膜结构建筑设计浅谈

冯 霖

(四川省明杰设计顾问有限公司，四川成都 610023)

众所周知，膜材的实质是一种轻型的表面材料，这种轻型表面材料的使用已经有数千年历史。从最原始建筑模型之一的帐篷，发展到现在已成为建筑领域不可或缺的一种建造形式。1937年Le Corbusier设计的巴黎世博会展览中心，将过往历史中建造帐篷所利用的手工技巧与现代建筑元素，比如钢材和轻型结构的理念，大胆地结合起来，从而开创了一种新的现代建筑形式。

1 膜结构建筑的应用

1967年蒙特利尔世博会上的德国馆(图1)让更多的人开始注意膜结构建筑。整个20世纪60年代以及70年代早期，几乎在世界各地都建造了一定数量的膜结构建筑，它们分别承载了多种不同功能，其形式本身和功能皆历经了多次检测及考验，证明了膜结构建筑对城市建设所具有的重要意义。

随着1972年慕尼黑奥运会场的成功，膜结构成为了体育场馆建造的重要设计手段，2000年迪拜伯茨酒店(图2)，著名的帆船外形使之成为膜结构在建筑立面应用上的典范，而近年来充气膜结构和大型气候壳的发展，也引领了对建筑物气候调节、重物负荷、防火节能等领域的研究应用。

图1 1967年蒙特利尔世博会—德国馆

图2 2000年迪拜伯茨酒店

2 膜材的分类

一栋膜结构建筑的完成有赖于多种因素共同发挥作用，其中最形象最直观的就是大面积的建筑膜材本身。正是膜材本身的质量以及特点决定了建筑物此后相当长一段时间内的外观、功能以及客户的满意程度。因为建筑膜材是一种灵活性非常强的建筑元素，只能在施加张拉力的情况下才能得到固定，所以膜材本身的张拉力和弹性都是重要的选择标准。至今为止，世界上大约90 %的膜结构建筑采用了以下三种材料：

(1)PTFE(聚四氟乙烯)涂层玻璃纤维，例如伦敦千年穹顶(图3)。

图3 伦敦千年穹顶

(2)PVC(聚氟乙烯)涂层聚酯纤维，例如斯图加特Gottlieb Daimler体育场(图4)。

图4 斯图加特Gottlieb Daimler体育场

(3)ETFE(四氟乙烯聚合物)膜材，例如康沃尔郡伊甸园(图5)。

图5 康沃尔郡伊甸园

从20世纪中期开始这三种材料就已渐次运用于建筑领域，使用这些膜材的相关技术都已经达到了相当成熟的水平，且都有潜力在原有性能基础上派生出各种新的材料以满足不同建筑结构的需要，在经济和技术层面上为设计师和客户提供更优选择。

对膜结构建筑或需要使用膜材的其他建筑设计来说，在早期就应该认真考虑诸如膜材选择等的重要问题。在建筑设计的概念阶段要决定选用何种建筑材料，不仅要考虑建筑技术和造型方面的元素，而且要将整个工程的总体投资考虑在内。至于是否采用膜结构建筑方案，或者是否使用某种膜材，则应由项目所涉及的各专业设计人员和客户甚至施工单位共同讨论决定。可以说所有项目，对建筑使用功能和细节要求的考察和评估都对材料选择有很大的影响。例如，按照建筑设计防火规范，某个项目需要绝对防火，那么建筑材料的“不燃性”就是最基本的要求，达不到要求的材料就要排除。同样，不同膜材具备不同的特性，需要对膜材的分类和特性有所了解。

膜的材料分为织物膜材和箔两类，织物膜材又分为涂层和未涂层膜材。未涂层膜材通常用于室内、外悬挂式织物顶棚，也可作为空间隔断、遮光幕、隔热和吸声材料等，由生纤维织物平织或曲织而成。而生产涂层膜材，则需要对生纤维进行一系列的预处理，比如在其两面分别涂上PVC材料或硅树脂(生产聚酯纤维时)，或者分别涂上PTFE材料或硅树脂(生产玻璃纤维时)。涂层与纤维间存在的强大胶着力使得以搭接缝方式联合起来的各涂层织物表面能够产生大或等于材料本身的力量。在膜材的生产过程中，涂层在膜材生产中有着重要的角色，它一方面可以保护织物免受诸如潮湿或紫外线等的损害，另一方面也可以增强强度和抗污力延长织物的使用寿命。

在所有涂层或层压、封闭式或宽网格纤维中，PTFE涂层玻璃纤维以及PVC涂层聚酯纤维达到了作为外部建材以及大型建筑及组合单元自然天气遮蔽物使用所需的所有重要技术性要求。

PTFE涂层玻璃纤维有赖于其较长的使用寿命、不燃性以及有助于表面自洁的低黏着系数，赢得了广大使用者的信任。低可燃性PVC涂层聚酯纤维表面涂有各种功能加强性材料(比如涂有含氟聚合物最外涂层)，既经济又具备极佳的机械属性。并且因为它在折叠时具有很好的抗裂性，所以多年以来一直成功用于折叠式膜材建筑，以及临时性、可再利用膜结构建筑。除含氟聚合物最外涂层以外， PVC涂层聚酯纤维还可使用其他功能性外部涂层材料，比如杜邦薄膜尤其适用于接触强烈紫外线面积较大的建筑，因为这种材料具有保护内部涂层材料免受紫外线损害的功能。

很多建筑工程中PTFE涂层玻璃纤维与PVC涂层聚酯纤维可以替换使用。已装配好的PTFE玻璃膜材因为其自身的一些技术优点通常贵于PVC聚酯纤维，不过从张拉力角度来看，二者并无差别。与PVC聚酯纤维相比，PTFE玻璃纤维的一些特点，如低弹力、低屈挠性(容易导致破裂或涂层自我侵蚀)等，对连接、建造、安装甚至一定程度上对结构框架设计上的细节提出了更高的要求。

其他一些新型膜材还包括：PTFE层压玻璃纤维，表面不加涂层而是增加了透明含氟聚合物膜，这样膜材的透明度大大提高(高达50 %)，但材料仍拥有较大的力量，完全能够用于中小跨度的建筑物；涂层PTFE纤维，这种膜材纯粹以PTFE材料为基础制作，拥有高透明度和防水性能，而且一旦在其外部涂加一层特殊涂层便可焊接，使得在世界各种气候区建造高性能的可折叠式膜结构建筑成为可能；硅树脂涂层玻璃纤维和PTFE涂层玻璃纤维有同样的防火系数，但价格更便宜，在提高了抗污性后，有望成为PTFE涂层玻璃纤维的替代品。

相比于其他建材，一般的织物膜材使用寿命不算长，一般在15～25年之间。能够作为建筑物外部建材长期成功使用的膜材只有以含氟聚合物为基础制成的箔。此类高性能箔(比如从ETFE材料制成的箔)通常经模压工序成形以获得高质量以及持久的材料厚度，另外模压工序也能保证材料的最大透明度。

常用箔包括ETFE箔、THV箔以及PVC箔。ETFE箔主要是以双层或者多层形式用于充气式结构建筑，与其他透明塑料或者玻璃相比，它具有明显的优势：它的重量极小，每平方米不足一千克，所以与玻璃相比，它更容易建成大跨度表面，而且结构更轻巧。同时它允许不规则弯曲表面的形成，所以为建筑设计多样化提供了更大的空间。除此之外，这种膜材拥有完全可再利用性以及高度紫外线透明度，而且拥有表面自洁功能，因此允许各种形式的粉刷或油漆。但由于这一膜材对细节设计、建造以及安装等方面的技术要求很高，所以一般只有拥有丰富使用经验而且熟悉其使用技巧的建筑师才能成功使用，在我国比较成功的是水立方(图6)这个案例。

图6 水立方局部外立面

THV箔在化学属性上与ETFE箔有一定联系，它适用于锚固的拉索网设计以及遮棚建造。THV膜材具有透明、有弹性、易施工等优点，但与ETFE膜材相比更易破裂，所以只能用于跨幅较小的建筑设计。PVC箔则适用于中小跨幅临时性建筑的内部装潢和照明顶棚。PVC膜材的伸展性能受温度影响较大，而且此膜材力量较小，一般不用于外部长期固定建筑的建造。

3 膜材在建筑设计中的选择

根据以上分类，可以大致了解各种膜材的特性，做出膜材种类的初步选择。而在膜结构建筑设计中，要最终确定合适的膜材，还需要对产品的一系列属性做判断，进一步选择出符合项目条件和使用要求的膜材。

首先是跨度，一方面，结构计算前会根据膜材的曲率半径，按规范对风和雪荷载取值后，估算出模块的最大跨度。而另一方面，一种膜材的最大跨度也受其自身机械属性的限制。因此，设计中每个模块的可能长度及其总面积不仅取决于结构计算，还取决于生产和装配阶段时采取的措施。

其次是张拉力和抗撕裂能力，结构计算会对膜材的强度有所要求，如果设计需要使用某种膜材，就一定要将这种具体材料的强度考虑在内，包括膜材缝合处的强度。虽然厂家会提供一系列强度数据，不过在具体建筑工程或者具体膜材的应用时，仍需要进行具体检测。

此外，膜材的重量、燃烧性能、使用寿命、适用温度范围、抗弯折性能、隔音效果、吸声性能、隔热性能等属性，有优势也有劣势，在做膜结构设计时需要充分考虑。随着社会的发展，对建筑项目的品质要求越来越高，膜材作为一种建筑材料，对其也有了更高属性要求。根据不同的使用方向和项目条件，在技术研究人员的努力下，膜材的颜色、可涂绘性、防紫外线和抗风化性能、自洁功能、抗化学物质侵蚀、光透射系数、光反射以及光吸收系数、节能以及再利用等方面，都有了长足的发展，让我们在进行膜结构建筑设计时有了更多实现创意的选择。

4 膜结构的支承方式

膜结构建筑造型丰富多彩、千变万化，除了给人强烈印象的大面积膜材外，膜结构中的支撑体系其实也起着非常重要的作用。大的膜结构通常表现出基本支撑结构与表皮的理想的共生关系，承受拉应力的膜材面层和承受压应力的支撑体系就像皮肤与骨骼的关系，具有很强的互补。按照膜结构的支承方式，我们可以将其大致分为骨架支承式膜结构、张拉膜结构和充气式膜结构。

骨架支承式膜结构是以钢材或是其他材料构成支撑骨架，在其外部固定膜材的构造形式。因下部支撑结构稳定性高，建筑造型比较容易把握，受膜材特性限制小，且经济性好等特点，广泛适用于任何规模的建筑空间，但膜材在结构体系中只是起辅助作用，不能完全展示膜结构的魅力。

张拉膜结构以膜材、钢索及支柱构成，利用钢索与支柱在膜材中导入张力以达到稳定的构造形式，具有丰富的表现力，可以实现更有创意、独具特色的造型，并且也是最能展现膜结构特质的构造形式。因为要充分考虑和结合膜材特性，施工精度要求更高，结构性能要求更强，所以造价略高于骨架支承式膜结构。

充气式膜结构是将膜材固定于围护结构周边，通过送风系统让室内气压上升到一定压力，使建筑室内外产生压力差，将空气作为膜表皮的支撑元件，以抵抗外力的构造形式。因利用气压来支撑，钢索作为辅助材，无需任何梁、柱支撑，所以施工快捷，可得更大的空间，但容易受大风、积水积雪影响产生显著而频繁的形变，需保持 24 h送风机运转，维持整个内部空间的较高压力，必要时还要送暖风化雪，长期来看，在持续运行及机器维护费用的成本上较高。

虽然说是有以上的分类，但也有很多膜结构建筑并不局限于此。膜结构最主要的优势包括：重量轻、较好的弹性(可以提供很大的膨胀范围以及吸收一定程度结构变形的能力)以及较大范围的透光性能，因此为了给膜结构提供更大的几何范围，以充分展现其优势，有很多大型结构都采用了复合型结构或者优化发展后的进化型结构。

比如纯索体系与较柔的刚性承载构件的组合，可以使这个结构类型适用的建筑范围更加广泛。例如德国沃尔夫斯堡大众体育场(图7)屋顶，就采用了混合体系，通过在环索之上延伸悬臂的放射状桁梁产生了一条与场地平行的屋顶线，既运用了张拉膜结构又运用了骨架支承式膜结构。

图7 德国沃尔夫斯堡大众体育场

在张拉膜结构的基础上，还衍生了一种索支撑网状结构，就是采用钢索构成钢索网以支撑上部膜材的索网形式，当跨度过大或表面曲率过小时，膜材会达到其建筑工程特性的极限，针对这种情况，膜面的工程特性可以由网状的拉索结构替代，这样该建筑结构就变成了索网结构，膜材成为单纯的表皮材料。当索网被用来加强膜表皮时，更大的模块间距成为可能，这对充气膜结构的大型气承表皮很有意义，法国尼姆古罗马圆形竞技场修缮加顶的工程就采用了充气式膜结构与索网结构的结合，并取得了良好效果。

充气式膜结构也有不少的优化发展，前面说过其最大缺点就是长期运营维护费用高，但将其表面设计为一种将空气 密闭在两层薄膜之间的真正充气枕形式后，一定的此类费用就可以避免。在这种建筑形式下，压力损失小，并且竖向荷载也不再通过空气柱传到地面，而是通过处于受压状态的上层预张拉膜以及下层处于张拉状态的膜来传递。这种表面自成支撑体系的充气式膜结构就是气承表面结构，瑞士纽卡特尔国家展览馆就采用了这种形式。与气承表面的形式相类似，充气的线性支撑构件也能结合腔体和空气来制作。一般而言，它们将成为轴对称的承荷构件，以充气拱或充气梁的形式存在。有了这些多种多样的气承结构，充气式膜结构建筑的设计也更灵活多样。

5 结论

21世纪以来，随着技术的不断进步，膜结构的使用范围越来越广泛，对我们建筑设计师来说，有一点格外重要，那就是在所有膜结构建筑的设计中，应该以材料的技术特性以及创造预应力表皮形状所遵循的规律为出发点。以这种原则为指导，才能不断创新设计出优秀的膜结构建筑作品。