[建筑]膜结构发展.doc

工程应用2008年鸟巢竣工的北京奥运会场馆“鸟巢”和“水立方”膜结构采用ETFE膜材，是目前国内最大的ETFE膜材结构建筑，膜材采用进口产品。“鸟巢”采用双层膜结构，外层用ETFE防雨雪防紫外线，内层用PTFE达到保温、防结露、隔音和光效的目的。“水立方”采用双层ETFE充气膜结构，共1437块气枕，每一块都好像一个“水泡泡”，气枕可以通过控制充气量的多少，对遮光度和透光性进行调节，有效地利用自然光，节省能源，并且具有良好的保温隔热、消除回声，为运动员和观众提供温馨，安逸的环境。 目前国内膜结构发展振奋人心，随着一些大型体育馆、候机大厅等建设以及201年上海世博会和广州亚运会等国际盛会的举办，为我国膜结构的发展带来了机遇和挑战。尤其在膜材方面，我国起步晚，技术水平低，大部分膜材还主要依靠进口。PTFE、PVC和表面改性的PVC、ETFE等膜材是市场的主流，应用比较广泛。我国已有PTFE膜材的自主知识产权，性能也基本达到国外同类产品的要求。很多公司、科研单位以及高校都在进行PVC表面涂层材料的研究，如PVDF、纳米TiO2表涂剂等的研究已初见成效，另外在表面防污自洁处理方面的研究如仿生荷叶构筑微粗糙表面也开始起步。在引进世界一流的生产设备和工艺技术的同时，加紧消化吸收并改进创新，尽快开发适合我国市场需求的膜材表面处理技术，对提升我国整个产业用纺织品产国家游泳馆“水立方”品档次和市场竞争力都具有重要意义。 索膜结构是用高强度柔性薄膜材料经受其它材料的拉压作用而形成的稳定曲面，能承受一定外荷载的空间结构形式。其造型自由、轻巧、柔美，充满力量感，节能、使用安全等优点，因而使它在世界各地受到广泛应用,膜结构建筑作为新的建筑形式于本世纪五十年代在国际上开始出现，至今已有四十多年的历史，特别是到了七十年代以后膜结构的应用得到了迅速发展。膜结构的出现为建筑师们提供了超出传统建筑模式以外的新选择。 膜结构一改传统建筑材料而使用膜材，其重量只是传统建筑的三十分之一。而且膜结构可以从根本上克服传统结构在大跨度（无支撑）建筑上实现时所遇到的困难，可创造巨大的无遮挡的可视空间。其造型自由轻巧、阻燃、制作简易、安装快捷、节能、易于、使用安全等优点，因而使它在世界各地受到广泛应用。另外值得一提的是，在阳光的照射下，由膜覆盖的建筑物内部充满自然漫射光，无强反差的着光面与阴影的区分，室内的空间视觉环境开阔和谐。夜晚，建筑物内的灯光透过屋盖的膜照亮夜空，建筑物的体型显现出梦幻般的效果。这种结构形式特别适用于大型体育场馆、入口廊道、小品、公众休闲娱乐广场、展览会场、购物中心等领域。张拉膜结构(Tesioned Membrane Structure) ，是依靠膜自身的张拉应力与支撑杆和拉索 共同构成机构体系。在阳光的照射下，由膜覆盖的建筑物内部充满自然漫射光，无强反差的着光面与阴影的区分，室内的空间视觉环境-广西北海度假村680方开阔和谐。夜晚，建筑物内的灯光透过屋盖的膜照亮夜空，建筑物的体型显现出梦幻般的效果。张拉膜结构特别适合用来建造城市标志性建筑的屋顶，如体育与娱乐性场馆，需有广告效应的商场、餐厅等。城市的交通枢纽是城市命脉的关键性建筑，使用功能要求建筑物各组成单元的标志明确。因而近来年，这类建筑越来越多采用膜结构。建筑膜材料的使用寿命为 25 年以上。在使用期间，在雪或风荷载作用下均能保持材料的力学形态稳定不变。建成于 1973 年的美国加州 La Verne大学的学生活动中心是已有 23 年历史的张拉膜结构建筑跟踪测试与材料的加载与加速 气候变化的试验，证明它的膜材料的力学性能与化学稳定性指标下降了 20 至 30 ，但仍可正常使用。膜的表层光滑，具有弹性，大气中的灰尘、化学物质的微粒极难附着与渗透，经雨水的冲刷建筑膜可恢复其原有的清洁面层与透光性。张拉式膜结构 张拉整体结构（ Tensegrity ）是由一组连续的拉杆和连续的或不连续的压杆组合而成的自应力、自支撑的状杆系结构，其中“不连续的压杆”的含义是压杆的端部互不接触，即一个节点上只连接一个压杆。 Tensegrity 是美国建师 R.B.Fuller 首先提出的一种结构思想，他认为宇宙的运行就是按照张拉整体的原理进行的，即万有引力是一个平衡的张网，各个星球是这个网中的一个个 孤立点。这种结构体系中的索网就相当于宇宙中的万有引力，独立的受压杆件 相当于宇宙中的星球 20 世纪 60 年代随着现代柔性建筑材料的发展，建筑师们从帐篷着一最古老的简单建筑 结构出发，构造出了魔般的形式膜结构。它可以构成单曲面，多曲面等不同建筑结构形式，满足了建筑师们对建筑与美学高度统一的要求。 柔性材料具有透光和防紫外线功能，在一些室外建筑和环境小品中得到广泛的应用。正是由于这一特征，夜间的灯光设计使膜结构具有鲜明的环境标志特征。 优美造型的膜材，不锈钢配件和紧固件加上设计轻巧合理，表面处理严格的钢结构支撑，塑造出形式美观，设计合理的膜结构，在当今世界范围内的建筑环境设计中占有举足轻重的地位。 ? 场馆看台及娱乐空间 近年来，随着建筑空间观念的日益深化以及科学手段的不断提高，“回归自然”、“沐陆川金穗桥浴自然之温馨”已是现代建筑环境学发展的主流。室内外的视线越来越模糊，出现了许 多亦内亦外、相互渗透的不定空间，如：大厅装饰、天井、四季厅、动植物园、公园广 场、观景台、舞台、体育场馆、体育看台、文化娱乐场所等。由于膜材的光透性，白天 阳光可以透过膜材形成慢射光，使膜覆盖空间内达到和室外几乎一样的自然效果，因此 膜结构能创造出与自然环境相媲美的空间形式。 ? 标志性小品 一个城市的中心区反映一个城市的地理风貌和民族风情，同时，也是一个城市文化发展程度的标志。而景观设计要求其具有广泛的可读性、雅俗共赏，既有超凡脱俗的艺术价值，又能使大众喜闻乐见与大众息息相通。膜结构以其轻盈飘逸的造型、柔美并带有力量的曲线和大跨度和大空间的鲜明个性和标识性，应用于城市小品设计中。 ? 绿色漫步道 近年来，在人口密集的大城市，在居住区周边配置绿色空间并有人行步道。居民可以在不受车辆的影响下，在居住区附近的街心地带轻松愉快地散步、休憩，而感到十分惬意。在绿色空间中构造一座膜小品或者走廊、亭台水榭、休憩遮阳伞等，不仅生动地美化了环境（如同广阔绿洲中的点点白帆），又有很强的功能性（人们可以在行走之暇小憩一会儿），而且增加了空间的参差感。 ? 商业街 商业街在城市中占有相当大的比重。商业街的建筑与环境是城市文明的窗口，代表着物质文明和精神文明的水平，同时，也是景观环境的重要组成部分。膜结构轻巧别致极具现代 化风格，且表现形式多样易于安装移动，在商业街设计中得以广用。 ? 建筑入口及膜建筑屋顶 建筑入口使城市公共空间与建筑空间相邻的界面，成为城市空间的组成部分。它是人们视觉最先接触的部分，因此，除了功能以外，还应有很强的标识性，并能体现建筑的个性，是建筑环境和城市景观的重要组成部分。由于膜结构自然的曲线美是其他结构类型无法比拟的，故成为近来建筑入口及屋顶经常采用的形式。 ? 步行街 利用膜结构轻巧，别致的造型建造各种半封闭，全封闭的不行空间，使其形成全天候的建筑空间，提供防风雨，防日晒等人工环境，并有较好的广告标识效果，因此是步行街改造和新建的绝佳选择。 ? 停车场 随着都市现代化步伐的加快 , 汽车成为任何一个都市不可缺少的交通工具。我国由于汽车工业高速发展，城市的汽车拥有量成倍上升，但城市建设规划没能尽快适应这一发展的要求，常常是车无停放之地。所以在建设群规划时就应充分考虑停车场的问题，把停车场的建设和规划当成现代城市建设规划的重要组成部分，变得越来越重要。同样，膜结构在停车场建设中也以其优美的造型和实在的功能担当重要角色。 ? 高速公路收费站 在城市的入口处，设计拥有自己城市鲜明特色和文化韵味的建筑形式乃是每个城市发展的首选之作，而张拉膜以自己多变的特性，柔美的造型以及夜晚配合彩灯的照射所显示出特有的柔和的氛围更让过往着记忆深刻，同时极具现代感张拉膜又展现了一个城市的发展理念和思路。 膜结构工程应用 用于膜结构建筑中的膜材是一种具有强度，柔韧性好的薄膜材料，是由纤维编织成织物南昌二中主席台460方基材，在其基材两面以树脂为涂层材所加工固定而成的材料，中心的织物基材分为聚酯纤维及玻璃纤维，而作为涂层材使用的树脂有聚氯乙烯树脂（PVC）,硅酮(silicon)及聚四氟乙烯树脂（PTFE），在力学上织物基材及涂层材分别具有影响下列的功能性质。 织物基材抗拉强度，抗撕裂强度，耐热性，耐久性，防火性。涂 层 材耐候性，防污性，加工性，耐水性，耐品，透光性。发展方向膜结构是建筑结构中最新发展起来的一种形式，它以性能优良的织物为材料，或是向膜内充气，由空气压力支撑膜面，或是利用柔性钢索或刚性支撑结构将面绷紧，从而形成具有一定刚度、能够覆盖大跨度空间的结构体系。自从1970年代以来， 膜结构在国外已逐渐应用于体育建筑、商场、展览中心、交通服务设施等大跨度建筑中。 膜结构已成为结构设计选型中的一个主要方案。成为化纤纺织品应用的一个重要领域。近年来在中国建筑 结构中也有长足的进展。 大阪万国博览会中的美国馆采用了气承式空气 膜结构。这个拟椭圆形、轴线尺寸为 140m83.5m的展览馆是世界上第一个大跨度的 膜结构，而且是首次采用了聚氯乙烯(PVC)涂层的玻璃纤维织物。作为一种真正的现代工程结构，大阪万国博览会的展览馆标志着 膜结构时代的开始。自此以后， 膜结构在世界范围内得到了迅猛的发展。从跨度来说,美国庞提亚克的银色穹顶气承式空气 膜结构的平面有234.9m183m,开始采用聚四氟乙烯(PTFE)涂层的玻璃纤维织物，类似的大型体育馆在北美就建了九座。从面积来说,沙特阿拉伯吉大机场候机大厅的悬挂膜结构占地42万m2。作为 膜结构一种新形式，索穹顶于1988年首先用在汉城奥运会的体操馆与击剑馆，其后又在一些体育建筑中得到推广。千年穹顶以其独特的 膜结构，显示了当今建筑技术与材料科学的发展水平。中国膜结构中国现代空间结构的发展受到了西方国家先进技术的影响。近几年来，在 膜结构应用上显示了活跃的趋势。虽然一开始工程规模不大，但已逐渐扩展到更大的面积和跨度。所采用的技术与材料在某种程度南宁澳海蓝湾上还要依靠国外，但预计会有更多的工程依靠自己的力量来完成。 在过去十年中，中国的许多城市都在筹划建设新的体育设施。由于其重量很轻的优点， 膜结构往往被采用。体育建筑可以说是 膜结构在中国应用的突破口。1997年之前，只建造了少量的小型与中型的 膜结构，同年在上海举行的第七届全国运动会， 膜结构被用在主体育场的看台挑篷，总面积达36100m2。这是中国第一次将膜材制成的屋顶用在大面积的永久性建筑上，具有深远的影响。当时涂PTFE的玻璃纤维膜材和工程安装还借助于国外的力量。在上海体育场成功的建成后，虽然它的价格仍高于传统的结构，又出现了一些膜结构屋顶的体育场。 颐中体育场坐落在山东省的滨海城市青岛，这是中国第一个靠自己力量设计与施工的大型膜结构体育场，外包尺寸为266m180m，可容纳6万观众。悬挑40m的屋盖是一个包括膜、索和钢支承结构的典型张拉体系，整个屋盖由70个锥形索膜单元组成，总面积为30000m2。 环顾整个中国大地，新的体育中心正在一个接一个的规划， 膜结构成为覆盖主体育场的优选，估计已有十多个体育场采用。在大城市中有上海(虹口区足球场)、武汉、郑州和广州，在中小城市有烟台、威海和芜湖。另一个适宜采用 膜结构的对象是室内体育馆，在中国还刚开始。在华北的秦皇岛体育馆是第一个采用双层膜的工程，其平面呈椭圆形，长短轴各为112m与98m。最近的一个实例是成都的水上乐园。这个有20000m2的大型建筑用来作为死海漂浮运动。一系列拱形钢桁架跨越115m，上覆以PVC聚酯织物。 膜结构曾被用于覆盖一些室内或室外的演出设施。大部分是由钢框架支承的张拉膜结构。建成的实例有：长沙世界之窗剧场(3500m2)、深圳欢乐谷中心表演场(5800m2)、广州海洋世界海豚馆（2840m2）和天津泰丰风雨剧场(1000m2)等。世界之窗剧场建成于1998年，是早期采用PVC覆面膜材的工程之一。 由于图内和国际上交流的扩展，需要许多新型的会议与展览建筑。1999年在深圳召开了中国高新技术成果交易会，有两个面积为2400m2的馆采用了膜屋盖，显示了其轻质与透光的突出优点。在海南省的小镇博鳌，由于有全世界重要人物参加的一系列高层会议在此举行而闻名。主会场即采用了膜结构，施工工期十分紧迫，4000m2的膜屋盖在40天内完工。在广西壮族自治区首府南宁建造了国际会议展览中心。一个以膜材覆盖的钢穹顶位于多功能大厅上空成为整个建筑物的焦点。钢结构内外两边采用双层的PTFE玻璃纤维织物覆盖。膜结构还可用来覆盖各种不同的小型建筑，如加油站、收费站、服务中心、大门入口以及遮阳设施等。虽然每个工程的面积只有几百平方米，但工程的数量很多，把全国的工程加起来，膜的数量就很可观了。 中国膜材十年仍未突破 膜结构只有在材料问题得到解决之后才得以大量推广应用，因此关键问题是要提供满足功能要求、耐久性好与经济的膜材。用于膜结构有二种主要建筑织物，即涂敷聚四氟乙烯（PTFE）的玻璃纤维织物和涂敷聚乙烯（PVC）的聚酯织物。PTFE玻璃纤维织物具有强度高、半透明、耐火不燃以及自洁性好等优点。虽然材料的保证年限是25年，但按照实际使用的经验，其期望的使用寿命将会更长。玻璃纤维膜材的唯一缺点是价格较贵。PVC聚酯织物与玻璃纤维织物相比，其强度等性能稍差，使用年限也较短，但价格却很便宜，大约在1/5左右。加了改进其性能可在涂层外再加一层面层，聚偏氟乙烯（PVF）或聚偏二氟乙烯（PVDF）。这种面层能保护织物抵抗紫外线的侵蚀，并改进其自洁性。 目前国内有好多厂家都能生产有PVC涂层聚酯织物，但其性能尚未能完全达到建筑织物的要求，作为建筑用的永久性材料尚需进一步提高。据悉最近有些公司正在试制有PVDF面层的聚酯织物和PTFE玻璃纤维织物，外观与性能都大有改进。 近一段时间来,国外媒体表现出了对中国建筑设计前所未有的关注。2005年12月23日的美国商业周刊评选出了中国十大新建筑奇迹,包括北京奥体主会场、国家游泳中心、北京首都国际机场、上海世界金融中心、国家大剧院、中央电视台、上海崇明东滩生态城、当代MOMA、长城脚下的公社、东海大桥(上海)。其中地处北京的建筑就有七家之多。“中国正逐步成为当今最具有创意性建筑和工程设计的舞台。”中国建筑事业的发展,正在为今日最顶尖建筑及工艺技术创造一个舞台。报道首先分析了中国新建筑崛起的经济原因和外部环境。文章说,当全球瞩目北京2008年奥运会时,不单是世界上最快以及最具实力的运动员们正在为争取最高荣誉而加紧努力,新一代的创新建筑也正在北京的土地上拔地而起。由于蒸蒸日上的经济的强大支持,世界上最大的航空港、有节能环保的建筑及世界上最高的室外观光