二級(jí)結(jié)構(gòu)師考試:漫談膜結(jié)構(gòu)

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一、引言
    1967年蒙特利爾的萬國博覽會(huì)德國館是由德國的Frei Otto教授設(shè)計(jì)的,在建筑上有廣泛的國際影響。膜結(jié)構(gòu)以其輕質(zhì)、薄而柔軟的特性大大不同于當(dāng)時(shí)在建筑中常見的鋼結(jié)構(gòu)。由曲面形成的大空間由于膜材的透光性而變得無比明亮,這種空間在建筑中是沒有先例的。
    現(xiàn)代膜結(jié)構(gòu)最初是在德國發(fā)展起來的,其基本特點(diǎn)、力學(xué)特性、設(shè)計(jì)方法和其作為結(jié)構(gòu)體系的潛力也是在德國得到研究的。在此基礎(chǔ)上,這些最初被稱作“帳篷結(jié)構(gòu)”的東西作為現(xiàn)代建筑的有機(jī)組成部分被逐漸認(rèn)識(shí)。設(shè)計(jì)精良的膜結(jié)構(gòu)在世界各地建造,膜結(jié)構(gòu)經(jīng)歷了一個(gè)復(fù)興時(shí)期。如今,它們作為獨(dú)特的有著無限潛力和適應(yīng)各種功能的結(jié)構(gòu)已被全世界所接受。
    二、膜結(jié)構(gòu)的發(fā)展
    1961年一篇名為《Tent》的文章在AIA雜志的二、四月份刊上發(fā)表,Otto教授給所有人揭示了膜結(jié)構(gòu)的重要性。他寫道:“房屋不能也不應(yīng)該是我們必須擠進(jìn)去才能進(jìn)入其中的剛體。相反,伴隨我們的應(yīng)該是生動(dòng)的、變化的環(huán)境。”O(jiān)tto教授還指出,通過對(duì)極小化的結(jié)構(gòu)形態(tài)的研究,他和他的同事發(fā)現(xiàn),此形態(tài)是存在于這個(gè)有機(jī)世界中的,他正試圖賦于膜結(jié)構(gòu)。他接下來寫道:“帳篷建筑是古老的,三萬年前就有帳篷建筑。除了這古老的習(xí)俗外,帳篷建筑是微不足道的。正確的建造帳篷建筑有極大的困難。事實(shí)上這是所有建筑施工當(dāng)中最難的一個(gè)領(lǐng)域。”由于Otto教授的講演和指導(dǎo),膜結(jié)構(gòu)的知識(shí)得以在許多國家快速地散布開來。他和他的小組于1965年出版了《Spannweiten》這本書,他們從建筑的角度研究并發(fā)展了現(xiàn)代的膜結(jié)構(gòu)。這本書引起了全世界的關(guān)注。在輕型結(jié)構(gòu)所工作的Otto做了許多工作,代表著現(xiàn)代膜結(jié)構(gòu)的起點(diǎn)。他們的技術(shù)和思想反映在蒙特利爾67年萬國博覽會(huì)上,這個(gè)建筑物對(duì)膜結(jié)構(gòu)的世界有著廣泛的影響,確實(shí)是其發(fā)展里程上劃時(shí)代的一筆。
    在大阪舉行的日本70年萬國博覽會(huì)開始對(duì)膜結(jié)構(gòu)有了需求。許多日本建筑師向用膜這種新材料來創(chuàng)造新空間發(fā)起了挑戰(zhàn)。大阪博覽會(huì)也為發(fā)掘膜結(jié)構(gòu)的潛力提供了極好的機(jī)會(huì)。為安全起見,這個(gè)結(jié)構(gòu)裝備了一個(gè)系統(tǒng)以保證屋蓋在漏氣時(shí)不與觀眾席或場(chǎng)地接觸。這個(gè)想法成為膜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn),使充氣膜成為可能。
    七十年代,Geiger Berger公司發(fā)展了充氣膜。隨之而來的是PTFE涂層的玻璃纖維膜作為新的膜材而發(fā)展起來,導(dǎo)致許多巨型膜結(jié)構(gòu)在美國的出現(xiàn)。隨著Milligan學(xué)院的Steve Lacy戰(zhàn)地醫(yī)院(1974)和Santa Clara大學(xué)的Thomas E. Leavey活動(dòng)中心(1976)的建成,大規(guī)模的充氣膜開始興建。在美國還涌現(xiàn)了一批能容納許多觀眾的多功能的適應(yīng)各種天氣情況的體育館。1970年的Silver穹頂——擁有八萬個(gè)席位的低矢高穹頂在Pontiac城建成。這些大跨度建筑表明膜結(jié)構(gòu)的一個(gè)優(yōu)點(diǎn),即大空間不再是黑暗而壓迫感的,這些穹頂還能經(jīng)濟(jì)地跨越大空間。就此而言,大阪博覽會(huì)美國館是膜結(jié)構(gòu)發(fā)展歷的里程碑。
    八十年代,美國有7個(gè)充氣膜。但1983 年在Indianapolis建成Hoosier穹頂之后停止了建新的充氣穹頂。為克服諸如經(jīng)常地發(fā)生結(jié)構(gòu)事故、持續(xù)充氣帶來的高成本、控制氣壓的復(fù)雜性、空間封閉性等問題,開始了探索新的結(jié)構(gòu)形式。在北美洲,膜結(jié)構(gòu)作為永久性建筑開發(fā)了新的功能。比如1980年的佛羅里達(dá)大學(xué)StephenC.O’Connel中心,1984年的Lindsay公園體育中心,1989年的San Diego解放中心,1990年的公園露天劇場(chǎng)等均是完美外形與創(chuàng)新結(jié)構(gòu)的結(jié)合。一系列購物商場(chǎng)也建成了。
    八十年代末期,由Buckminster Fuller最初設(shè)想的張拉整體穹頂作為能覆蓋大空間的新的結(jié)構(gòu)形式而引入。這種索-桿組合結(jié)構(gòu)開始代替早期的充氣穹頂。1986年圣奧林匹克國家體育中心的體操館和擊劍館是由Geiger公司設(shè)計(jì)的。緊接著是Weidlinger公司設(shè)計(jì)的1988年的Illinois州立大學(xué)Redbird體育場(chǎng)、1989年的Thunder穹頂、1992年的佐治亞穹頂都采用了這種結(jié)構(gòu)體系。美國開拓了自己的道路來覆蓋大空間。
    八十年代全球有名的建筑師開始在許多歐州國家設(shè)計(jì)膜結(jié)構(gòu)并改進(jìn)了設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。美國的膜結(jié)構(gòu)容易相似,而歐州的工程更具個(gè)人主義。1985年Schlumberger大學(xué)研究中心是歐洲第一個(gè)擁有膜結(jié)構(gòu)的研究中心,被稱作“新鮮的光空間”,采用索-膜的組合結(jié)構(gòu)。膜結(jié)構(gòu)中有基本的鋼框架,但又用到索的組合。1989年,Nuage Leger膜結(jié)構(gòu)建在巴黎的Grande Arche中,使得這種結(jié)構(gòu)體系在全世界范圍內(nèi)都成了引人注目的中心。足球場(chǎng)上跨越觀眾席的傳統(tǒng)屋頂容易使下面的空間變黑,而在歐洲建的膜結(jié)構(gòu)卻不會(huì)如此。1990年羅馬奧林匹克體育場(chǎng)的膜結(jié)構(gòu)從受壓環(huán)的空間框架上懸掛下來,既輕盈又美觀,成為跨越觀眾席的屋頂最常用的模型。1990年Renzo Piano設(shè)計(jì)的San Nicola體育場(chǎng)應(yīng)用膜結(jié)構(gòu)與混凝土的組合,1993年Gottlieb Daimler體育場(chǎng)輕便美觀,與相應(yīng)的結(jié)構(gòu)比較取得了更大的合理性和經(jīng)濟(jì)性。PVC涂層的聚酯纖維膜主要用于歐州早期的膜結(jié)構(gòu),而PTFE涂層的玻璃纖維膜開始得到更大的應(yīng)用。Frei Otto曾抱怨在膜結(jié)構(gòu)中有太多的限制,但新的造型由于不同的結(jié)構(gòu)體系而得到發(fā)揮,結(jié)構(gòu)規(guī)模也越來越大。
    在日本,1970年大阪博覽會(huì)后膜結(jié)構(gòu)沒有太多的發(fā)展,許多膜結(jié)構(gòu)的建造是支承在框架上。日本位于季風(fēng)帶,人們還不習(xí)慣于設(shè)計(jì)懸掛屋蓋,導(dǎo)致人們選擇傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式。但是八十年代末期,日本開始舉行膜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大賽,許多建筑師參加并競相設(shè)計(jì),于是日本的優(yōu)秀膜結(jié)構(gòu)開始普及。日本2002年世界杯足球賽十個(gè)體育場(chǎng)中有六個(gè)是膜結(jié)構(gòu)(新瀉體育場(chǎng)、鹿島茨城足球場(chǎng)、琦玉體育場(chǎng)、靜岡Ogasayama體育場(chǎng)、大阪長居田徑場(chǎng)、大分穹頂)。韓國2002年世界杯足球賽十個(gè)體育場(chǎng)中有五個(gè)采用膜結(jié)構(gòu)(漢城體育場(chǎng)、仁川體育場(chǎng)、大邱體育場(chǎng)、釜山體育場(chǎng)、濟(jì)洲西歸浦體育場(chǎng))。中國長懸臂(懸挑跨度 )體育場(chǎng)中19個(gè)里有10個(gè)采用膜結(jié)構(gòu),有香港大體育場(chǎng)、上海八萬人體育場(chǎng)、上海虹口足球場(chǎng)、廣州黃埔體育場(chǎng)、浙江義烏體育場(chǎng)、青島頤中體育場(chǎng)、武漢體育中心、威海體育中心、煙臺(tái)體育場(chǎng)、鄭州航海體育場(chǎng)。當(dāng)今時(shí)代,世界各國是相互影響的,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更趨于規(guī)范而一致了。
    三、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在膜結(jié)構(gòu)中的作用
    利用薄的膜材進(jìn)行設(shè)計(jì)以達(dá)到安全而合理是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵,一個(gè)只熟悉傳統(tǒng)建筑的建筑師來設(shè)計(jì)膜結(jié)構(gòu)就很難理解和表達(dá)膜材所特有的性能。因此,在膜結(jié)構(gòu)發(fā)展之初,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師比建筑設(shè)計(jì)師的作用還大。
    美國Geiger Berger公司在膜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是先驅(qū),留下了許多作品。發(fā)展了充氣膜和張拉整體索穹頂,加上新膜材的使用,使其處于世界最前沿。其主要負(fù)責(zé)人David Geiger創(chuàng)造了第一個(gè)索穹頂結(jié)構(gòu)—圣奧林匹克的體操館和擊劍館,可惜因疲勞過度于1989年去世。Horst Berger參與了1989年San Diego解放中心、1994年Denver國際機(jī)場(chǎng)旅客集散中心等工程。Weidlinger公司又成功地運(yùn)用超張拉整體穹頂覆蓋大空間。Birdair公司負(fù)責(zé)建造了英國千年穹頂、上海八萬人體育場(chǎng)、亞特蘭大佐治亞穹頂、沙特阿拉伯利雅得體育場(chǎng)、紅鳥體育場(chǎng)、羅馬的奧林匹克體育館等工程,Skyspan公司則建造了世界上(320m高)的Arabian Tower旅館、Gottlieb Deimler體育場(chǎng)等工程。
    日本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師也推動(dòng)了膜結(jié)構(gòu)的發(fā)展。日建設(shè)計(jì)部和竹中工務(wù)店設(shè)計(jì)部設(shè)計(jì)的東京穹頂(1988)和鹿島建設(shè)設(shè)計(jì)部設(shè)計(jì)的Akita Skydome(1990)、Izumo穹頂(1992)都適應(yīng)了日本的氣候。太陽工業(yè)株式會(huì)社發(fā)展了許多膜結(jié)構(gòu)的技術(shù),包括結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、建筑設(shè)計(jì)和施工,奠定了其作為專業(yè)技術(shù)公司為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師和建筑設(shè)計(jì)師提供支持的地位。膜結(jié)構(gòu)在日本廣泛應(yīng)用,建筑師在設(shè)計(jì)中更靈活,膜在整個(gè)建筑表現(xiàn)上占有重要地位。日本的膜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)正在由結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)向建筑設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)變。
    歐洲的膜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)始于Frei Otto領(lǐng)導(dǎo)下的輕型結(jié)構(gòu)所并拓展了膜結(jié)構(gòu)的范圍。隨著膜結(jié)構(gòu)的逐漸應(yīng)用,一批結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)事務(wù)所活躍起來。Ove Arup公司是二十世紀(jì)最有名的設(shè)計(jì)事務(wù)所中的一個(gè),設(shè)計(jì)了許多獨(dú)特的結(jié)構(gòu),成為膜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)領(lǐng)域的領(lǐng)頭羊,參與了歐洲主要膜結(jié)構(gòu)如Schlumberger 大學(xué)研究中心和San Nicola體育館等工程。Schlaich Bergerman公司也設(shè)計(jì)了許多膜結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì),并以輕巧而,Gottlieb Daimler體育館和Gerry Weber中心法院(1994)尤其表明了其獨(dú)特的設(shè)計(jì)方法,其輕快的設(shè)計(jì)體現(xiàn)了膜結(jié)構(gòu)的基本特性。還必須指出,Ingenieurplanung Leichtbau公司也是一家專門的膜結(jié)構(gòu)公司,以1992年的Seville博覽會(huì)德國館為代表,但其負(fù)責(zé)人Harald Muhlberger在94年死于交通事故。
    中國較早的專業(yè)膜結(jié)構(gòu)公司有北京市光翌空間膜技術(shù)工程有限公司,代表作品有杭州游泳館、廣州黃埔體育場(chǎng)、深圳大學(xué)體育場(chǎng)、威海體育中心、海南博鰲亞洲經(jīng)濟(jì)論壇主會(huì)場(chǎng)、鄭州航海體育場(chǎng)等。北京紐曼帝萊蒙膜建筑技術(shù)有限公司也是一家較早的專業(yè)膜結(jié)構(gòu)公司,工程有浙江義烏體育場(chǎng)、青島頤中體育場(chǎng)、煙臺(tái)體育場(chǎng)等。此后,又有一批膜結(jié)構(gòu)公司如雨后春筍般涌現(xiàn)出來,但與國外相比還存在較大差距。