磷是組成膜結構的基本單位

構件(鋼架、鋼柱或鋼索)通過一定方式使其內部產生一定的預張應力以形成某種空間形狀,作為覆蓋結構,并將由太陽能加熱,泳池的雙重過濾裝置可實現水的再利用,就連多余的雨水也將被收集和儲存在地下的水池中。復雜的工程系統和彎曲的鋼結構使得外部結構像一個泡沫,這種獨特的結構設計使得“水立方”幾乎經得起任何地震的襲擊。文章介紹“鳥巢”時寫道,為讓北京奧運會主會場這個有著91000個座位的、可能是至今最大的環保型體育場獲得自然通風,建筑師從自然中獲得了靈感,獨創了一個未完全密封,但同樣能為觀眾和運動員遮風擋雨的外殼。體育場的外觀猶如一個由枝條編織而成的鳥巢;而其內部,從休息室到飯店,每一個分開的空間都是一個獨立的單元,從而使自然空氣的流通成為可能。文章指出,作為全國最具流行色彩的城市,北京吸引了很多知名建筑大師成就事業。入選的北京“長城腳下的公社”,是由12名亞洲杰出建筑師設計建造的當代建筑藝術作品。北京“當代MOMA”的設計表明了環保創新技術在住宅中應用和它所代表的建筑發展新趨勢,堪稱大型可持續發展住宅建筑的典范。它采用世界上最大的地源熱泵系統,將用來幫助這個由第20層的咖啡館、干洗店等系列服務設施連接起來的8幢建筑組成的小區，采用最為節能的方式保持恒濕恒溫,這是這座建筑的一大亮點。住宅單元還有一大亮點,就是可再利用廢水,將廚房和洗臉盆的廢水過濾,衛生間循環利用。
　　（一）、前言
　　為了迎接新世紀的來臨，人們試圖采用各種方式表示慶賀，建造一座建筑物不但以其形體引人注目，而且將作為標志性建筑而長久地存在。在全世界眾多的紀念性建筑中，英國所建造的千年穹頂（Millennium Dome）尤為突出。當2000年子夜的鐘聲敲響時,在倫敦泰晤士河畔五彩繽紛焰火的照耀下，千年穹頂以它銀白色的圓頂迎接新的千禧年。這座直徑 320m、以 12根高山100m的桅桿所支承的圓球形屋頂采用了張力膜結構。正是這座穹頂集中體現了20世紀建筑技術的精華，用它來迎接新世紀，的確是再恰當不過了。
　　雖然人們喜歡從最廣泛的意義出發，把鐵木構架和帆布建成的大棚,甚至以枝條和獸皮搭成的帳篷都納入膜結構的范圍,但從嚴格的結構受力的定義來說,膜結構始于1970年日本大阪博覽會上一座氣承式膜結構的美國館。當初這不過是臨時性的展覽建筑，但30年來膜結構卻經歷了巨大的變化。
　　從膜結構的跨度來看，近似橢圓形的美國館，兩個方向的跨度針別為 140m和 83.5m。以后東京后樂園的氣承式膜結構，最大跨度達201m。而美國亞特蘭大的佐治亞穹頂，以橢圓形的屋頂覆蓋了 240mxl92m的索膜結構。從當前的技術和材料條件看，完全有可能用膜結構來修建 1000m的大跨度建筑。從所覆蓋的面積來看，1981年沙特阿拉伯吉大機場候機大廳的傘形懸掛膜結構的占地42萬m2，已令人嘆為觀止。而如今在沙特阿拉伯的米拿，為了庇護來往的朝圣者，正在分三期建設與吉大機場類似的膜結構，總面積在100萬m2以上，堪稱 帳篷之城.膜結構作為一種現代化的工程結構，顯示了當今建筑技術與科學的發展水平，也具有巨大的發展潛力，在新的世紀中，膜結構必將在建筑結構中占有重要的地位。
　　（二）、不定的形狀與形狀的確定
　　膜結構的突出特點之一就是它形狀的多樣性，曲面存在著無限的可能性。對于氣承式空氣膜結構來說，充氣之后的曲面主要是圓球面或圓柱面，可能沒有太多的選擇余地。而對于以索或骨架支承的膜結構，其曲面就可以隨著建筑師的想象力而任意變化。
　　膜結構形狀的千變萬化突出地表現在歷年各國舉行的博覽會上。在這些博覽會上，大大小小的展覽館，無不以新穎奇特的造型來吸引觀眾，而膜結構就能用來達到這樣的目的。例如1985年在日本茨城縣舉行的國際科學技術博覽會，入口就是以五顏六色的膜材構成的拱形大門。在眾多的展覽館中膜結構尤為奪目，象火鳥館以鋼梁與索組成的骨架支承扁平的凹凸屋面。美國館以高聳的桅桿懸掛銀白色的屋面。電力館以中央塔架懸吊25個尖頂帳篷，夜晚通過燈光的反射宛如燃燒的火焰。其他象在候車亭、電話亭、走廊、廁所上也都出現了用膜材構成形式各異的建筑小品，蔚為大觀。
　　就形狀而言，對建筑師說來是至關重要的。采用一般結構的建筑物，其形狀往往是先由建筑師確定。膜結構則不同，首先它的變形比一般結構要大一些，其次它的形狀是在施工過程中逐步形成的，有一個形狀確定的問題，需要結構工程師的參與。要確定在初始荷載下結構的初始形狀，即結構體系在膜自重（有時還有索）與預應力作用下的平衡位置。在初步設計階段，先按建筑要求設定大致的幾何外形，然后對膜面施加預應力使之承受張力，其形狀也相應改變，經過不斷調整預應力，最后就可得到理想的幾何外形和應力分布狀態。
　　懸索結構中的索網與膜結構一樣也有形狀確定問題，象1968年蒙特利爾博覽會的德國館和1972年慕尼黑奧運會主體育場都有特殊的形狀需要確定，當時只有借助于縮尺模型來解決。早期的膜結構也往往采用這個方法，材料從最簡單的肥皂膜，一直到織物或鋼絲。由于在小比例模型上測量的誤差尚不足以保證曲面幾何形的正確性，故對足尺的建筑外形只能起參考作用。但這還不失為一種有效的手段，能為設計者提供一個直觀的形象。隨著計算機技術的不斷進步，膜結構的形狀就更多地依靠計算機來確定。在膜結構設計理論中還出現了專門的研究課題--找形（formfinding）。為了尋求合理的幾何外形，這個過程通過計算機的幾次迭代，就可確定膜結構的初始形狀。
　　膜結構設計打破了傳統的先建筑、后結構做法，要求建筑設計與結構設計緊密結合。在設計過程中，建筑師和結構工程師要坐在一起確定建筑物的形狀，并進行必要的計算分析。這時，所設計建筑物的平面形狀、立面要求、支點設置、材料類型和預應力大小都將成為互相制約的因素，一個完美的設計也就是上述矛盾統一的結果。
　　（三）、從帳篷到永久性建筑
　　過去人們習慣地把膜結構看作是個帳篷，而帳篷只能算是一個臨時性建筑--不夠牢固、不能防火、又不能保暖或隔熱。如今對采用膜結構的帳篷卻要刮目相看了，其中的關鍵問題就是材料。
　　當初大阪博覽會上的美國館，由于是臨時性的展覽建筑，采用的膜材是涂覆聚氯乙烯（PVC）的玻璃纖維織物,算不上先進,但在強度上也經受了兩次速度高達每小時140km以上臺風的考驗。通過這個工程使設計者認識到,需要一種強度更高、耐久性更好、不燃、透光和能自潔的建筑織物,70年代美國制造商開發的玻璃纖維織物即滿足了如上的要求。主要的改進是涂覆的面層采用了聚四氟乙烯（PTFE,商品名Teflon一特氟隆）。這種材料于1973年首次應用于美國加利福尼亞拉維思學院一個學生活動中心的屋頂上。經過20多年的考驗,材料還保持著70-80%的強度,仍然透光并且沒有褪色，拉維恩學院膜結構的使用經驗表明,涂覆PTEE面層的玻璃纖維織物,不但有足夠的強度承受張力，在使用功能上也具有很好的耐久性，從樂觀的估計來說,這種材料的使用年限將遠不止當初所估計的25年。
　　與此同時，一種價格比較低、涂覆PVC的聚酯織物在性能上也有很大的改進。制造商在原來的涂層外面再加一面層，比較成熟的有聚氟乙烯（PVF,商品名Tediar）和聚偏氟乙烯（PVDF），這種面層不但能保護織物抵抗紫外線,而且大大地改進了自潔性，這樣就把聚酯織物的使用年限提高到15年；得以在永久性建筑中使用。
　　1975年在美國密執安州龐提亞克興建了平面尺寸243.9X183m的銀色穹頂，這是第一次將氣承式膜結構應用于永久性的大型體育館。其后在北美地區，類似的膜結構就建了9座，其中象美國的明尼阿波利斯和加拿大的溫哥華均位于北方地區。雖然象這樣的充氣結構也發生過幾次不愉快的坍塌事故，但是膜結構終于登堂入室，進入永久性建筑的行列。日本在徘徊了10多年之后，也在1988年修建東京后樂園棒球場時采用了氣承式膜結構。
　　早期修建的膜結構大多是開敞式或位于氣候溫和的地區，還沒有充份發揮膜材的圍護能力，那么在寒冷和多雪地區，將是對膜結構作為永久性建筑的真正考驗。1983年在加拿大加爾格里建成的林賽公園體育中心就是一個例證。在這座橢圓形的建筑中，游泳館和田徑館各占一半，以一根橫跨122m的格構式鋼拱將兩者分開。在鋼拱與周邊圈梁之間的鋼索網支承著折線形的膜材屋面，采用涂覆PTEE的玻璃纖維織物，索網下設有纖維棉的保暖層，屋頂不但能防寒,還能透過4％的光線，這就足以在白天不用人工采光。此外在保暖層下面還有一層很薄的蒸氣絕緣層,能起吸音作用。
　　位于號稱日本雪國的秋田縣，最深積雪可達150cm。1990年建造了天空穹頂體育館，其外形從球體截取，長邊為130m、短邊為100m。這座體育館的設計構思來源于當地著名的雪窯洞，但置身其中又有在戶外的感覺。屋蓋承重是正交的格構式空間拱系，沿長方向采用空腹拱并設有鋼索，沿短方向采用鋼管拱。長向鋼索被用來對膜面施加張力，同時與骨架在屋面形成V形槽溝，以便于雪滑落。緊貼屋面的鋼管拱被用作輸送暖風的通道，既起到融雪的作用，也解決了膜面的結露問題。膜材為單層玻璃纖維織物，透光率可達10％，在場中仰望屋頂，給人以通透明亮的感覺。在寒冷地區建造大跨度膜結構，秋田天空穹頂是一個成功的范例。
　　（四）、膜的交承--空氣、索或骨架
　　膜材屋面以什么支承，始終是膜結構設計中有待于探索的問題。也許當初是從氣球或橡皮艇受到的啟發，人們考慮以空氣為支承，就是向氣密性好的膜材所覆蓋的空間注入空氣，利用內外空氣的壓力差使膜材受拉，結構就具有一定的剛度來承重。早在第二次世界大戰后期，美國就曾用氣承式膜結構建造了一些小直徑的雷達罩棚用于軍事目的，而大阪博覽會的美國館則是大跨度氣承式膜結構的里程碑。在大阪博覽會上還出現了一種氣脹式膜結構，即將膜材本身做成一個封閉體，注入空氣的壓力要比氣承式大得多。象富士館就是以輪胎狀的半圓形筒體組成50m直徑的圓頂，在節日廣場大跨度網架上，鋪設的屋面板是上下兩層，其為聚酯膜材，10.8m見方的充氣板。
　　氣承式膜結構用作大跨度體育館屋頂,建成之后由于在惡劣天氣時維護不當,曾出現過好幾次事故,輕者屋面下癟，重者膜材被撕裂，砸壞了下面的設施。這些事故雖然只造成一些財產的損失，并沒有人員傷亡，但在公共建筑中屋面出問題，還是引起了公眾的關注，甚至對氣承式膜結構是否安全也產生了疑問。
　　1986年以后，在美國建造的大型體育館就沒有采用過空氣膜結構，對于有些已建成的體育館，其膜材將達到保證的使用年限，需改建時也不再考慮采用氣承式膜結構。不過由于其造價低廉、安裝方便，中小跨度的健身房、網球館、倉庫等，氣承式膜結構還是受到歡迎。
　　對膜結構能否用在永久性建筑上一向比較慎重的日本，卻在東京后樂園采用了氣承式膜結構。它在構造上與以前在美國建造的空氣膜結構沒有什么差別，其主要特點是在屋頂上采用了先進的自動控制系統，同時屋面膜材為雙層，其間有循環的熱空氣，以融化雪。這個號稱為機械、電子與土建相結合的智能建筑，確保了膜結構的安全與體育館的正常運行。然而，曾幾何時，昂貴的運轉與維持費用又使后樂園背上了沉重的經濟包袱。近年來日本大量建造穹頂，而沒有繼續采用氣承式膜結構。1997年日本熊本公園體育場主屋蓋采用了加勁索的雙層氣脹式膜結構，使空氣再一次作為膜的支承。熊本穹頂融合了車輪型雙層圓形懸索和氣脹式膜結構的特點，成為一種新型的雜交結構。直徑107m的圓形屋頂宛如一朵浮云覆蓋著體育館，雙層膜之間的充氣量遠小于要對整個室內空間充氣的氣承式膜結構。一旦漏氣，屋蓋還可由鋼索支承，不至于塌落。美國工程師蓋格（D.Geiger）是氣承式膜結構的先驅者，他設計了大阪博覽會的美國館，其后又將改進的玻璃纖維膜材用于銀色穹頂。由于氣承式膜結構出現過的多次事故，使他察覺到空氣支承的潛在缺陷，轉而尋求其他的支承方式。在此之前，美國的發明家和工程師富勒（B.Fuller）提出了張拉整體（Tensegrity）的概念,即以連續的受拉鋼索為主，以不連續的壓桿為輔，組成一種結構體系，然而他的概念始終沒有在工程中實現。蓋格創造性地把這個概念運用到以索、膜與壓桿組成的索穹頂（cable dome）設計上，荷載從中心受拉環通過一系列輻射狀脊索,受拉環索與斜拉索傳到周圍的受壓圈梁上。索穹頂首先用在1986年韓國漢城奧運會的體操館與擊劍館上，其直徑分別為120m與93m。其后又得到了不斷的發展，跨度最大的是美國佛羅里達州的太陽海岸穹頂，直徑達210m。此外，美國李維（M.levy）也繼承了張拉整體的構想，并采用了富勒的三角形網格，設計了雙曲拋物面的張拉整體穹頂，其代表作就是1996年在美國亞特蘭大舉行的奧運會主館--佐治亞穹頂，這個240mX192m的橢圓形索膜結構成為世界上最大的室內體育館。主要依靠索來支承膜的索穹頂是膜結構體系的一大進展。膜材也完全可以支承在平面或空間結構上，如拱、網殼等，其材料可選用鋼、木或鋁合金。象日本秋田天空穹頂采用了鋼結構的空間拱系，而位于同一地區的大館穹頂，178mX157m卵形平面上以雙向膠合木拱支承著雙層膜面。膜結構還可以采用桅桿作為支承，賦予建筑立面以新的變化,第一個采用涂覆PTFE玻璃纖維織物的拉維思學生活動中心屋頂由4個圓錐形的帳蓬組成，每一個圓錐體有一傾斜15度的桅桿，支承膜材的鋼索就由桅桿頂部幅射狀地伸向周圍的圈梁。英國千年穹頂的12根桅桿穿出了屋面，膜面支承在72根幅射狀的鋼索上，這些鋼索則通過斜拉吊索與系索由桅桿所支撐，吊索與系索對桅桿起穩定作用。在這些建筑中，傳統的承重結構與先進的膜面形成了完美的結合。從多年來國內外的實踐經驗來看，由于新材料、新形式的不斷出現，膜結構具有強大的生命力，必將是21世紀建筑結構發展的主流。它的應用范圍不僅限于體育或展覽建筑，已向房屋建筑的各個方面擴展，因而具有廣闊的發展前景。在中國，膜結構的開發與研究還剛剛起步，因此當務之急是學習并引進國外先進技術，開發生產我國自己的膜材，解決設計中存在的問題。膜結構在中國也將會得到越來越多的應用。
　　四、膜結構領域
　　文化設施--展覽中心、劇場、會議廳、博物館、植物園、水族館等
　　體育設施--體育場、體育館、健身中心、游泳館、網球館、籃球館等
　　商業設施--商場、購物中心、酒店、餐廳、商店門頭（挑檐）、商業街等
　　交通設施--機場、火車站、公交車站、收費站、碼頭、加油站、天橋連廊等
　　工業設施--工廠、倉庫、科研中心、處理中心、溫室、物流中心等
　　景觀設施--建筑入口、標志性小品、步行街、停車場等
　　索膜結構起源于遠古時代人類居住的帳篷。20世紀70年代以后，高強、防水、透光且表面光潔、易清洗、抗老化的建筑膜材料的出現，加之當代電子、機械和化工技術的飛速發展，索膜建筑結構已大量用于濱海旅游、博覽會、文藝、體育等大空間的公共建筑上。英國泰晤士河畔的千年穹頂是膜結構體系的標志性建筑，為世界矚目。索膜結構具有易建、易拆、易搬遷、易更新、充分利用陽光和空氣以及與自然環境融合等特長，它是21世紀綠色建筑體系的寵兒。目前，在全球范圍內索膜結構無論在工程界還是在科研領域均處于熱潮中。近年來，我國建筑市場對索膜建筑技術的需求明顯有大幅度增長的趨勢，國外各大著名索膜技術專業公司紛紛登陸我國，刺激了我國索膜建筑事業的發展。隨著現代科技的進一步發展，使人類面臨著保護自然環境的使命。因此，天然材料和傳統的古老建筑材料必將被輕而薄且保溫隔熱性能良好的高強輕質材料所取代。索膜建筑技術在這項變革中將扮演重要角色，其在建筑領域內更廣泛的應用是可以預見的，可謂前程似錦。 環境、氛圍、文化、建筑形式的和諧統一，是世界范圍內建筑師、規劃師追求的最高目標。人類進入21世紀如何理解、構思、創造和建設我們的生活空間？是當今建筑界面臨的重要課題。正如世界建筑大師會北京憲章指出，廣義建筑學.....從理念上和理論基礎上把建筑學、地景學、城市規劃的要點整合為一。這是廣義建筑學對當代建筑師，規劃師提出的新要求建筑環境設計不僅為人類們提供了廣泛的活動空間，同時創造了氣象萬千的自然與人文景觀，久居樊籬下，復得返自然。陽光、空氣、綠草、水溪，人造景觀把人們帶入五彩繽紛，千姿百態的世界。以人為本、天人合一已是現代建筑環境學遵循的宗旨，是現代化城市建設必須遵守的原則。
　　建筑環境與可持續發展具有鮮明的時代特征。現代化的城市是景觀環境的依托，而環境的主體和服務目標則是現代人。建筑環境作為一種重要的社會文化，是人類的理想與意志的外在體現，也是時代特征和地域文化的有機結合同時，建筑環境也與社會生產力的發展以及當代科學技術水平密切相關。
　　膜結構是隨著現代科學技術發展起來的全新建筑技術表現形式，是材料科學、建筑學、結構力學以及現代環境學高速發展的綜合產物。
　　20世紀60年代隨著現代柔性建筑材料的發展，建筑師們從帳篷著一最古老的簡單建筑結構出發，構造出了魔幻般的形式--膜結構。它可以構成單曲面，多曲面等不同建筑結構形式，滿足了建筑師們對建筑與美學高度統一的要求。
　　柔性材料具有透光和防紫外線功能，在一些室外建筑和環境小品中得到廣泛的應用。正是由于這一特征，夜間的燈光設計使膜結構具有鮮明的環境標志特征。優美造型的膜材，不銹鋼配件和緊固件加上設計輕巧合理，表面處理嚴格的鋼結構支撐，塑造出形式美觀，設計合理的膜結構，在當今世界范圍內的建筑環境設計中占有舉足輕重的地位。
　　1.娛樂空間
　　近年來，隨著建筑空間觀念的日益深化以及科學手段的不斷提高，回歸自然、沐浴自然之溫馨已是現代建筑環境學發展的主流。室內外的視線越來越模糊，出現了許多亦內亦外、相互滲透的不定空間，如：天井、四季廳、動植物園、體育、文化娛樂場所等。由于膜材的光透性，白天陽光可以透過膜材形成慢射光，使室內達到和室外幾乎一樣的自然效果，因此膜結構能創造出與自然環境相媲美的空間形式。
　　2.標志性小品
　　一個城市的中心區反映一個城市的地理風貌和民族風情，同時，也是一個城市文化發展程度的標志。而景觀設計要求其具有廣泛的可讀性、雅俗共賞，既有超凡脫俗的藝術價值，又能使大眾喜聞樂見與大眾息息相通。膜結構以其鮮明的個性和標識性，應用于城市小品設計中。
　　3.綠色漫步道
　　近年來，在人口密集的大城市，在居住區周邊配置綠色空間并有人行步道。居民可以在不受車輛的影響下，在居住區附近的街心地帶輕松愉快地散步、休憩，而感到十分愜意。在綠色空間中構造一座膜小品，即生動的美化了環境--如同廣闊綠洲中的點點白帆，又有很強的功能性--人們可以在行走之暇小憩一會兒。
　　4.商業街
　　商業街在城市中占有相當大的比重。商業街的建筑與環境是城市文明的窗口，代表著物質文明和精神文明的水平，同時，也是景觀環境的重要組成部分。膜結構輕巧別致極具現代化風格，且易于安裝移動，在商業街設計中得以廣泛應用。
　　5.建筑入口
　　建筑入口使城市公共空間與建筑空間相鄰的界面，成為城市空間的組成部分。它是人們視覺最先接觸的部分，因此，除了功能以外，還應有很強的標識性，并能體現建筑的個性，是建筑環境和城市景觀的重要組成部分。由于膜結構獨特的造型是其他結構類型無法比擬的，故成為近來建筑入口經常采用的形式。
　　6.步行街
　　利用膜結構輕巧，別致的造型建造各種半封閉，全封閉的不行空間，使其形成全天候的 武漢車場680方建筑空間，提供防風雨，防日曬等人工環境，并有較好的標識招攬效果，因此是步行街改造和新建的絕佳選擇。
　　7.停車場
　　隨著都市現代化步伐的加快,汽車成為任何一個都市不可缺少的交通工具。我國由于汽車工業高速發展，城市的汽車擁有量成倍上升，但城市建設規劃沒能盡快適應這一發展的要求，常常是車無停放之地。所以在建設群規劃時就應充分考慮停車場的問題，把停車場的建設和規劃當成現代城市建設規劃的重要組成部分，變得越來越重要。同樣，膜結構在停車場建設中也擔當重要角色。
　　生活在現代都市的人們已經從過去以謀生為目的的社會行為走上了以樂生為目的的新臺階，在精神上追求健康向上，愉快和富有人性的文化環境。現代建筑環境是現代城市，現代文化與社會，現代人的生活和觀念的綜合表象。在展現人的個性化，自娛性和多元性環境空間方面，膜結構以其獨具魅力的建筑形式，必將會在環境建設中得到越來越廣泛的應用。
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