高强钢索近代膜结构
案例赏析
在iStructure的“结构材料”系列文章中，我们先后介绍了钢铁、混凝土、木材、铝合金、玻璃、FRP本文介绍的是另一种常见的结构材料---膜，简要地整理了包括材料特性、受力特性、结构形式的知识。
膜结构作为一种空间结构形式，最早可以追溯到远古。人类用木头搭建结构骨架，覆盖上兽皮或草席，用绳子或石块固定在地上，建成简易的房子。
近代膜结构，受到马戏团大型帐篷的启发，并随着新型膜材料和高强钢索的研发，以自由、轻巧、柔美，充满力量感的造型，在建筑领域的应用越来越广泛。此外，因为膜结构建造快、方便安装和拆卸，特别适用于小型、临时的或使用年限较短的建筑。
一、材料
建筑中最常用的膜材料主要有PTFE膜、PVC膜和ETFE膜三种。膜材的选择往往取决于建筑物的功能、防火要求、设计寿命和投资额。
PTFE：
- 在极细的玻璃纤维(3微米)编织成的基材上，涂覆聚四氟乙烯等材料。
- 永久性建筑的首选膜材料，使用寿命在20~30年以上；
- 强度高、耐久性好、自洁性好，且不受紫外光的影响；
- 高透光性，且透过的光线为自然散漫光，不产生阴影和眩光；
- 反射率高，热吸收量少；
- 燃烧性能A 级；
PTFE在1979年左右出现后，从各方面改善了膜材的特性，使得膜结构从帐篷或临时性建筑，发展到永久性建筑。
PVC：
- 以尼龙织物为基材，涂覆PVC 或其他树脂。早期的膜材，使用年限一般为7到15年；
- 强度及防火性与PTFE相比具有一定差距；
- 自洁性较差，可在PVC涂层上再涂PVDF树脂；
- 另一种涂有Tio2（二氧化钛）的PVC膜，具有极高的自洁性；
- 燃烧等级B1级，不及PTFE膜；
ETFE：
- 乙烯-四氟乙烯共聚物薄膜，非织物类。耐久性好，15年以上恶劣气候，力学和光学性能不改变；
- 耐磨、耐高温、耐腐蚀，绝缘性；
- 密度小，抗拉强度高，破断伸长率达300%；
- 表面非常光滑，极佳的自洁性能，灰尘、污迹随雨水冲刷而除去；
- 阻燃材料，熔后收缩但无滴落物。
二、高效的张拉结构
膜结构是以高强度的柔性薄膜材料，经张拉或充气形成稳定的曲面，承受外荷载的结构形式，其造型自由、轻巧、柔美，充满力量感。
在下面的结构体系简图中，膜结构属于利用形抗的全轴力张拉结构，其结构效率是非常高的。利用膜材料的高抗拉强度，单独考虑膜材的跨度与其厚度的比值，可以达到1/10000，是最极致的轻型结构。
三、结构形式分类
根据膜结构的成形方式和受力特点，一般可以分为张拉膜、充气膜和骨架膜三种。比较形象的比喻是，张拉膜像帐篷、充气膜像热气球、骨架膜像蒙古包。
四、张拉膜
利用马鞍面或者其它曲面正反曲率的特点，给膜材施加张力以提高膜结构的刚度，抵抗外荷载。弗雷·奥托（Frei Otto，1925～2015）最早把这一创意应用于建筑，创造出自由多变，轻盈飘逸的建筑造型。
奥托1955年设计卡塞尔联邦花园展览音乐厅，像是一个四点支撑的帐篷，依靠边索给膜施加预应力使帐篷的外形呈现两头向上、两头向下的形状(马鞍形)。这个设计宣告了帐篷设计进入了全新的时代。
不久之后，他设计了科隆园艺展舞场，由6根梭形柱撑吊起张拉膜，再以6根稳定索向下压住膜材以平衡受力，覆盖了直径33米的室外舞场区域。从结构体量和设计方面来说，该结构第一次超出了“帐篷”的意向。
科隆联邦庭院展览与蒙特利尔博览会德国馆
科隆联邦庭院展览入口拱门，是膜和钢结构拱的组合。拱门跨度34m，跨越整个售票大厅，钢结构拱为膜提供张拉支承条件，膜张紧后又为钢拱提供侧向支撑。钢拱的截面非常小，直径仅为171mm、壁厚为14mm。如今，现场所呈现的是当年的复制品，与原作相比其跨度小而受压拱的截面却更大。
1964年，弗雷·奥托成立了“轻型建筑研究所”，被称为“建筑天空的起飞跑道”。他的代表作蒙特利尔博览会西德馆，德国慕尼黑奥运会虽然为索网张拉结构，但几乎完美地呈现了张拉膜的形态，因为索网结构与张拉膜结构具有类似的受力原理。1967年蒙特利尔世博会的德国馆，8根钢铁的桅杆和5厘米直径钢缆结成的索网支撑起半透明的白色涤纶帐篷，这一轻型化大跨度的建筑成为1972年慕尼黑奥运主场馆的先声。
丹佛国际机场航站楼
丹佛国际机场航站楼是为数不多的整体采用膜结构的机场。76米x285米的大空间沿长边方向划分为17个单元。
每个单元由间距45.8米的两根支柱撑起山峰形的脊索，柱间为起稳定作用的谷索。以脊索和谷索为边界结构，其间的张拉膜材覆盖建筑大空间。
上海世博会
2010年上海世博会主入口的世博轴也采用了张拉索膜结构，由德国SBA公司和华东建筑设计研究院设计。全长1045米、宽约100米的世博轴，由6个喇叭形的“阳光谷、13根大型桅杆、数十根斜拉索和巨大的膜结构组成。
五、骨架膜
骨架膜是以刚性构件作为骨架，以膜材作为覆盖材料，主要由刚性骨架承受外荷载。由于膜材的透光性和张力感，使得骨架膜结构的大空间更加明亮、开放、富有力度感。
蓬皮杜梅斯艺术中心
蓬皮杜梅斯艺术中心由坂茂建筑事务所（Shigeru Ban Architects）设计。以15m跨度为模数，3个纵深长达90m的长方体彼此垂直层叠。木结构屋面表面覆盖PTEE薄膜，呈现出极佳的效果。
汉诺威世博会日本馆
2000年，奥托和与坂茂合作了汉诺威世博会日本馆，采用了与曼海姆大厅类似的网壳结构，只是屋面网格的木材换成了纸卷。限于篇幅，关于骨架膜结构不详细展开了，以后有机会另开一篇详细介绍。
六、充气膜
利用气压使膜产生张力，以此来抵抗外力的结构称为充气膜结构，具体又分为气承式和气胀管式两大类，是现代膜结构摆脱马戏团帐篷形象的一次尝试。简单地理解，气承式是利用膜内外气压差使膜产生拉力来平衡外荷载，类似于热气球。
气胀管式的原理是利用充气使得管(梁或拱)形成抗弯和轴向刚度，以承担外荷载，类似于常见的充气棒。气胀管式充气膜所需要的气压比气承式的更大，结构效率比气承式低。
充气膜结构建造方便、快速，最初用于军用设施。Votta Byrdr从美军雷达穹顶、兵营和仓库充气膜结构的建造中积累了经验，于1957年采用充气膜建造了自家的游泳池简易棚，第一次把这种结构形式带入到大众的建筑领域。
以1970年大阪世博会为展示契机，膜结构因建造快速简便，被众多国家场馆所采用。其中最具代表性的美国馆和富士馆都是充气膜。
美国馆的方案是由盖格尔(D.Geiger)提出的低拱度空气膜结构，属于气承式。在长轴142米、短轴83.5米的椭圆形压环内侧，用索张拉膜材(聚氯乙烯喷涂的玻璃纤维布)。美国馆穹顶的垂度非常低(仅1.6m)，垂度低的充气穹顶受到的风荷载分布比较均匀(吸力)，这对保持膜结构形态和承载力的稳定非常有利。
与美国馆不同，富士馆是一种拱形的充气膜，只对拱形管充气，建筑物内部气压与室外气压相同，出入口不需要气门锁，完全自由。同时结合横向索和缆风索，形成整体稳定的结构。充气拱的管状截面直径约4m，膜材为喷涂有弹性橡胶的聚乙烯醇纤维布，充气气压比室外大气压高800mm水柱。每个单元有16根拱，拱长均为72m，但每根拱的拱高和拱脚跨度不同，最终呈现出独特的形状。富士馆以前所未有的结构系统和形态震惊了世界。
PTFE这种不可燃、高耐久性膜材的出现，为充气膜形式的永久建筑提供了技术上的可行性。20世纪七八十年代美国和加拿大建造了大量的盖格尔充气膜(单层低矢高气承式膜结构)的体育馆。然而，由于充气穹顶在风雪影响下受损甚至倒塌的事故多次发生，且建筑维护费用高(维持气压和修补)，渐渐地充气穹顶被其它形式的穹顶所取代。事故原因包括多种因素，膜材料寿命(通常20-30年左右)、风雪天气的大幅降温使得气压不稳定、低矢高穹顶易积雪、挠度大和积雪进一步增大的恶性循环，除雪困难等。
七、其它
相比与其它结构材料，膜还有一些独特的性质，比如光特性(透光、遮光、泛光)、可折叠、可卷起。利用这些特点，能设计出更加有趣的结构。以膜构成的空间有无穷无尽的可能和魅力。综合考虑功能与形态、造型与力、材料、系统、节点、织物裁剪、施工方法等等，膜结构设计也是一种妙趣横生的探索过程。
