索膜建筑的找形与工程设计1

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膜结构体系起源于远古时代人类居住的帐篷（支杆，绳索与兽皮构成的建筑物）。 20世纪70年代以后，高强、防水、透光且表面光洁、易清洗、抗老化的建筑膜材料的出现，加之工程计算科学的飞速发展，索膜建筑结构体系东山再起，现已大量用于滨海旅游、博览会、文艺、体育等大空间的公共建筑上。日本东京室内棒球馆（Tokyo Dome“Big Egg”），美国的丹佛新国际机场候机大厅（Denver's Tenssile Roof）和亚特兰大奥运会主馆（Georgia Dome)，英国泰晤士河畔的千年穹顶（The Millennium Dome），均为世界瞩目的、采
用索膜结构体系建成的标志性建筑。此外，索膜材料己开始用于高层建筑结构体系中，近百米高的阿拉伯饭店（Arabian Tower Hotel）的设计，其正立面采用双层膜面替代玻璃幕墙。索膜建筑具有易建、易拆、易搬迁、易更新、充分利用阳光、空气以及与自然环境融合等特长，它是 21世纪“绿色建筑体系”的宠儿。
  现代索膜建筑的设计过程是把建筑功能、内外环境的协调、找形和结构传力体系分析、材料的选择与剪裁等集成一体。借助于计算机的图形和多媒体技术进行统筹规划与方案设计，再用结构找形、体系内力分析与剪裁的软件，完成索与膜的下料与零件的加工图纸。
  索膜建筑的施工过程可分为三阶段：在工厂内完成膜材的剪裁，初始粘合，钢索与膜面现场安装，拼合与初始成型，张拉定位索与顶升支撑杆对膜面施加预应力达到设计找形值。整个施工都由专业制造公司完成。
  目前，在全球范围内索膜建筑无论在工程界还是在科研领域均处于热潮中。索膜建筑的功能和使用领域的不断扩展，结构跨度或高度不断增大，形体日趋复杂由此引发的建筑与结构工程设计与施工领域中的诸多实际问题，均亟待工程师们去研究解决。目前，我国的国土与环境建设的高速发展，化工与纺织部正积极研制与生产建筑用膜材料，均为索膜建筑的应用提供了广阔天地。现将各类索膜建筑的找形分述如下：
1 充气式索膜建筑
  充气式索膜建筑分为气撑式与充气胎式两种。气撑式索膜建筑，是依靠送风系统向室内充气（超压）顶升膜面构成屋盖空间。充气胎式建筑，是由充气的胎式构件围合而成的建筑空间，室内无超压。本文仅介绍气撑式索膜建筑。
  气撑式索膜建筑的覆盖膜面处于张力状态时，合理的体型应是割球弧面（或近似割椭圆球弧面）。弧面的矢跨比受结构选型、建筑体型和功能的制约。国际充气膜设计规范规定弧面的矢跨比应小于0.75。气撑式膜面应有交叉的缆索约束其变形，底边嵌固在环形地梁或墙梁上。
  日本东京室内棒球馆充气式的索膜结构东京顶，其弧形膜面上的交叉钢缆索与聚四氟乙烯涂层玻璃纤维膜布,在 300PA的室内超压作用下呈现为圆弧膜面。穹顶的平面为边长 180m的正方形,四角为半径60m的内切圆弧，嵌固在钢筋混凝土的圈梁上。室内棒球馆面积4.6万m2。穹顶的矢跨比为0.124。气撑式膜建筑屋顶的设计荷载应考虑风和雪的作用,雪载可视为静压,风作用分为风速压（静压）和风振引起的动压。东京穹顶在考虑风雪共同作用时设计的室内最大超压为 900PA。作为气撑式膜建筑为保持室内的超压，还必须设置膜面融雪系统。棒球场大厅的外门均做成旋转密闭门。
  20世纪80年代后期至今，充气式膜建筑逐渐受到冷遇，其原因为充气膜结构需要不间断的能源供应，运行与维护费用高，室内的超压使人感到不适，空压机与新风机的自动控制系统和融雪热气系统的隐含事故率高。目前进行的超压环境下人体的排汗、耗氧与舒适性研究，若得到解决，充气式膜建筑仍有广阔的前景。  
2 空间张力膜建筑体系及其基本单元
  空间张力膜建筑体系的基本单元为双曲抛物面单元（鞍型单元）和类锥型悬链面单元（帐篷单元）。现代膜工程的开拓者德国建筑师奥托早期用试验方法把皂泡膜原理应用到膜面结构找形分析中，皂泡中任一点对任意轴的拉应力都相等，也就是等应力极小曲面。现代计算机软件可直接完成空间曲面结构找形分析。
  2．1双曲抛物面单元（鞍型单元）
  膜篷基本单元为正方形或棱形的膜布（膜布周边设约束边索），两对角点的高差由设计确定，当对四角张拉时即可找出双曲抛物面的空间形体，俗称鞍型膜面单元。
  世界著名的伯戴尔膜工程公司的入口雨篷是一个稍有变异的鞍型膜面单元。鞍型单元构成的屋盖易于排水，投影下的建筑空间可充分利用。澳大利亚某休养地中心庭园是用鞍型膜面群建造的遮阳篷，庭园内先竖起等距的钢桅杆，用钢索定位桅杆后张拉鞍型膜面群，中间张拉力相互平衡，周边由钢索将拉力传至地锚上。
  建筑师利用鞍型膜单元的组合可设计出丰富多彩的建筑形体与空间。德国的一个展览馆庭园内的圆形膜篷是由六个鞍型膜单元环状拼合，中心设环索，单元膜的外角用桅杆顶起，单元膜拼和的角用钢索拉在地锚上。
  2．2类锥型悬链面单元（帐篷膜单元）
  类锥型悬链面单元是由悬链线绕中心轴旋转围合而成的空间曲面，俗称帐篷膜单元。帐篷是人类早期用兽皮（膜）以最经济的材料构筑的建筑空间， 现代索膜结构延用并发展了它的构筑模式。帐篷膜 单元中心支撑杆挂起吊环，膜布嵌固于环上，周边 用定位杆和地锚索固定于地面或建筑的环梁上。与 鞍型膜面相比帐篷膜易筑成封闭的空间，帐篷膜单 元更易组合成群峰膜建筑。此外，支撑膜顶的吊环 改用建在室外的桅杆与钢索吊起，室内则为便于使 用的空旷大空间。
  索膜建筑与传统刚性建筑相比易变形，在风作 用下会出现颤动，因此帐篷膜顶的吊环，无论是室内顶起或是室外挂起，都应设计成允许位移的构件。 帐篷膜顶的吊环上应有防水顶帽，顶帽通常又设计 成通风罩。
  美国加州某教堂，高度12m，跨度26m，是一 栋典型的帐篷膜结构建筑。为使内部空间完整，它 采用三支反曲拱架替代中心支撑杆。它的平面设计 巧妙地把教堂功能需求与帐篷膜外周底部的锚拉相结合，地锚分别设在三支反曲拱脚与两拱间的外沿 角平分线上。帐篷膜的高耸立面造型与天国及上帝的理念相符，内部透入和谐的日光，曲线膜面与顶部的通风窗促使底部进入的新鲜空气自然导流。
  美国新丹佛国际机场候机楼的屋盖是由17对帐篷膜单元组成，宽67m，长274m，覆盖面积约1.8万m2。其帐篷膜单元的顶帽做法，能够使其在风力作用下，允许膜顶摆动。候机楼内因保温、隔热和吸音的要求，篷膜材为双层，间距 60cm。候机楼的周边是玻璃幕墙，幕墙和屋顶膜结构之间用连续的充气胶管做软连接。新丹佛机场所处环境气候恶劣又是地震区，近IO年的使用，表明了索膜建筑具有良好抵御灾害能力。  
3 索膜穹顶结构
  20世纪50年代，美国建筑大师富勒受自然现象启发，构筑了富勒球结构，他将这种结构解释为“压的孤岛存在于拉的海详之中”，即由不连续的系列压杆与连续的系列拉索构成整体空间球结构。美国著名结构专家盖格认为富勒球属于张力结构体系，体系中的拉索若无松弛则无失稳之虑，盖格依此提出了索膜穹顶空间结构体系。索膜穹顶结构一经出现，立即为国际空间结构工程界所瞩目，从汉城奥运会体操馆（跨度120m）开始，世界上百米跨度以上的体育馆建筑多数采用索膜穹顶结构设计与建造。
  佐治亚穹顶展示了索膜穹顶的构成，周边为椭圆型的受压刚性环梁，嵌固于环梁上的是环向递近的索网（上、下拉索与下环索）和竖向压杆（飞杆）组成的三角形空间网格张力体系，膜面嵌固在穹顶上部的棱形索网格上，索膜穹顶经施加预应力后成型，成型后的棱形膜面沿长向的坡度应能顺畅地排雨水。
4 桅杆斜拉式索膜建筑
  受斜拉桥结构体系的启发，从竖起的高耸桅杆顶部用钢索拉起膜面支撑架或直接拉起膜面，可称为桅杆斜拉索建筑体系。
  英国泰晤士河畔的千年穹顶是典型的桅杆斜拉索膜建筑。它是由12根百米高的桅杆立在环形的钢筋混凝土地梁上，桅杆顶部向内分布的钢索拉起直径364m的圆弧面穹顶，向外的钢索嵌固在地锚上，构成整体稳定的结构。圆弧面穹顶是由弧形骨架和扇形膜面组成的，穹顶中心高50m，穹顶膜面材料为PTEE（玻璃纤维织物聚四氟乙烯涂层）。千年穹顶覆盖的面积为8万m2,英国国民在此举行千年庆典，庆典结束后作为千年发展成就的展览厅。
  义乌市体育场遮阳篷（纽曼帝・莱蒙公司设计），也为桅杆斜拉索膜结构体系。体系的构成为：四根立于体育场外高6om的桅杆，桅杆顶部的内斜拉索拉起场内的主内环索，桅杆顶部有两根外拉并锚在地锚上的钢索，有骨架支撑的遮阳篷膜面在场内挂在主内环索上，膜面的另一边锚固在看台后的混凝土圈梁上。遮阳篷内环矢高40m，覆盖面积 2万m2。
5 蒙皮膜建筑
  上述索膜建筑中的膜，除了作为建筑物的组成部分（屋盖、墙体）外，它还是张力结构体系中不可缺少的部分。所以，迄今为止结构工程师对索膜建筑的兴趣远超过建筑师，他们称之为索膜结构体系。蒙皮膜建筑则不在此列，膜只作为建筑构件，可忽视它的结构作用。蒙皮膜建筑的造型取决于支撑构架的造型。
  日本1985年建成的旭日鸟类科学馆就属蒙面膜建筑，它的结构与造型是由钢框架实现的，膜作为覆盖材料蒙在钢框架的支撑点上。旭日馆的建筑面积 2420m2，高度24m。
  索膜建筑柔韧的膜面有别于传统刚性屋面和墙面，所以它的曲线美超越了传统建筑。此外，膜面的使用打破了传统的屋顶与墙的界限，建筑浑然一体，丰富的建筑造型与室内空间的有效使用是索膜建筑发展的巨大生命力。
  现代索膜建筑伴随着现代科学技术的进步在近30年内得到了快速发展，已有了较完善的设计理论和建造技术。近年来，我国相继出现的几个膜建筑制作公司己具备独立设计和建造能力，建筑设计院与建筑师对它有了兴趣和了解，并建成了一批索膜建筑工程，索膜建筑也逐渐为我国民众和工程界所接受，相信在本世纪索膜建筑一定会得到广泛的应用。