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何以成就“膜”幻建筑――膜結構采光頂探析

作者：鋼結構網    
時間：2009-12-23 10:03:32 [收藏]


    　　膜結構建筑的發展依賴于膜材的技術革命和施工技術發展。從歷史角度來看，材料技術的革命為建筑帶來越來越多的創意，也帶來無窮無盡的高要求。從現代主義到后現代主義，再到解構主義建筑理論，甚至所謂混沌理論，無一例外地要求材料創新，而每次材料革命又給建筑學添加更多新的創作語言。

    　　結構膜材的性能

    　　用于膜結構中的高強度柔韌性薄膜稱為膜材，結構膜材有織物膜材和箔片膜材兩大類。目前，織物涂層膜材是主流材料，它是一種耐用、高強度的涂層織物，由織物和涂層復合而成，具有質地柔韌、厚度小、重量輕、透光性好的特點。對自然光有反射、吸收和投射能力，難燃或阻燃，具有良好的耐久、防火、氣密等特性；抗老化性好，具有較好的自潔性能。

    　　膜結構采光頂的優點

    　　膜結構是一種非傳統的全新結構形式，膜結構采光頂根據結構形式可分為三類，即骨架式膜結構采光頂、充氣式膜結構采光頂和張拉式膜結構采光頂。其實，膜結構的設計也迥異于傳統結構，要求建筑師與結構工程師緊密配合、相互協作。一般而言，膜結構屋頂與傳統的建筑屋頂相比具有以下優點：

    　　（1）自重輕。膜結構采光頂要比傳統玻璃、鋁板等建筑采光頂輕一個或幾個數量級，單位面積的結構自重也不會隨規模、跨度的增加而明顯增加。抗震性、耐候性好，使用壽命長。

    　　（2）造型優美，富有時代氣息。膜結構的優美造型是力平衡后自然形成的，“找形”是膜結構采光頂建筑藝術美的重要設計內容，是由建筑師和結構工程師共同完成的，打破了傳統的“先建筑，后結構”的做法。膜結構采光頂的結構與造型、技術與藝術得到了完美的結合和高度的統一，因此又被稱為藝術采光頂或藝術外維護結構。

    　　（3）施工速度快。膜片的裁剪制作、鋼索和鋼結構的制作均在工廠內完成，在施工現場只是鋼索、鋼結構及膜片的連接安裝及張拉的過程，故在現場的施工安裝比較文明，且安全快捷。

    　　（4）經濟效益明顯。就目前來看，膜結構采光頂可能第一次投資稍大，但由于此類結構的日常維護費用少。因此，膜結構采光頂的經濟優勢與規模、跨度和技術難度成正比的，大跨度建筑及高層建筑中其成本只是玻璃的2/3，使用壽命可長達25年。易建、易拆、易更新。

    　　（5）安全可靠。膜材料一般都是阻燃材料，防火性優，自重輕，抗震性能好。膜材是柔性面材，不像玻璃容易破碎，無墜落傷人之憂,膜結構采光頂也不會有整體倒塌之慮。

    　　膜結構采光頂的建筑要求

    　　1． 膜面雨水的排放

    　　膜結構采光頂應有足夠的坡度以妥善解決排水和積雪問題，以免引發重大工程事故。通常，膜面的坡度應不低于1:10。多數膜結構采用無組織排水方式，此時應注意雨水對地面和墻面的污染。利用建筑物自身的某些形狀特點，可設置有組織排水。

    　　2． 防火與防雷

    　　PTFE膜材是不可燃材料，PVC膜材是阻燃材料。對于永久性建筑，宜優先選用不可燃類膜材。當采用阻燃類膜材時，應根據消防部門的要求采取適當措施。例如，應保證建筑物的頂棚與地板之間的距離在8m以上，并且避免膜材及其連接件與可能存在的火源接觸。建于建筑物頂層或空曠地段的膜結構要采取防雷措施。

    　　3． 采光

    　　膜材的采光性較好，在陽光的照射下，由于漫散射的作用，使建筑物內部呈現明亮效果，因而在白天通常不需要照明。這一特點使得膜結構特別適用于體育館、展覽廳和天井等對采光要求較高的建筑物。當采用內部照明時，燈具與膜面應保持適當距離，以防止燈具散發出的熱量將膜面烤焦。

    　　4． 聲學問題

    　　膜結構的聲學問題包括對內部聲音的反射和對外部噪聲的屏蔽兩方面。織物膜材對聲波振動具有很強的反射性，這種反射性會使音樂聲音變得惡劣，并使人很難聽清講話內容。對于某些具有內凹面的建筑，如充氣膜結構或拱支式膜結構，頂棚會使聲波反射匯集。另外，聲波穿過織物膜材時的衰減也是需要考慮的，通常單層膜的隔聲性能僅在10dB左右。一種較為可行的方法是在膜結構頂棚上每隔一段距離懸掛一些標牌，以增加對聲波的吸收，并改變頂棚的曲線造型，從而改變反射方向。

    　　5． 隔熱、保溫與通風

    　　膜結構建筑的保溫隔熱性能較差，目前廣泛采用的膜材還不能較好地隔絕外部溫度的影響。單層膜材的保溫性能大致相當于夾層玻璃，故僅適用于敞開式建筑或氣候較溫暖的地區。當對建筑物的保溫性能有較高要求時，可采用雙層或多層膜構造。一般兩層膜之間應有25cm~30cm的空氣隔層，還應該注意解決內部結露問題。當用于游泳池、植物園等內部濕度較大的建筑時，濕空氣接觸膜內表面易產生結露，可采取室內通風、安裝冷凝水排出口或安裝空氣循環系統等措施。
    　　6． 與環境協調

    　　膜結構與周圍環境的協調除了要在建設場地、建筑造型、膜材料的選擇（如色彩、質地）等方面加以考慮之外，在細部處理上也要考慮與環境結合與協調。
    膜結構采光頂典型工程

    　　1. 德國慕尼黑安聯體育場

    　　德國慕尼黑安聯體育場的ETFE膜結構幕墻和采光頂（又名“救生圈”），采光頂面積3800m2，幕墻面積2600m2，ETFE膜抗拉強度52MPa。

    　　安聯體育場是慕尼黑兩支俱樂部足球隊的共同主場。為此，菱形紋理的ETFE外表覆膜提供了一種巧妙的設計，膜下的兩種氣囊在不同球隊主場作戰時會分別發出紅色、藍色的光芒，非球隊賽事時，它是白色的。因此，通過建筑的燈光變幻遠遠便可知道是誰在主場比賽，甚至可以知道主隊進球了。酷愛足球的德國人還提議在主隊進球時，外表燈光可以加強一些。

    　　2. 東京穹頂

    　　東京穹頂，綽號“巨蛋”，是日本為了適應不同氣候變化而建造的第一個氣承式體育館。穹頂跨度超過200m，包括了1240000m3的室內空間，這個超大空間，全年都開放空調設備，可以容納50000名壘球球迷或56000名觀眾觀看其他賽事。

    　　穹頂的設計是180m2略顯方形的橢圓形，從一邊到最大弧度梁的距離為201m。矢跨比為0.124，整個結構采用的是80mm的螺旋索。采光頂的膜材采用了防水性能好、強度大、使用年限長、有特氟隆涂層的玻璃纖維材料，涂層厚度為0.8mm。

    　　3. 威海市體育場

    　　威海市體育場平面尺寸236m×205m，橢圓形，覆蓋面積15300m2，膜材為PVDF，用鋼量為22kg/ m2，于2001年12月建成。其結構特點是由34個連成一體的、形狀漸變的單桅桿傘形膜單元組成。每一單元由單桅桿谷索、脊索、翼索、邊索及張力膜組成，膜單元懸挑長度17m~30m。

    　　4. 國家游泳中心――“水立方”

    　　國家游泳中心又被稱為“水立方”，位于北京奧林匹克公園內，是2008年北京奧運會的主游泳館，也是2008年北京奧運會標志性建筑物之一。國家游泳中心規劃建設用地62950m2，總建筑面積65000m2~80000m2，其中地下部分的建筑面積不少于15000m2，建筑整體尺寸是 177m × 177m × 30m。“水立方”四周覆蓋的輕型聚合體膜實際上是ETFE膜，它不僅具有很好的熱學性能和透光性，而且能夠積蓄20%的太陽能，并可以用來為水加溫，調節室內環境溫度，節能效果明顯。

    　　總而言之，膜結構采光頂是一種非傳統的全新結構形式，其設計與施工方式也迥異于傳統結構。膜結構技術在德國、美國、日本等發達國家已經歷了三十多年的發展。在我國，這種新結構技術發展勢頭也較猛，新穎的建筑構思與先進的結構技術還將進一步為人們創造更多優秀建筑。
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