膜结构工程方案展示

1、法国卡巴里奥收费站 CABARIOT-TONNAY IN FRANCE高速公路收费站往往被视为只是向驾车者收取费用的工业机器，没有任何吸引力。除了被当作是一种障碍，它们很少被注意过。如果将这些用于现代运输的自动化小岛称之为建筑，不仅会使驾驶者惊奇，也会使大多数的建筑师惊奇。而法国Arteo综合设计事务所和Arcora工程公司并不以为然，他们反问道：“为什么不设计出一个从建筑上值得欣赏的高速公路收费站呢？”法国A837高速公路沿着大西洋边和海滨小镇，在法国西南部Saintes和Rochefort之间的比斯开海湾一线下来。在这条高速路上，Arieo事务所与Arcora公司的建筑师与工程师们，使用深

2、蓝色张拉膜构筑一巨大屋顶，其下覆盖的是Cabariot收费站，它犹如一张巨型的蓝帆。4个设计精致的锥形支撑桅杆吊起屋顶结构，如同大海波浪悬挂在半空中。夜晚在灯光照射下象一艘将要靠 岸的航空母舰。Cabariot收费站长152m，最宽处32m；由 4个35m高的圆锥形桅杆构成的主支撑，托起中央主梁，通过横穿的流线型梁与周边的空腹梁连接。稳定支撑杆则连接结构边缘和4大桅杆的基座。整个膜材被双重绳套和橡皮带固定在构架上。因为Cabariot座落在海滨，需要通过风洞测试来优化它的稳定性。为防止由此经过的大量汽车排放物对面料的污染，Cabariot采ffi了光滑并可以自洁的膜材。正是因为Cabariot

3、收费站不同寻常的设计,而在 1999年获得了由国际织物 工业协会组织的国际成就奖项中的设计大奖。 膜结构的空间创造-介绍21世纪斯涂加特火车站创作构思 THE SPACE CREATION MEMBRANE STRUCTURE: AN INTRODUCTION ON STUTTGART RAILWAY STATION IN 21TH CENTURY 背景德国著名建筑师克里斯多夫英恩霍文在国际著名结构工程师费赖奥托配合下设计的斯图加特火车站以其开创性的空间构想在国际投标中获一等奖，德国建筑专业杂志房屋评论：这一革命性的空间创造是继慕尼黑奥林匹克体育场之后最优美的建筑作品。“斯图加特火车站”是德国

4、“21世纪斯图加特工程”中的一项，工程总投资约50亿德国马克。其宗旨是：城市通过铁路设施的现代化获取利润，并要求轨道设施在城市开发中得以完善，从而提供便捷，高速的交通服务，以适应现代人的生活方式和节奏。占地约 100hm2 ，站台长约 400m（其中200m延伸到城市的中心绿地-宫殿花园）的斯图加特火车站位于老城的边沿及老火车站博拉茨北侧。克里斯多夫英恩霍文在查看基地后的构想是：保持宫殿花园的完整性。让轨道从地面消失，为城市创造一个绿色环境的未来空间。于是，一个童话般的构想产生了：“我们做一个火车站在地下，加上一个顶，几个洞，几个点”。创作过程建筑的本质在于它具有个性的发展过程。“Work I

5、n Progress”这个源于英语的概念意旨：为实现最初目标所进行的一系列分析、推敲及完善工作。蛹吐丝形成茧子，最后变成蝴蝶的现象给我们这样的启示：一个自然而精美的形态总是在经过一系列的演变后得以形成的。70年前由建筑师博拉茨设计的老火车站反映了当时的建筑风格和生活状况，21世纪的今天我们尝试一个突破：自然形态与功能的完美组合。寻求一种从内容到形式都有别于常规的新火车站形式-轨道设施移至地下约6米处，以保留一个完整的宫殿花园。为了这个不同寻常的设想，我们进行了各种试验，通过工作模型，电脑模拟，从城市关系，空间形成，能源节约到技术可行性及造价分析，进行了一系列反复的推敲于比较。其论证结果是：这不

6、是一个幻想，可以成为现实。在此，城市建筑、生态与技术得到充分的柔和。这里不只是一个建筑，更是一个艺术品。 城市网络火车站犹如城市的窗口，来往的行人都会将此印在记忆里。轨道设施从地面的下移为内城开发及 城市的连接提供了一个特殊的机会。这个新的城市 部分与已有城市结构的完美结合对于一个持续而有效的城市发展有着决定性的作用。老火车站的塔体及设于四个方向的新火车站的玻璃壳入口，成为火车站及城市的新标志。富有韵律的系列“光眼”构成了一副梦幻般的画面，并作为老城与新城的连接链。这个流畅而开敞的空间使内外连接于一个连续的空间网络，无论从任何角度观看，这一空间都充满令人想象的魁力。造型与结构与结构专家弗赖奥托

7、及比荣爱博格工程事务所的积极合作是该建筑形式成功的基础。1963年由弗赖奥托通过肥皂薄膜进行了最小面积受力试验，其结果显示：在没有产生张力的情况下，要形成一个单力支撑的薄膜，必须通过一个孔的组合体方可实现，那就是“光眼”。在火车站的结构构思中，首先想到的便是钢网结构，这一构想要求：“光眼”有一个精确的高度。如同肥皂膜模型所呈现：钢网应与混凝土结合，并形成封闭的骨架，这样构成一个屋顶基础。结构计算的结果是：拉力荷载的悬挂屋顶代替压力荷载的水泥拱顶。这一形状通过模型进行试验，并在悬挂拉力状况下凝固成型。然后旋转180度即成为现在的形态-膜结构“光眼”。这一理想的形状在一连续而适合的边缘条件下发展成

8、型。光眼梦幻般的“光眼”组合在宫殿花园中形成一种特殊的景象。如同悬挂的模型一样，受力是从边缘到中心，然后沿着边缘口传至支撑柱。“光眼”的边缘在结构中具有剪力的功能，弧形的玻璃边框镶嵌于混凝土边棱上。这个从地面突出的“光眼”构成了支撑体系的真正特征，并成为该原型组合体的结构胚胎。光线光线在一个富有韵律的空间里扮演着重要角色。斯图加特火车站的设计将成为新一代火车站的标志。当旅客在大厅里停留时，日光通过拱形玻璃壳均匀地进入大厅。即使在阴天也能得到舒适的光线。我们通过一个1：30的模型进行日光测试。结果显示：平均有5的日光能直接达到内部。其中直接位于光眼下的部分能获得1015的日光。在大约400m长的

9、站台上每60 m设有一个“光眼”，外部光线的变化内部也能感觉到。由于两个相邻的站台每隔30m有一个交叉的“光眼”，从而使光线均匀的进入地下站台。当夜幕降临时，位于站台边缘的地面照明通过拱型天顶的反射，也能达到一个明亮的空间效果。能源由于这种膜结构形式，地道中的全年平均气温可控制在+10度左右。在考虑气流的情况下计算出：夏天的气温很少超过+20度，冬天则很少低于0度。由于高差的原因形成地下站台的壁炉效应。由于自然气候的原因，冬夏季将有不同温度的气流进入地下站台，这种冲击气流通过“光眼”在没有人工换气装置的情况下进入地下，其数据是每小时0.7倍的空气交换量（大约300.000m3/h）。在冬天可通

10、过一个自动装置来阻挡低温气流的进入。 熊本市公园穹顶，日本 PARK DOME,KUMAMOTO,JAPAN,1997 建筑及结构工程师：Daiichi-Kobe事务所，Fujita公司 空间构成的基本构想是用一个直径 125m的圆顶覆盖中心场地，并用不规则的结构覆盖周边自由安排的其他设施。这一构想否定了用一个大结构覆盖整个空间的设想，代之以许多适应内部空间形状的框架，然后使它们成为一个整体，形成一个室内运动场-“一个先进技术与创新观念的完美结合”、“一座利用自然能源的节能建筑”。为此，在设计的早期阶段就决定给予该建筑一个地球上浮云的形象。 为实现这个形象，决定在场地中央建造巨大的圆形双层充气

11、膜结构屋顶，不规则的周边部分则用单层框架膜结构覆盖，全部室内空间保持正常压力。因为仅仅屋顶是充气膜结构，所以门窗可自由安排。为保持双层充气膜的厚度和形状。在屋顶中央部位设计了一个简单的锥台状框架，构成充气屋顶的中心环，这也使屋顶中央开口成为可能，对自然通风和采光极为有利。同时在声学上也是有效的。因为开口赋予天花表面一个自然的凸圆面形状，这就将声音朝四周分散，有效地降低了反射波。 双层充气膜形成了一个直径107m的、以锥台状框架为中央支撑的“浮云”。在中央的锥台状框架与外围的环形桁架之间，上、下各有48根辐射状的素相连。以带PTEE涂层的玻纤膜覆盖骨架和索，同时，双层膜间充气达30mm汞柱的气压

12、（正常情况下）。这个庞大的外径125m的碟状屋顶被支撑在沿环形桁架的8个点上，每个点由“3-柱”型的组合柱支撑。由于充气膜有索支撑，即使跑气也不会有坠落损害的危险，从预防灾害及撤离的角度看，这种布置也是有利的。这种结构系统被称作“混合充气膜结构”，因为它结合了轮式索结构和充气结构的优点。这个工程是此种结构形式在世界上首次应用。 覆盖不规则周边部分的单层膜顶形成了一个简单的格构架结构-用直径350mm的球节点将钢管装配成网格。 建造圆屋顶花了大约20个月。建造主体结构的顺序如下：首先，同时立起8根组合柱；环形桁架及锥台状中心环在低位装配；连接上索和膜；连接下索和膜；往膜内注入空气；在环形桁架上安

13、窗框和玻璃（重量大约2400t）；充气膜整体提升至 19m高度。在此过程中，“3-柱”组合柱的内柱充当导轨。最后，环形桁架和周边钢筋混凝土结构间连上不规则的单层膜顶。 西侧全景 双层充气膜上部 西侧鸟瞰 充气膜内部 圆屋顶内景巴里市圣.尼古拉体育场，意大利 SAN NICOLA STADIUM .BARI,ITALY,1990 建筑设计：伦作.皮亚诺事务所 Architects:Renzo Piano Building Workshop 结构设计：澳为.阿勒普事务所 Structural Engineers:Ove Arup & Partners 该体育场建在巴里市，市为1990在意大利举行的

14、世界杯塞尔建造的八个体育场之一。 整体呈椭圆形的观众席是通过现场组合310根新月状的预制钢筋混凝土梁而建成的。上层的观众席被划分成26块巨大的“花瓣”。“花瓣”间的空隙使建筑显得纤秀轻盈，同时留出了人员流动的空间，方便观众进场和退场，保证了观众的安全。计算机模拟试验确保所有座位的视线均不被遮挡。为使观众免受日晒雨淋，实际了一个带PTFE涂层的玻纤膜顶。 这个膜顶的主要支撑构件是从上层观众席顶部悬挑出来的箱形梁；次要构件有：膜顶前端的U形桁架、与箱形梁平行的弧形拱肋以及连接弧形拱肋与索的侧向稳定杆。结构体系保证整个膜面处于张拉状态。为避免强风对赛事或观众的造成干扰。设计前作了风洞试验，用几种阿勒

15、普（Arup）的程序作了对比分析。 膜顶由26块各自从上层观众席的钢筋混凝土框架延伸出来的大膜构成。26个膜顶之间通过小块拱形膜连为一体，整个膜覆盖面极为13250m2。膜顶悬挑跨度介于14m-27m之间，这些结构实际上是上层观众席的钢筋混凝土框架的直接连续。虽然上层观众席的标高和膜顶的悬挑跨度在体育场的四周上有所变化，但对钢结构加工来说仍有某种某种的重复性和规律性可循。 连接悬臂箱形梁端部的一系列“U”形桁架之间纤细的弧形拱肋上。为使这些拱肋尽量细，它们的空间刚度通过两端间的一系列拉杆加以强化。膜的边缘均处理成曲线，以贴合钢质箱形梁 。 每块膜均在四边连续固定，并通过膜的双向张力和位于拱肋间

16、的膜上索的下压力与下部的拱肋紧密贴合。这些膜上索的设置保证在最恶劣的风载下膜也不会将拱肋扯起。 膜被确定为几何意义上的双向等应力场，而每块膜安装是在两个方向上的应力均不超过4080N。 体育场全景 观众席局部 箱形悬臂拱形梁仰视香港大球场，中国 HONG KONG STADIUM,CHINA,1994 建筑设计:HOK 事务所 Architects:Hellmuth,Obata & Kassabaum 结构设计：澳为.阿勒普事务所 Structural Engineers:Ove Arup & Partners 工程要求在现有地段上建造一个新的体育场能容纳 4000观众，其中 5的面积（达16

17、 000m2）在屋顶下，成为一座集运动、会议等多种功能于一体的21世纪的大型露天体育场。 建成后的体育场地处狭小的香港岛山谷中，三面环山，越过山顶看去是高耸的大楼，其中包括若干公寓。地段朝北开敞，城市和海港的景观尽收眼底。白天，太阳的漫射光可照亮观众席。夜晚，屋面透出灯光，仿佛发光的贝壳。竞技场地露天，使绿茵得以生长。在这样的自然地形中，膜屋顶的几何形和结构很能打动人心。 山谷的东西两面地形较陡，两面大的看台因势利导依山形升起。其屋顶进深 40m 55m，以遮盖看台。这种跨度的屋顶如用悬挑结构会导致看台非常笨重。因此，设计师考虑了新的解决方案，即纵向用240m跨度、顶部标高55m的拱形骨架支撑

18、屋顶的前沿。事实证明，在该地段条件下，这是一种更为经济的解决办法。出于建筑方面的考虑，拱形骨架有12度的倾角，其截面为3.5m见方。 横向的三角形桥架断面3.5m高，连接屋顶前沿的拱架和后面的混凝土看台，跨度40m55m。检修通道、放送设备及泛光灯照明都安放在这些桁架里。设计者们还做了风洞试验以研究环境的影响并确定膜的设计风压。 两个屋顶各外包5块涂敷聚四氟乙烯的玻璃纤维膜材，这种材料的传热和透明度可达到平衡，自洁能力、耐火、耐久性都很好。每块1600 m2的膜材，跨3组桁架。这些膜材四边都压紧，中间部分并没有机械地固定在桁架顶部，而是在桁架之间用一直径为 80mm的谷索压住。膜本身加有510

19、0N的双向预张力。 该作品因布局紧凑、与地形结合得好和简洁且富有表现力的结构而受到高度赞扬，并于1995年荣获美国建筑师协会奖。 屋顶外侧 240m跨度的拱构架上的膜屋顶 南侧鸟瞰 屋顶仰视 16000m2屋顶下的看台科隆坡国家体育综合体室外体育场，马来西亚 OUTDOOR STADIUM, NATIONAL SPORTS COMPLEX, KUALA LUMPUR,MALAYSIA,1998 建筑设计:威德伯兰顾问公司，勃哥曼事务所 Architects: Weidleplan Consulting, Schlaich Bergermann and Partners 结构设计：勃哥曼事务所

20、Structural Engineers: Schlaich Bergermann and Partners 该体育场建于吉隆坡。为保护露天体育场所有正面看台不受阳光直射和雨水浇淋，采用了环形索膜屋顶结构，从而创造出 380000m2的无柱有顶空间，成为世界上此种类型的最大的膜结构。屋顶由看台后沿的混凝土结构支撑，悬挑长度均为62m。 屋顶结构为36个索构架在一个外部钢制压力环和两个内部拉力环之间呈放射状布置。外部压力环是直径为1400mm的钢管，安放在36个V形柱上。这些V形柱又放在混凝土结构上并稍微向外倾斜。V形柱两端都是铰接，以使压力环径向可以轻微移动。放射状的索构架之间由压杆相连以防止

21、相互移动。内部拉力环由直径100mm的绳索构成。两个拉力环的垂直距离为20m，并由36根钢制支柱相连，这些支柱的端部与拉力环上的铸钢节点连接。整个结构体系被施加预应力，以使建筑在频繁的风力及其他荷载作用下保持稳定。 索构架上方覆盖有膜材，这些膜由跨在相邻的两个索构架上的拱形钢管支撑。在相邻拱形钢管之间，膜呈马鞍形，这样，在通常的压力下，表面能保持高度稳定。 室外体育场全景 体育场膜屋顶下观众席 建造中的膜结构 室外体育场和游泳池北侧 建造种的游泳馆室内所泽市西武体育场，日本 SEIBU DOME, TOKOROZAWA, JAPAN, 1999 设计：鹿岛设计 Design: Kajima D

22、esign 如今，在日本各地正不断建造重型的穹顶体育场。这样就又回到了运动空间的原点，自然采光使体育运动与自然环境更有机地融合，通过简单的设计使明亮而开敞的空间具有树荫般的舒适感。 一种专利的建筑施工方法-“建筑重建方法”被开发了。现有球场不用关闭，在两个赛季之间修建，可把对球场经营的影响降到最低程度。 屋顶结构由固定于周边的原有V型钢管柱支撑，柱间不设围墙，增加了空间的开敞和通风。观众席上方的不锈钢折板屋顶解决了保温、结露、吸音和隔声问题。在第一个休赛期，梯形桁架从外部运至现场，在这个环形结构中，座席内不用任何临时支撑。桁架通过滑动的方法安装。 中央膜顶的制作最大限度地使用了半透明的膜材，简

23、单的网架无斜撑或辅助杆件，以使观众更好地观看比赛并有助于减轻屋顶结构重量。在第二休赛期时，膜顶将在地面上组装后升起，以形成完整的屋顶。 体育馆内景 膜屋顶下 体育场内景 西北侧全景诺默尔市伊利诺斯州立大学红鸟竞技场，美国 REDBIRD ARENA, ILLINOIS STATE UNIVERSITY, NORMAL, USA, 1998 建筑设计:CRS.西林 Architects: CRS Sirrine 结构设计：盖格事务所 Structural Engineers: Geiger Associates 东侧立面 西北侧全景 紧邻伊利诺斯州立大学体育场的红鸟竞技场是一座传统砖砌建筑与玻璃

24、纤维索膜顶的艺术结合体。这里被用作棒球场，巡回演出的音乐会场以及前一个体育场的补充。它处于草原生态环境和校园环境中，是一座十分独特的建筑。 这座建筑的组合及形状表现了建筑内部的功能。围绕着中央竞技场的坡度很大的座席呈椭圆多边形排列，其设计意图是创造一个深的“沉降”天井，以鼓励自己的球队并威慑他们的对手。中央竞技场膜屋顶的周边被固定在座席后面的折线形的混凝土圈梁（压力环）上。其外围的12个膜项由12个砖砌的阶梯状塔楼分隔。塔楼为技术用房，其最突出的功能是，用正面的圆形大百页窗为体育馆通风换气。 体育场的屋顶是半透明和保温的悬索膜顶。伞状的折顶形式通过24个飞杆将脊索撑起而形成峰顶，拉直的谷素形成

25、峰谷。 这是美国第一个悬索膜顶建筑，也是世界上第一个非圆形顶的索膜建筑。除了脊索使用了普通钢索外，屋顶结构的其余部件都采用7根一束的预应力钢索。外斜索与主环索及飞杆间的连接件均为铜铸件。椭圆形上的张力变化由主体张拉环索以外的部分钢索来承受。 体育场的外围是由砖砌阶梯状塔楼与波浪式膜顶下的砖垛、玻璃窗相间排列，造型丰富。砖的采用使体育场与校内主要的建筑物协调，而光滑的聚四氟乙烯膜顶则独具特色。 亚特兰大市佐治亚体育馆，美国 GEORGIA DOME, ATLANTA, USA, 1994 设计：魏德林格尔事务所 Design: Weidlinger Associates 佐治亚体育馆的结构是一个

26、空间桁架，其底部弦杆由环形索替代。这个屋顶为240m x 192m的椭圆形，是同类索膜结构中世界上最大的。它由涂有聚四氟乙烯的玻璃纤维膜覆盖。屋面呈钻石状，看上去象水晶一般。 整个屋顶由7.9m宽、1.5m厚的混凝土受压环固定，共52根支柱支撑着700m周长的混凝土受压环，钢焊接件被预埋进受压环内，以提供26个屋顶连接点。为了使屋顶的热膨胀不影响下部结构，受压环座落在“特氟隆”承压垫上。这样，外力作用下承压垫只能径向移动，并可将风力和地震力均匀传向基础。 脊索及底部环索上的连接件均为焊接件。这些接头沟通过钢板与其他杆件连接。飞杆的底部与斜索和环索固定，飞杆的连接件做成铰接件，以使其易于安装并在

27、不均匀承重情况下允许接头旋转。 膜顶施工中俯瞰 鸟瞰凡纳弗罗市M&G研究试验室，意大利 M&G RESEARCH LABORATORY, VENAFRO, ITALY,1991 设计：M.D.拉莫斯，M.范雷姆多克，B.弗莱里克 Design: M.D.Ramos, M.Van Raemdonck, B.Vleurick 辛科工程集团的新MG研究试验室座落在意大利南部莫利塞地区的凡纳弗罗。 这座建筑物实际上是一个可伸缩的“帐篷”，位于福特那河峡谷内的水池中央，四周群山环绕，环境宜人。 这个“帐篷”为试验空间提供了良好的透气性，并且质地轻盈。白色的顶篷材料不仅形式美观，且用一种经济的手法为实验研

28、究提供了充裕的空间。由于当地多地震且气候湿润，建造这种方便快捷的帐篷无疑是一个理想的解决办法。 它的外壳座落在一个85m X 35m的几乎是椭圆形的基座上。由6个对称的拱架支撑，拱架是轻盈的钢桁架。其内部纵向安排办公室、试验室以及服务设施，中心区域竖向布置作实验的标准单元。 这个复杂结构的节点计算由卡努比欧的IPL工作室完成。屋顶是铺在拱架间的7块双曲抛物面形状的膜，这些膜是由表面涂有 PVC层的聚脂纤维制成。 整座建筑通过一条穿过水池的路与外界取得联系，这条路的路面中间是灰色混凝土，由小石子镶边。由于试验基地的安全需要，整个帐篷需要密封，室内通风是用两个风扇来解决的（一个吸入新鲜空气并进行再

29、处理，另一个排出废气）。这两个风扇被付别安置在帐篷的两端。夜晚照明由帐篷外的投映灯提供。 格林威治千年穹顶，英国 MILLENNIUM DOME, GREENWICH, UK, 1999 建筑设计: 理查德.罗杰斯事务所 Architects:Richard Rogers Partnership 结构设计：布罗.哈波尔德 Structural Engineers:Buro Happold 千年穹顶的建造地点是千年庆典委员会在1996年2月从英国参与角逐的 57个地点中选定的，位于伦敦泰晤士河畔的格林威治半岛北端,面积大约20万m2；其上是一个已遗弃了20多年的煤气站。 为满足千年庆典的功能要求，此场地应规划一个 18000m2广场篷顶和迎宾场所、停车场、河边步道、码头及主体结构-100000m2的穹顶，将容纳千年庆典的大部分展览和庆祝活动。庆典于1999年12月31日开始，至少进行一年。 穹顶周长为1km，直径365 m，中心高度为50m，它由超过70km的钢索悬吊在12根100m高的钢桅杆上。屋顶由带PTEE涂层的玻纤材料制成。在穹顶的中心是一个灵活的、极富戏剧性空间效果的中心舞台。 现场施工从