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何以成就“膜”幻建筑??膜結(jié)構(gòu)采光頂探析

作者：建筑鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)    
時(shí)間：2009-12-22 20:26:10 [收藏]


    　　膜結(jié)構(gòu)建筑的發(fā)展依賴(lài)于膜材的技術(shù)革命和施工技術(shù)發(fā)展。從歷史角度來(lái)看，材料技術(shù)的革命為建筑帶來(lái)越來(lái)越多的創(chuàng)意，也帶來(lái)無(wú)窮無(wú)盡的高要求。從現(xiàn)代主義到后現(xiàn)代主義，再到解構(gòu)主義建筑理論，甚至所謂混沌理論，無(wú)一例外地要求材料創(chuàng)新，而每次材料革命又給建筑學(xué)添加更多新的創(chuàng)作語(yǔ)言。

    結(jié)構(gòu)膜材的性能

    　　用于膜結(jié)構(gòu)中的高強(qiáng)度柔韌性薄膜稱(chēng)為膜材，結(jié)構(gòu)膜材有織物膜材和箔片膜材兩大類(lèi)。目前，織物涂層膜材是主流材料，它是一種耐用、高強(qiáng)度的涂層織物，由織物和涂層復(fù)合而成，具有質(zhì)地柔韌、厚度小、重量輕、透光性好的特點(diǎn)。對(duì)自然光有反射、吸收和投射能力，難燃或阻燃，具有良好的耐久、防火、氣密等特性；抗老化性好，具有較好的自潔性能。

    膜結(jié)構(gòu)采光頂?shù)膬?yōu)點(diǎn)

    　　膜結(jié)構(gòu)是一種非傳統(tǒng)的全新結(jié)構(gòu)形式，膜結(jié)構(gòu)采光頂根據(jù)結(jié)構(gòu)形式可分為三類(lèi)，即骨架式膜結(jié)構(gòu)采光頂、充氣式膜結(jié)構(gòu)采光頂和張拉式膜結(jié)構(gòu)采光頂。其實(shí)，膜結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)也迥異于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，要求建筑師與結(jié)構(gòu)工程師緊密配合、相互協(xié)作。一般而言，膜結(jié)構(gòu)屋頂與傳統(tǒng)的建筑屋頂相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：
    　?。?）自重輕。膜結(jié)構(gòu)采光頂要比傳統(tǒng)玻璃、鋁板等建筑采光頂輕一個(gè)或幾個(gè)數(shù)量級(jí)，單位面積的結(jié)構(gòu)自重也不會(huì)隨規(guī)模、跨度的增加而明顯增加?？拐鹦浴⒛秃蛐院?，使用壽命長(zhǎng)。
    　?。?）造型優(yōu)美，富有時(shí)代氣息。膜結(jié)構(gòu)的優(yōu)美造型是力平衡后自然形成的，“找形”是膜結(jié)構(gòu)采光頂建筑藝術(shù)美的重要設(shè)計(jì)內(nèi)容，是由建筑師和結(jié)構(gòu)工程師共同完成的，打破了傳統(tǒng)的“先建筑，后結(jié)構(gòu)”的做法。膜結(jié)構(gòu)采光頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)與造型、技術(shù)與藝術(shù)得到了完美的結(jié)合和高度的統(tǒng)一，因此又被稱(chēng)為藝術(shù)采光頂或藝術(shù)外維護(hù)結(jié)構(gòu)。
    　?。?）施工速度快。膜片的裁剪制作、鋼索和鋼結(jié)構(gòu)的制作均在工廠內(nèi)完成，在施工現(xiàn)場(chǎng)只是鋼索、鋼結(jié)構(gòu)及膜片的連接安裝及張拉的過(guò)程，故在現(xiàn)場(chǎng)的施工安裝比較文明，且安全快捷。
    　?。?）經(jīng)濟(jì)效益明顯。就目前來(lái)看，膜結(jié)構(gòu)采光頂可能第一次投資稍大，但由于此類(lèi)結(jié)構(gòu)的日常維護(hù)費(fèi)用少。因此，膜結(jié)構(gòu)采光頂?shù)慕?jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)與規(guī)模、跨度和技術(shù)難度成正比的，大跨度建筑及高層建筑中其成本只是玻璃的2/3，使用壽命可長(zhǎng)達(dá)25年。易建、易拆、易更新。
    　　（5）安全可靠。膜材料一般都是阻燃材料，防火性?xún)?yōu)，自重輕，抗震性能好。膜材是柔性面材，不像玻璃容易破碎，無(wú)墜落傷人之憂(yōu),膜結(jié)構(gòu)采光頂也不會(huì)有整體倒塌之慮。

    膜結(jié)構(gòu)采光頂?shù)慕ㄖ?br />
    　　1． 膜面雨水的排放
    　　膜結(jié)構(gòu)采光頂應(yīng)有足夠的坡度以妥善解決排水和積雪問(wèn)題，以免引發(fā)重大工程事故。通常，膜面的坡度應(yīng)不低于1:10。多數(shù)膜結(jié)構(gòu)采用無(wú)組織排水方式，此時(shí)應(yīng)注意雨水對(duì)地面和墻面的污染。利用建筑物自身的某些形狀特點(diǎn)，可設(shè)置有組織排水。
    　　2． 防火與防雷
    　　PTFE膜材是不可燃材料，PVC膜材是阻燃材料。對(duì)于永久性建筑，宜優(yōu)先選用不可燃類(lèi)膜材。當(dāng)采用阻燃類(lèi)膜材時(shí)，應(yīng)根據(jù)消防部門(mén)的要求采取適當(dāng)措施。例如，應(yīng)保證建筑物的頂棚與地板之間的距離在8m以上，并且避免膜材及其連接件與可能存在的火源接觸。建于建筑物頂層或空曠地段的膜結(jié)構(gòu)要采取防雷措施。
    　　3． 采光
    　　膜材的采光性較好，在陽(yáng)光的照射下，由于漫散射的作用，使建筑物內(nèi)部呈現(xiàn)明亮效果，因而在白天通常不需要照明。這一特點(diǎn)使得膜結(jié)構(gòu)特別適用于體育館、展覽廳和天井等對(duì)采光要求較高的建筑物。當(dāng)采用內(nèi)部照明時(shí)，燈具與膜面應(yīng)保持適當(dāng)距離，以防止燈具散發(fā)出的熱量將膜面烤焦。
    　　4． 聲學(xué)問(wèn)題
    　　膜結(jié)構(gòu)的聲學(xué)問(wèn)題包括對(duì)內(nèi)部聲音的反射和對(duì)外部噪聲的屏蔽兩方面。織物膜材對(duì)聲波振動(dòng)具有很強(qiáng)的反射性，這種反射性會(huì)使音樂(lè)聲音變得惡劣，并使人很難聽(tīng)清講話內(nèi)容。對(duì)于某些具有內(nèi)凹面的建筑，如充氣膜結(jié)構(gòu)或拱支式膜結(jié)構(gòu)，頂棚會(huì)使聲波反射匯集。另外，聲波穿過(guò)織物膜材時(shí)的衰減也是需要考慮的，通常單層膜的隔聲性能僅在10dB左右。一種較為可行的方法是在膜結(jié)構(gòu)頂棚上每隔一段距離懸掛一些標(biāo)牌，以增加對(duì)聲波的吸收，并改變頂棚的曲線造型，從而改變反射方向。
    　　5． 隔熱、保溫與通風(fēng)
    　　膜結(jié)構(gòu)建筑的保溫隔熱性能較差，目前廣泛采用的膜材還不能較好地隔絕外部溫度的影響。單層膜材的保溫性能大致相當(dāng)于夾層玻璃，故僅適用于敞開(kāi)式建筑或氣候較溫暖的地區(qū)。當(dāng)對(duì)建筑物的保溫性能有較高要求時(shí)，可采用雙層或多層膜構(gòu)造。一般兩層膜之間應(yīng)有25cm~30cm的空氣隔層，還應(yīng)該注意解決內(nèi)部結(jié)露問(wèn)題。當(dāng)用于游泳池、植物園等內(nèi)部濕度較大的建筑時(shí)，濕空氣接觸膜內(nèi)表面易產(chǎn)生結(jié)露，可采取室內(nèi)通風(fēng)、安裝冷凝水排出口或安裝空氣循環(huán)系統(tǒng)等措施。
    　　6． 與環(huán)境協(xié)調(diào)
    　　膜結(jié)構(gòu)與周?chē)h(huán)境的協(xié)調(diào)除了要在建設(shè)場(chǎng)地、建筑造型、膜材料的選擇（如色彩、質(zhì)地）等方面加以考慮之外，在細(xì)部處理上也要考慮與環(huán)境結(jié)合與協(xié)調(diào)。

    膜結(jié)構(gòu)采光頂?shù)湫凸こ?br />
    　　1. 德國(guó)慕尼黑安聯(lián)體育場(chǎng)
    　　德國(guó)慕尼黑安聯(lián)體育場(chǎng)的ETFE膜結(jié)構(gòu)幕墻和采光頂（又名“救生圈”），采光頂面積3800m2，幕墻面積2600m2，ETFE膜抗拉強(qiáng)度52MPa。
    　　安聯(lián)體育場(chǎng)是慕尼黑兩支俱樂(lè)部足球隊(duì)的共同主場(chǎng)。為此，菱形紋理的ETFE外表覆膜提供了一種巧妙的設(shè)計(jì)，膜下的兩種氣囊在不同球隊(duì)主場(chǎng)作戰(zhàn)時(shí)會(huì)分別發(fā)出紅色、藍(lán)色的光芒，非球隊(duì)賽事時(shí)，它是白色的。因此，通過(guò)建筑的燈光變幻遠(yuǎn)遠(yuǎn)便可知道是誰(shuí)在主場(chǎng)比賽，甚至可以知道主隊(duì)進(jìn)球了?？釔?ài)足球的德國(guó)人還提議在主隊(duì)進(jìn)球時(shí)，外表燈光可以加強(qiáng)一些。
    　　2. 東京穹頂
    　　東京穹頂，綽號(hào)“巨蛋”，是日本為了適應(yīng)不同氣候變化而建造的第一個(gè)氣承式體育館。穹頂跨度超過(guò)200m，包括了1240000m3的室內(nèi)空間，這個(gè)超大空間，全年都開(kāi)放空調(diào)設(shè)備，可以容納50000名壘球球迷或56000名觀眾觀看其他賽事。
    　　穹頂?shù)脑O(shè)計(jì)是180m2略顯方形的橢圓形，從一邊到最大弧度梁的距離為201m。矢跨比為0.124，整個(gè)結(jié)構(gòu)采用的是80mm的螺旋索。采光頂?shù)哪げ牟捎昧朔浪阅芎?、?qiáng)度大、使用年限長(zhǎng)、有特氟隆涂層的玻璃纖維材料，涂層厚度為0.8mm。
    　　3. 威海市體育場(chǎng)
    　　威海市體育場(chǎng)平面尺寸236m×205m，橢圓形，覆蓋面積15300m2，膜材為PVDF，用鋼量為22kg/ m2，于2001年12月建成。其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是由34個(gè)連成一體的、形狀漸變的單桅桿傘形膜單元組成。每一單元由單桅桿谷索、脊索、翼索、邊索及張力膜組成，膜單元懸挑長(zhǎng)度17m~30m。
    　　4. 國(guó)家游泳中心??“水立方”
    　　國(guó)家游泳中心又被稱(chēng)為“水立方”，位于北京奧林匹克公園內(nèi)，是2008年北京奧運(yùn)會(huì)的主游泳館，也是2008年北京奧運(yùn)會(huì)標(biāo)志性建筑物之一。國(guó)家游泳中心規(guī)劃建設(shè)用地62950m2，總建筑面積65000m2~80000m2，其中地下部分的建筑面積不少于15000m2，建筑整體尺寸是 177m × 177m × 30m?！八⒎健彼闹芨采w的輕型聚合體膜實(shí)際上是ETFE膜，它不僅具有很好的熱學(xué)性能和透光性，而且能夠積蓄20%的太陽(yáng)能，并可以用來(lái)為水加溫，調(diào)節(jié)室內(nèi)環(huán)境溫度，節(jié)能效果明顯。
    　　總而言之，膜結(jié)構(gòu)采光頂是一種非傳統(tǒng)的全新結(jié)構(gòu)形式，其設(shè)計(jì)與施工方式也迥異于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)。膜結(jié)構(gòu)技術(shù)在德國(guó)、美國(guó)、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)歷了三十多年的發(fā)展。在我國(guó)，這種新結(jié)構(gòu)技術(shù)發(fā)展勢(shì)頭也較猛，新穎的建筑構(gòu)思與先進(jìn)的結(jié)構(gòu)技術(shù)還將進(jìn)一步為人們創(chuàng)造更多優(yōu)秀建筑。



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