以膜结构建筑为例——浅谈轻型结构的亲自然性与类生命性

◆ 轻型建筑与膜结构的发展

轻型建筑结构优化理论的出现最早可追溯至19世纪。物理学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦和结构优化知名专家A·G·米尔最初建立了此学科。后来，弗雷?奥托对轻型建筑的概念进行了系统的研究与阐释，遵循结构按照减少材料用量的原则设计所得到的建筑定义为轻型建筑。

”“轻型”指可承受较大荷载但自身质量却相对较轻的物体，轻型建筑从根本而言即用尽可能少和轻的表皮材料来削减建筑负载。构建形式产生结构，结构又直接自主构形，生成外部表皮形状。这样的建筑建构方法并不陌生，它在古老游牧时代的原始帐篷中就已充分体现，以游牧为生的人类为满足将帐篷进行长距离搬运的需要，已然意识到减轻结构重量的重要性。当人类社会进入定居时代以后，建筑耐久性的需求超越了轻便性需求，砖石与黏土材料建造的永久性建筑取而代之，轻型建筑发展进入停滞状态，直至1937年，第一个里程碑意义上的膜结构建筑——由Le Corbusier设计的巴黎世博会展览中心再现了原始帐篷的影子——这意味着膜结构建筑这一膜材与钢结构共同组合而成的全新结构体系开启了新征程。

膜结构作为建筑结构发展历程中的后起之秀，出生伊始便具有强烈的时代感和代表性。相较于其他的传统建筑结构，它更倾向于被定义为是集建筑学、结构力学、精细化工、材料科学、计算机技术等多学科于一体的集大成的结构。膜结构由高性能、高强度织物（玻璃纤维布等）及加强构件（钢架、钢梁或钢索等）构造而成，通过对结构施加确定的预应力以使柔性构件具有一定刚度从而覆盖大跨度空间。膜结构的一系列优越性，如其材料自洁性，合理的造价，更短的施工周期，以及对于大跨度空间的可实现性和造型的自由性，使其迎来20世纪70年代以来的飞速发展与广泛应用。从体育场、露天剧场、机场大厅及展览中心的屋顶系统等大跨度空间，到交通站台、建筑小品及音乐广场等小跨度空间均有着高度的使用率。在著名的蒙特利尔世博会德国馆（图1）、慕尼黑奥林匹克体育场（图2）中均可窥见其踪影。

图1 蒙特利尔世博会德国馆

图2 慕尼黑奥林匹克体育场

◆ 膜结构材料的特质

在材料使用上，常用的膜材料有PVC、PTFE和ETFE三种。最早投入应用的PVC膜材是在聚酯纤维基材上覆盖PVC涂层从而形成的，其优点在于较强的韧性及变形能力，而较差的抗紫外线能力和自洁性使得PVC的应用范围仅限于临时和半永久性建筑。相较之下，后来出现的PTFE材料以超细玻璃纤维织物上涂覆以聚四氟乙烯树脂制作而成，具有优越的抗腐蚀性、水密性和气密性，这些优点使PTFE应用于永久性建筑成为可能。然而，PTFE的韧性差，运输和施工过程中难度很大，这些问题使其面临造价高的难题。这时，ETFE材料问世了。它综合了前两者材料的优点，ETFE这种高分子复合类膜材的机械强度高，加工性能好，抗冲击性能和耐腐性能也毫不逊色。无基材更使ETFE可达到近乎透明的效果，拥有三者中最好的市场前景和环保性能，成为如今和未来膜材的应用主流。

◆ 轻型建筑理论与自然结构

《轻型建筑与自然设计——弗雷?奥托作品全集》中，曾用五卷内容从“形式、力与质量、荷载与应变”等基本概念上对轻型建筑的建构方法做过系统性的阐释。他的继任者，德国建筑师维尔纳·索贝克后将其轻型建筑理论进一步拓展。

轻型建筑的原则对于自然界以及工程界中的物体演变来说，都是它们所共同遵循的一种基本原则。这样的思路促进了弗雷?奥托对于自主构型过程的深入研究及大名鼎鼎的“找形实验”的达成。找形实验过程是在指定的一组条件下，遵循自然界的主要规律，通过实验的方法，找出结构的形式和构造方法（如图3所示）。在对轻型结构或者节能建筑进行分析的时候，一个关键的步骤是对影响生物体进化的过程进行深入了解，只有完成了这个步骤才能设计出更好的结构。在《自然建筑》一书中，也对自主构形过程做出了阐释。

图3 弗雷?奥托找形实验

弗雷?奥托所设计的建筑从很多方面都非常接近自然特征。“所有的物体都是结构。”他为1972年德国慕尼黑奥运会所设计的场馆就多次被人们拿来与蜘蛛网作比较。弗雷 奥托将自然界中的物体看作一种结构，通过遵循自然界中的客观规律，通过实验方法，以高度简化和抽象的模型为起点找出结构的形式和构造方法，寻求出结构材料在设计空间中的合理分布和最佳传力路径，以实现结构最优化。

◆ 皂模实验与膜结构的优化策略

在自然界的找形过程中，弗雷 奥托成功地探究出了一系列方法并发展构造了许多建筑。这些建筑可以非常清楚地展示出它们的创作过程。由于这个过程是在没有人工干涉的条件下发生的，因此这个过程又被称为是自主构形过程。其中不乏大量成功的膜结构建筑案例。以下主要探讨弗雷 奥托找形实验中皂模实验对相应膜结构建筑的启示。

在以一条闭合空间曲线为边界的所有曲面中一定存在面积最小者，即最小曲面，此时曲面在所有方向的受力是均等的。

皂模实验的根本目的是为了寻找合理最小曲面。在水中均匀混合几滴清洗液或肥皂水，然后将闭合的线圈在肥皂水或清洗液与清水的混合液中浸润片刻并取出，在线圈之间便会形成一层薄膜。相应的，如果将线圈做成空间曲线形状，就会形成空间曲面的薄膜。这样生成的皂膜表面上，任何点所有方向的表面压力都相等，即皂膜中的各点各向预应力都相同且预应力保持常量不变。实验结果通过皂膜测量仪利用平行投影的方法投影到载体上加以测量，后通过数值分析得出最小曲面。最小曲面实验方法为建筑形态生成提供了一种确定帐篷结构的工具。根据研究成果，弗雷?奥托设计了4种具有代表性的帐篷结构：四点支撑帐篷、驼峰帐篷、星状波纹帐篷和拱形支撑帐篷（如图4所示），设计中均采用了独特的边缘构件和支撑形式。弗雷?奥托所设计的慕尼黑奥林匹克体育场就应用了皂泡膜的最小曲面实验结果。

图4弗雷?奥托设计的4种具有代表性的帐篷结构

皂膜实验中形成的另一结构类型为充气结构。实验中形成的皂泡通过一层薄膜将两种具有不同压强的介质分开。薄膜在表面应力的作用下具有各向相等的曲率。内部处于均匀压强下的薄膜呈现为理想球形；而当薄膜与另一个面接触时就会形成球缺；多个薄膜相接触会形成泡沫状结构。如此形成的薄膜在其表面分子力作用下，各点各向表面张力相等，而且与各处所作用的法向外力平衡。

对于泡沫结构的研究的应用不得不提的是水立方对 “威尔-弗兰气泡”的实践（见图5），同样，在皂泡的启发之下，表面张力使液体表面积总是达到最小的规律组成了包含12面体和14面体两种单元的威尔-弗兰气泡结构，这个惊人的发现。因为借鉴了这一模型，大大减少了水立方的整体钢材使用数量，整个建筑主体仅运用了6,700t钢材就建设完成了。

图5 水立方对 “威尔-弗兰气泡”的实践

需要阐明的一点是，轻型建筑自主构型的建构过程并非对自然界进行仿生学角度的模仿、再现。而是在对于不同实际承载结构进行了研究之后，有意识地在自然界中寻找与其类似的结构，进行研究并加以利用和设计。这种生物学逆向法原理的运用是一种主动向自然学习与贴近而非被动接受模仿的过程。当然，自然界与实际的建筑结构之间存在的最大区别，在于自然界中的结构经常处于不同的外部条件中，生命结构经过复杂过程所形成的组合结构体系具有高度的复杂性，给定某一外部条件之后所产生的自然结构体系，是任何建构出的结构所无法比拟的。

◆ 亲生物体验感的建筑

膜结构建筑是轻型建筑中最为典型的建筑类型之一。1964年德国心理学家埃里希·弗洛姆（Erich Fromm）首次提出亲生物性这一概念，即强调人类会被有生命的事物吸引，产生一种不自觉的心理痴迷。就此而言，以柔软、弹性而取得自身刚度的膜结构本身，就使其在建筑外形与结构模式上具备生命感和流动感的特质，有着天生俱来、无与伦比的亲生物性。

◆ 具有生命律动感的建筑

此外，膜结构建筑的类生命性不仅体现在建构过程中，还体现在结构模型与其外形上。膜结构建筑的一大特征就在于其建筑的生命周期通常是短暂的，从建造阶段到建筑运营阶段直至消亡，膜结构建筑的迭代周期体现出一种类似生命体般的短暂性，这种短暂性同时体现出膜结构建筑的可修改性与可变性。在气膜版火眼实验室（图6）中类生命概念被重点提出，设计者用 “摩尔定律”这一概念来诠释建筑，“摩尔定律”本意是指芯片体积越来越小，处理性能反而越来越高，后引申到建筑领域。将来的建筑可能不再是钢筋混凝土建造而成的，而是可移动式的充气膜结构模块化建筑体系。建造的能耗越来越少，蕴含的智慧程度越来越高。建筑体有类似生命体生长的特征。而充气膜打造的火眼实验室正是借鉴双层细胞膜的仿生构造，创新性地使用了充气拱形结构，是“像生命体一样会呼吸”的气膜建筑，是利用“摩尔定律”打造的追求极致的气膜建筑。

图6 气膜版火眼实验室