漫谈膜结构

一、引言

1967年蒙特利尔的万国博览会德国馆是由德国的Frei Otto教授设计的，在建筑上有广泛的国际影响。膜结构以其轻质、薄而柔软的特性大大不同于当时在建筑中常见的钢结构。由曲面形成的大空间由于膜材的透光性而变得无比明亮，这种空间在建筑中是没有先例的。
现代膜结构最初是在德国发展起来的，其基本特点、力学特性、设计方法和其作为结构体系的潜力也是在德国得到研究的。在此基础上，这些最初被称作“帐篷结构”的东西作为现代建筑的有机组成部分被逐渐认识。设计精良的膜结构在世界各地建造，膜结构经历了一个复兴时期。如今，它们作为独特的有着无限潜力和适应各种功能的结构已被全世界所接受。

二、膜结构的发展

1961年一篇名为《Tent》的文章在AIA杂志的二、四月份刊上发表，Otto教授给所有人揭示了膜结构的重要性。他写道：“房屋不能也不应该是我们必须挤进去才能进入其中的刚体。相反，伴随我们的应该是生动的、变化的环境。”Otto教授还指出，通过对极小化的结构形态的研究，他和他的同事发现，此形态是存在于这个有机世界中的，他正试图赋于膜结构。他接下来写道：“帐篷建筑是古老的，三万年前就有帐篷建筑。除了这古老的习俗外，帐篷建筑是微不足道的。正确的建造帐篷建筑有极大的困难。事实上这是所有建筑施工当中最难的一个领域。”由于Otto教授的讲演和指导，膜结构的知识得以在许多国家快速地散布开来。他和他的小组于1965年出版了《Spannweiten》这本书，他们从建筑的角度研究并发展了现代的膜结构。这本书引起了全世界的关注。在轻型结构所工作的Otto做了许多工作，代表着现代膜结构的起点。他们的技术和思想反映在蒙特利尔67年万国博览会上，这个建筑物对膜结构的世界有着广泛的影响，确实是其发展里程上划时代的一笔。
在大阪举行的日本70年万国博览会开始对膜结构有了需求。许多日本建筑师向用膜这种新材料来创造新空间发起了挑战。大阪博览会也为发掘膜结构的潜力提供了极好的机会。为安全起见，这个结构装备了一个系统以保证屋盖在漏气时不与观众席或场地接触。这个想法成为膜结构设计史上的一个转折点，使充气膜成为可能。
七十年代，Geiger Berger公司发展了充气膜。随之而来的是PTFE涂层的玻璃纤维膜作为新的膜材而发展起来，导致许多巨型膜结构在美国的出现。随着Milligan学院的Steve Lacy战地医院（1974）和Santa Clara大学的Thomas E. Leavey活动中心(1976)的建成，大规模的充气膜开始兴建。在美国还涌现了一批能容纳许多观众的多功能的适应各种天气情况的体育馆。1970年的Silver穹顶——拥有八万个席位的低矢高穹顶在Pontiac城建成。这些大跨度建筑表明膜结构的一个优点，即大空间不再是黑暗而压迫感的，这些穹顶还能经济地跨越大空间。就此而言，大阪博览会美国馆是膜结构发展历史上的里程碑。
八十年代，美国有7个充气膜。但1983 年在Indianapolis建成Hoosier穹顶之后停止了建新的充气穹顶。为克服诸如经常地发生结构事故、持续充气带来的高成本、控制气压的复杂性、空间封闭性等问题，开始了探索新的结构形式。在北美洲，膜结构作为永久性建筑开发了新的功能。比如1980年的佛罗里达大学StephenC.O’Connel中心，1984年的Lindsay公园体育中心，1989年的San Diego解放中心，1990年的公园露天剧场等均是完美外形与创新结构的结合。一系列购物商场也建成了。
八十年代末期，由Buckminster Fuller最初设想的张拉整体穹顶作为能覆盖大空间的新的结构形式而引入。这种索-杆组合结构开始代替早期的充气穹顶。1986年圣奥林匹克国家体育中心的体操馆和击剑馆是由Geiger公司设计的。紧接着是Weidlinger公司设计的1988年的Illinois州立大学Redbird体育场、1989年的Thunder穹顶、1992年的佐治亚穹顶都采用了这种结构体系。美国开拓了自己的道路来覆盖大空间。
八十年代全球有名的建筑师开始在许多欧州国家设计膜结构并改进了设计标准。美国的膜结构容易相似，而欧州的工程更具个人主义。1985年Schlumberger大学研究中心是欧洲第一个拥有膜结构的研究中心，被称作“新鲜的光空间”，采用索-膜的组合结构。膜结构中有基本的钢框架，但又用到索的组合。1989年，Nuage Leger膜结构建在巴黎的Grande Arche中，使得这种结构体系在全世界范围内都成了引人注目的中心。足球场上跨越观众席的传统屋顶容易使下面的空间变黑，而在欧洲建的膜结构却不会如此。1990年罗马奥林匹克体育场的膜结构从受压环的空间框架上悬挂下来，既轻盈又美观，成为跨越观众席的屋顶最常用的模型。1990年Renzo Piano设计的San Nicola体育场应用膜结构与混凝土的组合，1993年Gottlieb Daimler体育场轻便美观，与相应的结构比较取得了更大的合理性和经济性。PVC涂层的聚酯纤维膜主要用于欧州早期的膜结构，而PTFE涂层的玻璃纤维膜开始得到更大的应用。Frei Otto曾抱怨在膜结构中有太多的限制，但新的造型由于不同的结构体系而得到发挥，