膜结构建筑的结构特点与分类

3.2　膜结构建筑的结构特点与分类

膜结构建筑突出的结构特点有两个:第一，它是由刚性和柔性两种材料共同完成的，这与其他所有建筑结构形式均为刚性材料的“硬派”形象有很大的不同;第二，各结构构件之间是通过“力”的平衡，来达成结构的稳定性的。从而，使得膜结构建筑成为“力”与“美”的化身。

利用薄的膜材进行设计以达到安全而合理，是膜结构建筑结构设计的关键，要求建筑师要与结构工程师相互配合，共同确定膜结构的外形及结构。

3.2.1　膜结构的分类及特点

众所周知，一般结构都是由梁、柱支撑楼板、屋面板，上面覆盖隔热、防水层等，这些覆盖材料皆不承受结构力。但膜结构建筑中的膜本身就承受活荷载，包括风压、温度应力等，膜既是覆盖物，亦是结构的一部分。

膜结构建筑按照其结构的组成，可划分为支撑体系和覆盖体系两部分。支撑体系部分与一般结构体系相同;而覆盖体系部分，因存在“预张力”和使用轻型膜材而与众不同。

对于膜结构建筑类型大致分别以支撑体系的不同或覆盖体系的不同两种方式分类。无论哪种分法，膜结构建筑在结构上的特点都是统一的，即支撑体系和覆盖体系相得益彰，充分体现了刚性的支撑结构和柔性的覆盖结构各自的特色，并使之在建筑的形态和个性表达上完美结合，刚柔并济。

膜结构建筑的特点如下。

1.更自由地塑造建筑形体

多变的支撑结构和柔性膜材使建筑物造型更加多样化，色彩、质感更加丰富，使结构之美与建筑之美融为一体。

2.更好的经济效益

膜结构建筑屋面重量仅为常规钢屋面的1/ 30，这就降低了墙体和基础的造价。同时膜结构建筑奇特的造型和夜景效果有明显的“建筑可识性”和商业效应，其价格效益比更高。

3.更短的施工周期

膜结构工程中所有加工和制作依设计均可在工厂内完成，在现场只进行安装作业。比一般建筑的施工周期缩短近一倍。

4.更低的能源损耗

膜材有较高的反射性及较低的光吸收率，且热传导性较低，降低了屋面太阳的辐射温度。另外，膜材具有透光性，使白天适当的自然漫散射光能够照亮室内，从而降低了能源损耗。

5.更大跨度的建筑空间

由于自重轻，膜结构建筑可以跨度较大而不需要内部支撑，这样便于内部空间的布局和更灵活的设计。

3.2.2　以支撑结构分类

首先，我们以支撑体系的结构形式，对膜结构建筑的结构进行分类。

3.2.2.1　钢结构支撑膜结构

用于支撑膜结构的钢结构大致分为钢框架结构和钢桁架或网架结构两种。

钢框架结构:采用框架梁柱系统，柱间距一般为8米左右，建筑造型基本按结构要求。

钢桁架或网架结构:采用空间桁架或网架结构作为支撑体系，屋顶为斜坡式、平板式或圆拱式，多用于大跨度的无柱空间，跨度范围极广。

3.2.2.2　钢缆(钢索)结构支撑膜结构

将钢索结构加上预应力，使得原来应是受压的杆件变成了张力件，由此压力杆件的数目减少，从而可以形成非常轻巧的穹顶结构或其他造型结构。在形态上，钢缆纤细轻盈的外观，也增添了建筑结构的机械美感，并带来了建筑形态上的丰富多样性。钢框架结构自身重量随跨度加大而增加，但在钢缆(钢索)结构系统中，单位重量保持不变。这在结构学的理论上，是一个突破。因此，这种支撑结构有着广泛的用途和广阔的前景。

如今被越来越广泛地应用于大跨度建筑的钢索穹顶结构，其特点如下。

1.单位重量轻

一般说来跨度在70～300米之间时，其自重(包括所有构件)约在0.147～0.245千牛/米²范围内。而且无论跨距多大，单位面积自重都不会超过2.45千牛/米²。

2.形状多样化

通常做大跨距结构都是用圆形拱顶，但钢索穹顶可有许多选择。

3.屋顶面材有多种选择

钢索穹顶是张力拱，可以选用任何块状屋面材料，如钢板、玻璃、结构膜等。一般都将钢索穹顶和结构膜联想在一起，但并非必然如此。钢索穹顶的结构系统，亦可配以其他屋面建材，如钢板、玻璃等，结构自重不会超过0.196千牛/米²，是一项高功效、多用途的新技术。

4.施工方便、工期短

因为单位面积重量轻，用的施工机具及吊装设备较小，大部分钢索、杆件都在地面组装，只要将斜拉索张拉，即可将整个屋顶逐渐举起，几乎不需临时支架。

5.维护成本低

大型屋顶遇到的最大问题是漏雨，通常传统的拱形屋顶，因受日照及其他气候因素影响，屋面材料5～7年就会老化。一般情况下屋顶越大，漏雨问题越不好处理。如果钢索穹顶和结构膜同时使用，则可较好地解决漏水问题，张力膜紧绷在张力钢索网上，热胀冷缩只会使膜的预应力略为加减，而不会遭到破坏。

永久性的结构膜，因为有特氟隆面层，可吸收紫外线，故老化现象十分缓慢，保守而合理的推断可连续使用40～50年。最早建造的位于圣塔·巴巴拉的加州大学的此类膜结构已有28年，如今依然完好如新。因为不老化，故维护成本低，十分经济。

6.防风，抗震，防火，抗酸、碱、盐

永久性膜的单位张力在980牛/厘米以上，可抗飓风。表面涂料及布心的玻璃纤维，皆为非燃烧体。因为自重只及钢拱屋顶的1/12，故对地震水平力的减低甚为可观。特氟隆涂料的化学稳定性，对任何强酸、碱、盐皆无反应。3.2.2.3混凝土复合结构支撑膜结构

混凝土复合结构，即混凝土结构主体配合其他结构，共同构成完整的结构支撑体系。通常，复合结构有钢拱、钢索、钢柱等，它们的共同点是混凝土结构主体决定建筑平面的形式，建筑外观体现了强烈的冲突和对比。有下列几种类型。

1.混凝土结构主体加钢拱

这种支撑体系在某种程度上经济、实用，外表朴实稳重，内部一样可以形成开阔的空间。混凝土主体结构决定了平面的形式，膜结构的屋顶加强了材料和体量之间的对比，形成特殊的视觉效果。同时，钢拱用于屋顶支撑，形状和空间效果同样具备丰富性，可有许多变化，但拱的形态和间距依使用的膜材强度、设计荷载、风力等因素确定。

2.混凝土主体结构加钢索

混凝土主体结构解决了承重的主要问题，而钢索解决膜布的固定和张拉问题，成为覆盖体系和支撑体系之间的有效过渡。脊索为上弯，位于膜布下面，谷索为下弯，位于膜布上面。两种钢索的弯向相反张拉后造成相反方向的垂直力，使膜布受到垂直方向的张力，膜布中水平方向的张力由直接张拉形成，并最终与混凝土结构主体衔接。

3.混凝土主体结构加钢柱

在这种支撑结构中，混凝土和钢柱共同担任了承重的角色，只不过在具体情况下有着不同的分工和侧重。可以说它们建立的稳定结构依然是一般建筑中的支撑体系。

3.2.2.4　木结构支撑膜结构

在现代建筑中，木结构建筑由于原材料的缺失和耐久性的问题已不再是主流，但木材这种天然建材独具的温暖、亲和、自然的魅力，在人们的印象中始终无法磨灭，因此木结构建筑今天依然会以小品或是温馨的度假建筑的身份出现。

膜结构建筑与木结构的结合，很大程度上源于人们对于木材的偏爱。在这种结构中，木结构通常以金属铆接的方式建立，作为支撑体系，木结构有其独有的优良结构性能，它比混凝土轻盈、比钢结构温暖，使其在外观上具有不可比拟性。

今天，以木结构作为支撑体系的膜结构建筑，以各种形式出现在现代城市的建设舞台上。小到公园中的小品和标志，大到屋顶可开合的室内体育馆，都有它的身影出现。(如图3.16所示)

3.2.3　以覆盖体系分类

以覆盖体系与支撑主体结合的不同方式进行分类，可把膜结构建筑大体分为:张拉式膜结构、充气式膜结构和骨架式膜结构三种基本形式。(如图3.17(a)、(b)、(c)所示)

3.2.3.1　张拉式膜结构

张拉式膜结构可谓膜结构的代表。由于其建筑形象的可塑性和结构方式的高度灵活性和适应性，此种方式的应用极其广泛。有人又将张拉式再分为索网式、脊谷式等。张拉式索膜体系富于表现力、结构性能强，但造价稍高，施工精度要求也高(如图3.18所示)。

图3.16　木制支撑膜结构凉亭

图3.17(a)　张拉式膜结构

图3.17(b)　充气式膜结构

图3.17(c)　骨架式膜结构

张拉式整体结构(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、自支撑的网状杆系结构，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。张拉式结构是美国建筑师富勒首先提出的一种结构概念，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力网，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。

图3.18　张拉式膜结构建筑

张拉式膜结构(Tensioned 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，建筑物的体形显现出梦幻般的效果。

张拉式膜结构特别适合用来组建体育与娱乐性场馆及需有广告效应的商场、餐厅和小品建筑等。城市中的关键性建筑的使用功能要求建筑物各组成单元的标志明确。因而近来年，这类建筑越来越多地采用张拉式膜结构。

3.2.3.2　充气式膜结构

充气式膜结构建筑历史较长，其充气概念的产生是膜结构建筑发展的起点。但因其在使用功能上的明显局限性，如形象单一、空间要求气闭等，使其应用范围相对较窄。但充气式索膜结构体系造价较低，施工速度快，在特定的条件下又有其明显的优势。(如图3.19所示)

充气式膜结构多用于大跨度的建筑。用钢索加上膜布，可以做成大跨度的巨型屋顶。这种建筑，结构简单，施工方便，造价低，无需维修。但因需常年维持封闭，进出较不便。由于膜结构需要精确的设计及剪裁，以达到理想的效果，大卫·盖格和哥伦比亚大学的同僚迈克·马克麦克和约塞夫·赖特共同开发了非线性钢索计算程式，为充气式大型膜屋顶结构设计奠定了基础。1973—1978年间，在世界各地一连建造了12座气撑式膜结构大型室内体育馆，与同时期落成的其他球场比较，这些膜结构的体育馆不但价格便宜，而且施工速度快。面积40 000米²的银顶球场的屋顶只用了不到一年即全部完成，为世界最大之室内体育馆。

图3.19　充气式膜结构

3.2.3.3　骨架式膜结构

骨架式膜结构建筑常在某些特定的条件下被采用，是由于其结构方式本身的局限性:骨架体系自平衡，膜体仅为辅助物，膜体本身的强大结构作用发挥不足等，有人将其称之为二次重复结构。骨架式膜结构膜体系建筑表现含蓄，结构性能有一定的局限性，造价低于张拉式体系。(如图3.20所示)

图3.20　骨架式膜结构

对于精于一般建筑设计的建筑师来说，把握膜结构设计中膜材预张力和形态之间的关系，是一个难点。人们曾担心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，而必须由前期设计确定，其形态必须用索或钢构来支撑。因此，具有框架的膜结构，即骨架式膜结构，膜布被拉到经过计算的钢、木或钢筋混凝土框架上，这个方法使习惯于一般建筑设计的建筑师在实现膜结构建筑上相对简便易行。

以上三种膜结构方式在建筑中也常常综合运用，称之为复合式膜结构，常可在满足需求的基础上，取得更富于变化的建筑效果而被广泛应用。(如图3.21所示)

图3.21　复合式膜结构

3.2.4　膜结构建筑的结构设计要点

3.2.4.1　结构设计中的预张力

前文已经提到，膜结构建筑的结构特点是“刚柔并济”，其他建筑结构与建筑形态之间的矛盾，在膜结构建筑中变为协调和统一。深入探究，我们会发现膜结构建筑的结构体系区别于其他结构的根本之处在于，结构体系中存在预张力。无论是小型的膜结构还是大跨度的自由空间，膜结构建筑的结构技术核心就是其有效的空间预张力系统。

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。

有人把膜结构建筑称为“预应力软壳”，是预张力使“软壳”各个部分(索、膜)在各种最不利荷载下的内力始终大于零(永远处于拉伸状态)，从而使“软壳”成为空间整体工作的结构媒体和建筑围合材料，双栖于建筑与结构两界。

可见，预张力在膜结构建筑中的作用如下。

(1)使膜结构建筑富有迷人的张力曲线和变幻莫测的空间。

(2)使整体空间结构体系得以协同工作。

(3)使体系能够得以覆盖大面积、大跨度的自由空间。

(4)使体系得以抵抗狂风、大雪等极不利的荷载状况。

(5)使膜材减少磨损，延长使用寿命，成为永久建筑。

(6)使建筑得以顺畅排水。

(7)使建筑成为“可上人屋面”，为检修提供便利条件。

预张力不是在施工过程中可随意调整的“安装措施”，而是在设计初始阶段就需反复调整确定的，这是在设计与施工全过程中务必确保的关键。从这个意义上讲，没有经过精心设计的适当预张力措施的膜体覆盖物，就不属于膜结构建筑范畴。

3.2.4.2　结构设计要点

膜结构建筑方案实质上也是膜结构体系方案，方案起始于膜结构的初步思考。建筑师必须对膜结构体系有较深刻的理解，明白结构体系的工作原理，重点是要明确结构对建筑的要求，同时还要在设计中综合考虑如下内容。

(1)体系受力是否均匀(可用设计软件进行初步成型检验)，根据控制荷载来确定膜片的大小和索的布置方式。

(2)保证体系在预张力的适当控制下(可用设计软件进行初步计算检验)，通过计算确定预张力的大小及张拉方式。

(3)合理选择预张力施加机构的设置位置及方式，能使预张力顺畅地向各方向传递，在保证预张力施加机构正常工作的同时满足视觉和使用功能要求(根据经验与结构工程师反复协商确定)。

(4)避免过大推力或拉力，以免使相关结构难以承受(可用设计软件进行初步计算并找出最不利反力发生的位置)。

(5)可使体系各点在最不利荷载下避免产生过大的位移以至影响建筑的正常使用。

(6)各基础及锚座的位置和尺寸是否满足视觉美学要求和功能使用要求，并应特别注意各拉锚点的合理位置，不至于影响人行或车行交通。

(7)保证合理顺畅的排水，合理选择无组织排水或有组织排水方式。应特别注意，膜结构建筑的排水坡度要求大于一般建筑(可用设计软件或根据经验判断)。

(8)从结构受力、加工制作和视觉效果等方面综合考虑膜材焊缝的布置和走向。

(9)考虑关键节点的位置及预张力施加机构的设置位置，避免应力集中的同时考虑其对建筑整体效果的影响。

(10)考虑索膜边界的构造做法及对建筑整体效果的影响。

(11)保证各节点的防水构造措施合理有效，保证膜材的耐久性与防火性能。

(12)适当考虑合理的保温隔热措施，组织有效的自然通风和排气，最大程度地降低使用能耗。

(13)考虑施工环节的合理化，包括膜材的运输和吊装，简化膜与支撑结构间的连接节点，降低现场施工量。

从上述各点可明显看出，膜结构建筑方案设计的过程是一个复杂、系统的设计过程，事实上与膜结构设计和技术设计紧密相连、不可分割。膜结构建筑事业的发展需要大批熟悉膜结构建筑设计、了解膜结构技术并能熟练地运用来进行建筑创作的专业建筑师。如果索膜建筑方案只能依靠膜结构工程师或制作商来完成，那么膜结构建筑必将流于“流水线”式样，其多样、创新的生命潜质将被湮灭。因此，加强建筑师和结构设计师在设计上的合作是膜结构建筑设计的必由之路。