初步认识膜结构

膜结构作为一种现代化的工程结构，显示了当今建筑技术与科学的发展水平，因其简洁、优美的曲面造型和卓越的光学、力学、保温、耐火、防水、自洁等性能被誉为二十一世纪的建筑。具有巨大的发展潜力，在新的世纪中，膜结构必将在建筑结构中占有重要的地位。
膜结构工程是集建筑学、结构力学、精细化工、材料科学与计算机科学为一体的高科技工程，在发达国家应用已有50年的历史，发展势头强劲。
而在我国，膜结构的理论和实践则是刚刚起步。目前国内已建成的大型膜结构，如上海八万人体育馆屋顶膜结构等，主要由国外公司设计制作，膜材全部选用进口材料。
因此，当务之急是学习并引进国外先进技术，开发生产我国自己的膜材，解决设计中存在的问题。我们相信，膜结构在中国也将会得到越来越多的应用。
1917年有一位名为兰彻斯特的美国人建议利用新发明的电力鼓风机将膜布吹胀，作野战医院。像 许多专利申请案一样，这只是一种构思，而没有真正成为使用的产品。
1946年，有一位名为华特 •贝尔德的人为美国军方做了一个直径 15m圆形充气的雷达罩，可以保护雷达不受气候侵 袭，又可让电波无阻的通过，从而使相隔了19年的专利付诸实用。由此而衍生出了一个新的工业 产业，在1956年以后美国一共建立了约50多家的膜结构公司，制造各种膜产品，用做体育设施、 展览场、设备仓库、轻工业厂房等，不一而足。但多因设计不周全，或制作粗糙，或是业主维护 不当，以致造成许多不幸事件，大多数的工厂亦因之倒闭。
1960年间，德国斯图加特大学的弗赖 •奥托先生（被尊为膜建筑与结构技术先驱），先后于1962和1965年发表了研究膜结构的成果，并同帐篷制造厂商合作，做了一些帐篷式膜结构和钢索结构，其中最受人注目的是1967年在蒙特利尔博览会的西德馆创造性地大规模成功运用了膜建筑，其在欧 洲，尤其是德国，可以说是开了膜结构构商业化的先河。
1968年，美国纽约的建筑师布罗迪和哥 伦比亚的大卫•盖格教授合力争取到了日本大阪世界博览会美国馆的设计权。原先的经费 2500万美元，被一再消减到250万美元，此设计组承受了无比的挑战，在穷则变，变则通的情况下，将基地挖一大坑，将废土堆在四周，筑成围墙，其上浇注一混凝土压力环，将钢索网固定在环上，再将膜布固定在钢索网上，加以充气，就做成了9290m2的展览馆，从而开启了气撑式膜结构的新页。
1968年到1987年之间，有 8座室内运动馆是以此方法设计建造的。在大阪世博会，盖格公司成功地向世人推出气撑式膜结构的新设计技术，而受到建筑工程界一致认可后，又面临所使用的膜材料问题。这种膜材只有7年— 8年的寿命，在太阳紫外线及风、雨的交互作用下，膜布会变得硬脆、破裂，而失去结构性能。只有使用好的膜布材料，才能使这种大跨距的屋顶，成为永久性的建筑。
70年代，在盖格公司领导下，美国制造商改进了涂覆的面层（包括杜邦公司），永久性的PTFE膜正式诞生（PTEF，商品名Teflon)。经过加速气候实验（一个月顶自然环境几个月甚至几年），其物理稳定性确定后，盖格公司又设计各种结构配件及确定设计程序，以建造不同性质的膜结构。
堪萨斯城的建筑师约翰•西弗率先使用此产品，在加州的拉•弗恩建了一座学生活动中心，经过20多年的考验，材料还保持70～80%强度，仍透光。
另外，几平同时即1973年在圣太•克罗拉的加州分校办建了一座气撑游泳馆（活动屋顶）及学生活动中心，从此永久性膜结构便正式在世界风行。
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场都有特殊 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。
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。
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幅射状脊索,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幅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根幅射状的钢索上，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。