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漫谈膜结构
 
来源:《世界の膜构造デザイン》 作者:石井一夫 日期:[2005-10-28]


    二、结构设计在膜结构中的作用

    利用薄的膜材进行设计以达到安全而合理是结构设计的关键,一个只熟悉传统建筑的建筑师来设计膜结构就很难理解和表达膜材所特有的性能。因此,在膜结构发展之初,结构设计师比建筑设计师的作用还大。

    美国GeigerBerger公司在膜结构设计史上是先驱,留下了许多作品。发展了充气膜和张拉整体索穹顶,加上新膜材的使用,使其处于世界最前沿。其主要负责人DavidGeiger创造了第一个索穹顶结构—圣奥林匹克的体操馆和击剑馆,可惜因疲劳过度于1989年去世。HorstBerger参与了1989年SanDiego解放中心、1994年Denver国际机场旅客集散中心等工程。Weidlinger公司又成功地运用超张拉整体穹顶覆盖大空间。Birdair公司负责建造了英国千年穹顶、上海八万人体育场、亚特兰大佐治亚穹顶、沙特阿拉伯利雅得体育场、红鸟体育场、罗马的奥林匹克体育馆等工程,Skyspan公司则建造了世界上最高(320m高)的ArabianTower旅馆、GottliebDeimler体育场等工程。

    日本结构设计师也推动了膜结构的发展。日建设计部和竹中工务店设计部设计的东京穹顶(1988)和鹿岛建设设计部设计的AkitaSkydome(1990)、Izumo穹顶(1992)都适应了日本的气候。太阳工业株式会社发展了许多膜结构的技术,包括结构设计、建筑设计和施工,奠定了其作为专业技术公司为结构设计师和建筑设计师提供支持的地位。膜结构在日本广泛应用,建筑师在设计中更灵活,膜在整个建筑表现上占有重要地位。日本的膜结构设计正在由结构设计向建筑设计转变。

    欧洲的膜结构设计始于FreiOtto领导下的轻型结构所并拓展了膜结构的范围。随着膜结构的逐渐应用,一批结构设计事务所活跃起来。OveArup公司是二十世纪最有名的设计事务所中的一个,设计了许多独特的结构,成为膜结构设计领域的领头羊,参与了欧洲主要膜结构如Schlumberger大学研究中心和SanNicola体育馆等工程。SchlaichBergerman公司也设计了许多膜结构的设计,并以轻巧而著名,GottliebDaimler体育馆和GerryWeber中心法院(1994)尤其表明了其独特的设计方法,其轻快的设计体现了膜结构的基本特性。还必须指出,IngenieurplanungLeichtbau公司也是一家专门的膜结构公司,以1992年的Seville博览会德国馆为代表,但其负责人HaraldMuhlberger在94年死于交通事故。

    中国较早的专业膜结构公司有北京市光翌空间膜技术工程有限公司,代表作品有杭州游泳馆、广州黄埔体育场、深圳大学体育场、威海体育中心、海南博鳌亚洲经济论坛主会场、郑州航海体育场等。北京纽曼帝莱蒙膜建筑技术有限公司也是一家较早的专业膜结构公司,工程有浙江义乌体育场、青岛颐中体育场、烟台体育场等。此后,又有一批膜结构公司如雨后春笋般涌现出来,但与国外相比还存在较大差距。

    三、结构体系和膜材

    膜结构建筑是指利用膜材特性而建起来的建筑。支承膜结构的可以是框架,也可以是索。如果用膜本身作为结构材料,则该材料有限的强度决定了该结构只能是小尺寸的。在大型结构中膜必须用某种方法加强一下,或与其他构件组合。但是膜材与别的屋面材料不同,一般来说,膜形成曲面,且膜材能抗拉,但不能抗压或抗弯。膜结构要用合理和正确的方法来张拉。在持续均匀的张拉下,整个结构的刚度增加了。膜材的徐变特性使在任意的张拉状态下也会随时间的推移渐渐地趋向等张力状态。因此从开始就设计一个等张力形态会有更大的稳定性。

    人们曾害怕膜结构形态仅由力学来确定,而缺乏美学的考虑。但即使是由力学确定的曲面,其边界条件也不是无限制的,而必须由设计确定,其形态必须用索或钢构来赋予。具有框架的膜结构,膜被拉到钢、木或钢筋混凝土上,这个方法使习惯于传统建筑设计的建筑师在实现膜建筑上相对容易些。

    充气膜结构的想法最初是由气球而来。第一个构思用于该结构的人可能是英国的F.W.Lanchester。1917年他用充气膜建成一个战地医院而获得专利。但该结构用于实际中的是1946年建于美国的Radar穹顶。W.WBird建造了许多充气膜结构并对膜结构的发展做出了卓越的贡献。1967年在Stuttgart召开了IASS全球讨论会,使充气膜结构在全世界范围广泛流传。对充气膜结构提出了许多建议,这些都有助于制定这类结构的规范。

    从古代开始就有游牧民的圆顶帐篷,现在又发明了合成纤维或玻璃纤维。最近能增进膜的耐久性、防火性和防水性的涂层又得到发展,因此膜结构就能如同传统建筑一样持久、安全。膜结构又具有透光性、轻质、适于各种框架以跨越大空间的特点。但一片简单的膜材就能覆盖一个原来用传统结构方法或材料才能实现的空间,也意味着膜结构有诸如隔音、隔热和撕裂强度等问题,要知道膜结构也不是万能的。

    下面是膜材发展的年表:

    1933年——PVC(工业化)

    1938年——PTFE

    1947年——聚酯纤维(工业化)

    1972年——涂覆PTFE的玻璃纤维

    早年的膜材是可折叠的,但PTFE涂层的玻璃纤维膜象其他建材一样最好不折叠或打开,是永久性的建筑材料,具有不燃性、大强度和耐久性,与PVC相比它又具有自洁性,不易弄脏。这种材料的发展开辟了膜结构新的可能。与耐久性好的不锈钢一样成为一种永久性建筑材料,这是个划时代的发展。用该种材料建成的建筑物,特别是大的体育场,在七十年代开始广泛地建造。最初人们担心玻璃纤维是不耐久的,到一定时间会不完整,但用氟聚合物加强的这种膜材经过24年的时间仍保持足够的强度。另一种膜材是PVC涂层的合成纤维膜,成本低,又易折叠,也有较大的市场,但有耐久性和表面易脏等问题。

    膜结构一般用基于容许单位应力的设计方法。膜材的安全系数一般取4.0,这个值是令人满意的,因为它考虑了膜材可能引起的强度退化。从低成本的角度看,这个安全系数可能是人们能接受的最低值。过去一些膜建筑的事故表明膜材的撕裂导致结构垮掉往往是一些结构计算并没有考虑进去的局部因素导致撕裂。因此膜结构的安全很大程度上取决于设计细节。 

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