的目的。例如1985年在日本茨城县举行的国际科学技术博览会,入口就是以五颜六色的膜材构成的拱形大门。在众多的展览馆中膜结构尤为夺目,象火鸟馆以钢梁与索组成的骨架支承扁平的凹凸屋面。美国馆以高耸的桅杆悬挂银白色的屋面。电力馆以中央塔架悬吊25个尖顶帐篷,夜晚通过灯光的反射宛如燃烧的火焰。其他象在候车亭、电话亭、走廊、厕所上也都出现了用膜材构成形式各异的建筑小品,蔚为大观。
    就形状而言,对建筑师说来是至关重要的。采用一般结构的建筑物,其形状往往是先由建筑师确定。膜结构则不同,首先它的变形比一般结构要大一些,其次它的形状是在施工过程中逐步形成的,有一个形状确定的问题,需要结构工程师的参与。要确定在初始荷载下结构的初始形状,即结构体系在膜自重(有时还有索)与预应力作用下的平衡位置。在初步设计阶段,先按建筑要求设定大致的几何外形,然后对膜面施加预应力使之承受张力,其形状也相应改变,经过不断调整预应力,最后就可得到理想的几何外形和应力分布状态。
    悬索结构中的索网与膜结构一样也有形状确定问题,象1968年蒙特利尔博览会的德国馆和1972年慕尼黑奥运会主体育都有特殊的形状需要确定,当时只有借助于缩尺模型来解决。早期的膜结构也往往采用这个方法,材料从最简单的肥皂膜,一直到织物或钢丝。由于在小比例模型上测量的误差尚不足以保证曲面几何形的正确性,故对足尺的建筑外形只能起参考作用。但这还不失为一种有效的手段,能为设计者提供一个直观的形象。随着计算机技术的不断进步,膜结构的形状就更多地依靠计算机来确定。在膜结构设计理论中还出现了专门的研究课题--找形(formfinding)。为了寻求合理的几何外形,这个过程通过计算机的几次迭代,就可确定膜结构的初始形状。
    膜结构设计打破了传统的先建筑、后结构做法,要求建筑设计与结构设计紧密结合。在设计过程中,建筑师和结构工程师要坐在一起确定建筑物的形状,并进行必要的计算分析。这时,所设计建筑物的平面形状、立面要求、支点设置、材料类型和预应力大小都将成为互相制约的因素,一个完美的设计也就是上述矛盾统一的结果。
    (二)、从帐篷到永久性建筑
    过去人们习惯地把膜结构看作是个帐篷,而帐篷只能算是一个临时性建筑--不够牢固、不能防火、又不能保暖或隔热。如今对采用膜结构的帐篷却要刮目相看了,其中的关键问题就是材料。
    当初大阪博览会上的美国馆,由于是临时性的展览建筑,采用的膜材是涂覆聚氯乙烯(PVC)的玻璃纤维织物,算不上先进,但在强度上也经受了两次速度高达每小时140km以上台风的考验。通过这个工程使设计者认识到,需要一种强度更高、耐久性更好、不燃、透光和能自洁的建筑织物,70年代美国制造商开发的玻璃纤维织物即满足了如上的要求。主要的改进是涂覆的面层采用了聚四氟乙烯(PTFE,商品名Teflon一特氟隆)。这种材料于1973年首次应用于美国加利福尼亚拉维思学院一个学生活动中心的屋顶上。经过20多年的考验,材料还保持着70-80%的强度,仍然透光并且没有褪色,拉维恩学院膜结构的使用经验表明,涂覆PTEE面层的玻璃纤维织物,不但有足够的强度承受张力,在使用功能上也具有很好的耐久性,从乐观的估计来说,这种材料的使用年限将远不止当初所估计的25年。
    与此同时,一种价格比较低、涂覆PVC的聚酯织物在性能上也有很大的改进。制造商在原来的涂层外面再加一面层,比较成熟的有聚氟乙烯(PVF,商品名Tediar)和聚偏氟乙烯(PVDF),这种面层不但能保护织物抵抗紫外线,而且大大地改进了自洁性,这样就把聚酯织物的使用年限提高到15年;得以在永久性建筑中使用。
    1975年在美国密执安州庞提亚克兴建了平面尺寸243.9X183m的银色穹顶,这是第一次将气承式膜结构应用于永久性的大型体育馆。其后在北美地区,类似的膜结构就建了9座,其中象美国的明尼阿波利斯和加拿大的温哥华均位于北方地区。虽然象这样的充气结构也发生过几次不愉快的坍塌事故,但是膜结构终于登堂入室,进入永久性建筑的行列。日本在徘徊了10多年之后,也在1988年修建东京后乐园棒球场时采用了气承式膜结构。
    早期修建的膜结构大多是开敞式或位于气候温和的地区,还没有充份发挥膜材的围护能力,那么在寒冷和多雪地区,将是对膜结构作为永久性建筑的真正考验。1983年在加拿大加尔格里建成的林赛公园体育中心就是一个例证。在这座椭圆形的建筑中,游泳馆和田径馆各占一半,以一根横跨122m的格构式钢拱将两者分开。在钢拱与周边圈梁之间的钢索网支承着折线形的膜材屋面,采用涂覆PTEE的玻璃纤维织物,索网下设有纤维棉的保暖层,屋顶不但能防寒,还能透过4%的光线,这就足以在白天不用人工采光。此外在保暖层下面还有一层很薄的蒸气绝缘层,能起吸音作用。
    位于号称日本雪国的秋田县,最深积雪可达150cm.1990年建造了天空穹顶体育馆,其外形从球体截取,长边为130m、短边为100m.这座体育馆的设计构思来源于当地着名的雪窑洞,但置身其中又有在户外的感觉。屋盖承重是正交的格构式空间拱系,沿长方向采用空腹拱并设有钢索,沿短方向采用钢管拱。长向钢索被用来对膜面施加张力,同时与骨架在屋面形成V形槽沟,以便于雪滑落。紧贴屋面的钢管拱被用作输送暖风的通道,既起到融雪的作用,也解决了膜面的结露问题。膜材为单层玻璃纤维织物,透光率可达10%,在场中仰望屋顶,给人以通透明亮的感觉。在寒冷地区建造大跨度膜结构,秋田天空穹顶是一个成功的范例。
    (三)、膜的交承--空气、索或骨架
    膜材屋面以什么支承,始终是膜结构设计中有待于探索的问题。也许当初是从气球或橡皮艇受到的启发,人们考虑以空气为支承,就是向气密性好的膜材所覆盖的空间注入空气,利用内外空气的压力差使膜材受拉,结构就具有一定的刚度来承重。早在第二次世界大战后期,美国就曾用气承式膜结构建造了一些小直径的雷达罩棚用于军事目的,而大阪博览会的美国馆则是大跨度气承式膜结构的里程碑。在大阪博览会上还出现了一种气胀式膜结构,即将膜材本身做成一个封闭体,注入空气的压力要比气承式大得多。象富士馆就是以轮胎状的半圆形筒体组成50m直径的圆顶,在节日广场大跨度网架上,铺设的屋面板是上下两层,其为聚酯膜材,10.8m见方的充气板。
    气承式膜结构用作大跨度体育馆屋顶,建成之后由于在恶劣天气时维护不当,曾出现过好几次事故,轻者屋面下瘪,重者膜材被撕裂,砸坏了下面的设施。这些事故虽然只造成一些财产的损失,并没有人员伤亡,但在公共建筑中屋面出问题,还是引起了公众的关注,甚至对气承式膜结构是否安全也产生了疑问。
    1986年以后,在美国建造的大型体育馆就没有采用过空气膜结构,对于有些已建成的体育馆,其膜材将达到保证的使用年限,需改建时也不再考虑采用气承式膜结构。不过由于其造价低廉、安装方便,中小跨度的健身房、网球馆、仓库等,气承式膜结构还是受到欢迎。
    对膜结构能否用在永久性建筑上一向比较慎重的日本,却在东京后乐园采用了气承式膜结构。它在构造上与以前在美国建造的空气膜结构没有什么差别,其主要特点是在屋顶上采用了先进的自动控制系统,同时屋面膜材为双层,其间有循环的热空气,以融化雪。这个号称为机械、电子与土建相结合的智能建筑,确保了膜结构的安全与体育馆的正常运行。然而,曾几何时,昂贵的运转与维持费用又使后乐园背上了沉重的经济包袱。近年来日本大量建造穹顶,而没有继续采用气承式膜结构。1997年日本熊本公园体育场主屋盖采用了加劲索的双层气胀式膜结构,使空气再一次作为膜的支承。熊本穹顶融合了车轮型双层圆形悬索和气胀式膜结构的特点,成为一种新型的杂交结构。直径107m的圆形屋顶宛如一朵浮云覆盖着体育馆,双层膜之间的充气量远小于要对整个室内空间充气的气承式膜结构。一旦漏气,屋盖还可由钢索支承,不至于塌落。美国工程师盖格(D.Geiger)是气承式膜结构的先驱者,他设计了大阪博览会的美国馆,其后又将改进的玻璃纤维膜材用于银色穹顶。由于气承式膜结构出现过的多次事故,使他察觉到空气支承的潜在缺陷,转而寻求其他的支承方式。在此之前,美国的发明家和工程师富勒(B.Fuller)提出了张拉整体(Tensegrity)的概念,即以连续的受拉钢索为主,以不连续的压杆为辅,组成一种结构体系,然而他的概念始终没有在工程中实现。盖格创造性地把这个概念运用到以索、膜与压杆组成的索穹顶(cable dome)设计上,荷载从中心受拉环通过一系列辐射状脊索,受拉环索与斜拉索传到周围的受压圈梁上。索穹顶首先用在1986年韩国汉城奥运会的体操馆与击剑馆上,其直径分别为120m与93m.其后又得到了不断的发展,跨度最大的是美国佛罗里达州的太阳海岸穹顶,直径达210m.此外,美国李维(M.levy)也继承了张拉整体的构想,并采用了富勒的三角形网格,设计了双曲抛物面的张拉整体穹顶,其代表作就是1996年在美国亚特兰大举行的奥运会主馆--佐治亚穹顶,这个240mX192m的椭圆形索膜结构成为世界上最大的室内体育馆。主要依靠索来支承膜的索穹顶是膜结构体系的一大进展。膜材也完全可以支承在平面或空间结构上,如拱、网壳等,其材料可选用钢、木或铝合金。象日本秋田天空穹顶采用了钢结构的空间拱系,而位于同一地区的大馆穹顶,178mX157m卵形平面上以双向胶合木拱支承着双层膜面。膜结构还可以采用桅杆作为支承,赋予建筑立面以新的变化,第一个采用涂覆PTFE玻璃纤维织物的拉维思学生活动中心屋顶由4个圆锥形的帐蓬组成,每一个圆锥体有一倾斜15度的桅杆,支承膜材的钢索就由桅杆顶部辐射状地伸向周围的圈梁。英国千年穹顶的12根桅杆穿出了屋面,膜面支承在72根辐射状的钢索上,这些钢索则通过斜拉吊索与系索由桅杆所支撑,吊索与系索对桅杆起稳定作用。在这些建筑中,传统的承重结构与先进的膜面形成了完美的结合。从多年来国内外的实践经验来看,由于新材料、新形式的不断出现,膜结构具有强大的生命力,必将是21世纪建筑结构发展的主流。它的应用范围不仅限于体育或展览建筑,已向房屋建筑的各个方面扩展,因而具有广阔的发展前景。在中国,膜结构的开发与研究还刚刚起步,因此当务之急是学习并引进国外先进技术,开发生产中国自己的膜材,解决设计中存在的问题。膜结构在中国也将会得到越来越多的应用。