二級結(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德國館是由德國的Frei Otto教授設計的,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時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、力學特性、設計方法和其作為結(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)代建筑的有機組成部分被逐漸認識。設計精良的膜結(jié)構(gòu)在世界各地建造,膜結(jié)構(gòu)經(jīng)歷了一個復興時期。如今,它們作為獨特的有著無限潛力和適應各種功能的結(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:“房屋不能也不應該是我們必須擠進去才能進入其中的剛體。相反,伴隨我們的應該是生動的、變化的環(huán)境。”O(jiān)tto教授還指出,通過對極小化的結(jié)構(gòu)形態(tài)的研究,他和他的同事發(fā)現(xiàn),此形態(tài)是存在于這個有機世界中的,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。事實上這是所有建筑施工當中最難的一個領(lǐng)域?!庇捎贠tto教授的講演和指導,膜結(jié)構(gòu)的知識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。他們的技術(shù)和思想反映在蒙特利爾67年萬國博覽會上,這個建筑物對膜結(jié)構(gòu)的世界有著廣泛的影響,確實是其發(fā)展里程上劃時代的一筆。
    在大阪舉行的日本70年萬國博覽會開始對膜結(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)。大阪博覽會也為發(fā)掘膜結(jié)構(gòu)的潛力提供了極好的機會。為安全起見,這個結(jié)構(gòu)裝備了一個系統(tǒng)以保證屋蓋在漏氣時不與觀眾席或場地接觸。這個想法成為膜結(jié)構(gòu)設計的一個轉(zhuǎn)折點,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,導致許多巨型膜結(jié)構(gòu)在美國的出現(xiàn)。隨著Milligan學院的Steve Lacy戰(zhàn)地醫(yī)院(1974)和Santa Clara大學的Thomas E. Leavey活動中心(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各種天氣情況的體育館。1970年的Silver穹頂——擁有八萬個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)的一個優(yōu)點,即大空間不再是黑暗而壓迫感的,這些穹頂還能經(jīng)濟地跨越大空間。就此而言,大阪博覽會美國館是膜結(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年的佛羅里達大學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。一系列購物商場也建成了。
    八十年代末期,由Buckminster Fuller最初設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公司設計的。緊接著是Weidlinger公司設計的1988年的Illinois州立大學Redbird體育場、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計膜結(jié)構(gòu)并改進了設計標準。美國的膜結(jié)構(gòu)容易相似,而歐州的工程更具個人主義。1985年Schlumberger大學研究中心是歐洲第一個擁有膜結(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)卻不會如此。1990年羅馬奧林匹克體育場的膜結(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設計的San Nicola體育場應用膜結(jié)構(gòu)與混凝土的組合,1993年Gottlieb Daimler體育場輕便美觀,與相應的結(jié)構(gòu)比較取得了更大的合理性和經(jīng)濟性。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。日本位于季風帶,人們還不習慣于設計懸掛屋蓋,導致人們選擇傳統(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)設計大賽,許多建筑師參加并競相設計,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體育場中有六個是膜結(jié)構(gòu)(新瀉體育場、鹿島茨城足球場、琦玉體育場、靜岡Ogasayama體育場、大阪長居田徑場、大分穹頂)。韓國2002年世界杯足球賽十個體育場中有五個采用膜結(jié)構(gòu)(漢城體育場、仁川體育場、大邱體育場、釜山體育場、濟洲西歸浦體育場)。中國長懸臂(懸挑跨度 )體育場中19個里有10個采用膜結(jié)構(gòu),有香港大體育場、上海八萬人體育場、上海虹口足球場、廣州黃埔體育場、浙江義烏體育場、青島頤中體育場、武漢體育中心、威海體育中心、煙臺體育場、鄭州航海體育場。當今時代,世界各國是相互影響的,結(jié)構(gòu)設計更趨于規(guī)范而一致了。
    三、結(jié)構(gòu)設計在膜結(jié)構(gòu)中的作用
    利用薄的膜材進行設計以達到安全而合理是結(jié)構(gòu)設計的關(guān)鍵,一個只熟悉傳統(tǒng)建筑的建筑師來設計膜結(jié)構(gòu)就很難理解和表達膜材所特有的性能。因此,在膜結(jié)構(gòu)發(fā)展之初,結(jié)構(gòu)設計師比建筑設計師的作用還大。
    美國Geiger Berger公司在膜結(jié)構(gòu)設計是先驅(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。其主要負責人David Geiger創(chuàng)造了第一個索穹頂結(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國際機場旅客集散中心等工程。Weidlinger公司又成功地運用超張拉整體穹頂覆蓋大空間。Birdair公司負責建造了英國千年穹頂、上海八萬人體育場、亞特蘭大佐治亞穹頂、沙特阿拉伯利雅得體育場、紅鳥體育場、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體育場等工程。
    日本結(jié)構(gòu)設計師也推動了膜結(jié)構(gòu)的發(fā)展。日建設計部和竹中工務店設計部設計的東京穹頂(1988)和鹿島建設設計部設計的Akita Skydome(1990)、Izumo穹頂(1992)都適應了日本的氣候。太陽工業(yè)株式會社發(fā)展了許多膜結(jié)構(gòu)的技術(shù),包括結(jié)構(gòu)設計、建筑設計和施工,奠定了其作為專業(yè)技術(shù)公司為結(jié)構(gòu)設計師和建筑設計師提供支持的地位。膜結(jié)構(gòu)在日本廣泛應用,建筑師在設計中更靈活,膜在整個建筑表現(xiàn)上占有重要地位。日本的膜結(jié)構(gòu)設計正在由結(jié)構(gòu)設計向建筑設計轉(zhuǎn)變。
    歐洲的膜結(jié)構(gòu)設計始于Frei Otto領(lǐng)導下的輕型結(jié)構(gòu)所并拓展了膜結(jié)構(gòu)的范圍。隨著膜結(jié)構(gòu)的逐漸應用,一批結(jié)構(gòu)設計事務所活躍起來。Ove Arup公司是二十世紀最有名的設計事務所中的一個,設計了許多獨特的結(jié)構(gòu),成為膜結(jié)構(gòu)設計領(lǐng)域的領(lǐng)頭羊,參與了歐洲主要膜結(jié)構(gòu)如Schlumberger 大學研究中心和San Nicola體育館等工程。Schlaich Bergerman公司也設計了許多膜結(jié)構(gòu)的設計,并以輕巧而,Gottlieb Daimler體育館和Gerry Weber中心法院(1994)尤其表明了其獨特的設計方法,其輕快的設計體現(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博覽會德國館為代表,但其負責人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、深圳大學體育場、威海體育中心、海南博鰲亞洲經(jīng)濟論壇主會場、鄭州航海體育場等。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、青島頤中體育場、煙臺體育場等。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。