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何以成就“膜”幻建筑――膜結(jié)構(gòu)采光頂探析

作者：鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)    
時間：2009-12-23 10:03:32 [收藏]


    　　膜結(jié)構(gòu)建筑的發(fā)展依賴于膜材的技術(shù)革命和施工技術(shù)發(fā)展。從歷史角度來看，材料技術(shù)的革命為建筑帶來越來越多的創(chuàng)意，也帶來無窮無盡的高要求。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，無一例外地要求材料創(chuàng)新，而每次材料革命又給建筑學添加更多新的創(chuàng)作語言。

    　　結(jié)構(gòu)膜材的性能

    　　用于膜結(jié)構(gòu)中的高強度柔韌性薄膜稱為膜材，結(jié)構(gòu)膜材有織物膜材和箔片膜材兩大類。目前，織物涂層膜材是主流材料，它是一種耐用、高強度的涂層織物，由織物和涂層復合而成，具有質(zhì)地柔韌、厚度小、重量輕、透光性好的特點。對自然光有反射、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

    　　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，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，膜結(jié)構(gòu)的設計也迥異于傳統(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：

    　?。?）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或幾個數(shù)量級，單位面積的結(jié)構(gòu)自重也不會隨規(guī)模、跨度的增加而明顯增加。抗震性、耐候性好，使用壽命長。

    　?。?）造型優(yōu)美，富有時代氣息。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)美的重要設計內(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，因此又被稱為藝術(shù)采光頂或藝術(shù)外維護結(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)場只是鋼索、鋼結(jié)構(gòu)及膜片的連接安裝及張拉的過程，故在現(xiàn)場的施工安裝比較文明，且安全快捷。

    　?。?）經(jīng)濟效益明顯。就目前來看，膜結(jié)構(gòu)采光頂可能第一次投資稍大，但由于此類結(jié)構(gòu)的日常維護費用少。因此，膜結(jié)構(gòu)采光頂?shù)慕?jīng)濟優(yōu)勢與規(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，使用壽命可長達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，防火性優(yōu)，自重輕，抗震性能好。膜材是柔性面材，不像玻璃容易破碎，無墜落傷人之憂,膜結(jié)構(gòu)采光頂也不會有整體倒塌之慮。

    　　膜結(jié)構(gòu)采光頂?shù)慕ㄖ?

    　　1． 膜面雨水的排放

    　　膜結(jié)構(gòu)采光頂應有足夠的坡度以妥善解決排水和積雪問題，以免引發(fā)重大工程事故。通常，膜面的坡度應不低于1:10。多數(shù)膜結(jié)構(gòu)采用無組織排水方式，此時應注意雨水對地面和墻面的污染。利用建筑物自身的某些形狀特點，可設置有組織排水。

    　　2． 防火與防雷

    　　PTFE膜材是不可燃材料，PVC膜材是阻燃材料。對于永久性建筑，宜優(yōu)先選用不可燃類膜材。當采用阻燃類膜材時，應根據(jù)消防部門的要求采取適當措施。例如，應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。這一特點使得膜結(jié)構(gòu)特別適用于體育館、展覽廳和天井等對采光要求較高的建筑物。當采用內(nèi)部照明時，燈具與膜面應保持適當距離，以防止燈具散發(fā)出的熱量將膜面烤焦。

    　　4． 聲學問題

    　　膜結(jié)構(gòu)的聲學問題包括對內(nèi)部聲音的反射和對外部噪聲的屏蔽兩方面?？椢锬げ膶β暡ㄕ駝泳哂泻軓姷姆瓷湫裕@種反射性會使音樂聲音變得惡劣，并使人很難聽清講話內(nèi)容。對于某些具有內(nèi)凹面的建筑，如充氣膜結(jié)構(gòu)或拱支式膜結(jié)構(gòu)，頂棚會使聲波反射匯集。另外，聲波穿過織物膜材時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牌，以增加對聲波的吸收，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

    　　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于夾層玻璃，故僅適用于敞開式建筑或氣候較溫暖的地區(qū)。當對建筑物的保溫性能有較高要求時，可采用雙層或多層膜構(gòu)造。一般兩層膜之間應有25cm~30cm的空氣隔層，還應該注意解決內(nèi)部結(jié)露問題。當用于游泳池、植物園等內(nèi)部濕度較大的建筑時，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、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)與周圍環(huán)境的協(xié)調(diào)除了要在建設場地、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?

    　　1. 德國慕尼黑安聯(lián)體育場

    　　德國慕尼黑安聯(lián)體育場的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膜抗拉強度52MPa。

    　　安聯(lián)體育場是慕尼黑兩支俱樂部足球隊的共同主場。為此，菱形紋理的ETFE外表覆膜提供了一種巧妙的設計，膜下的兩種氣囊在不同球隊主場作戰(zhàn)時會分別發(fā)出紅色、藍色的光芒，非球隊賽事時，它是白色的。因此，通過建筑的燈光變幻遠遠便可知道是誰在主場比賽，甚至可以知道主隊進球了?？釔圩闱虻牡聡诉€提議在主隊進球時，外表燈光可以加強一些。

    　　2. 東京穹頂

    　　東京穹頂，綽號“巨蛋”，是日本為了適應不同氣候變化而建造的第一個氣承式體育館。穹頂跨度超過200m，包括了1240000m3的室內(nèi)空間，這個超大空間，全年都開放空調(diào)設備，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計是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?、強度大、使用年限長、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

    　　威海市體育場平面尺寸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)特點是由34個連成一體的、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，膜單元懸挑長度17m~30m。

    　　4. 國家游泳中心――“水立方”

    　　國家游泳中心又被稱為“水立方”，位于北京奧林匹克公園內(nèi)，是2008年北京奧運會的主游泳館，也是2008年北京奧運會標志性建筑物之一。國家游泳中心規(guī)劃建設用地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的輕型聚合體膜實際上是ETFE膜，它不僅具有很好的熱學性能和透光性，而且能夠積蓄20%的太陽能，并可以用來為水加溫，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，其設計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、美國、日本等發(fā)達國家已經(jīng)歷了三十多年的發(fā)展。在我國，這種新結(jié)構(gòu)技術(shù)發(fā)展勢頭也較猛，新穎的建筑構(gòu)思與先進的結(jié)構(gòu)技術(shù)還將進一步為人們創(chuàng)造更多優(yōu)秀建筑。
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