充氣膜結構發(fā)展歷程
摘要：早在1946年美國的沃爾特·勃德就大膽的設計出世界上第一座充氣膜結構，在當時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(fā)，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1946年美國的沃爾特·勃德就大膽的設計出世界上第一座充氣膜結構，在當時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(fā)，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。
而后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(jié)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(tǒng)，同時屋面膜材為雙層，其間有循環(huán)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(xù)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(fā)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(xù)的受拉鋼索為主，以不連續(xù)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(chuàng)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(huán)通過一系列輻射狀脊索，受拉環(huán)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(fā)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(qū)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輻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根輻射狀的鋼索上，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(wěn)定作用。在這些建筑中，傳統(tǒng)的承重結構與先進的膜面形成了完美的結合。
2008年北京奧運會“水立方”是世界上最大的充氣膜結構工程，整體建筑由3000多個氣枕組成，氣枕大小不一、形狀各異，覆蓋面積達到10萬平方米，堪稱世界之最。除了地面之外，外表都采用了膜結構。安裝成功的氣枕將通過事先安裝在鋼架上的充氣管線充氣變成“氣泡”，整個充氣過程由電腦智能監(jiān)控，并根據當時的氣壓、光照等條件使“氣泡”保持最佳狀態(tài)。 這種像“泡泡裝”一樣的膜材料有自潔功能，使膜的表面基本上不沾灰塵。即 國家游泳中心使沾上灰塵，自然降水也足以使之清潔如新。此外，膜材料具有較好的抗壓性，人們在上面“玩蹦床”都沒問題，“正常的放上一輛汽車都不會壓壞”。如果萬一出現外膜破裂，根據應急預案，可在8個小時內把破損的外膜修好或換新?！八⒎健本К撎尥傅耐庖律厦孢€點綴著無數白色的亮點，被稱為鍍點，它們可以改變光線的方向，起到隔熱散光的效果。
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(fā)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(fā)展前景。在中國，膜結構的開發(fā)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(fā)生產中國自己的膜材，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。
而后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(jié)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(tǒng)，同時屋面膜材為雙層，其間有循環(huán)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(xù)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(fā)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(xù)的受拉鋼索為主，以不連續(xù)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(chuàng)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(huán)通過一系列輻射狀脊索，受拉環(huán)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(fā)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(qū)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輻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根輻射狀的鋼索上，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(wěn)定作用。在這些建筑中，傳統(tǒng)的承重結構與先進的膜面形成了完美的結合。
2008年北京奧運會“水立方”是世界上最大的充氣膜結構工程，整體建筑由3000多個氣枕組成，氣枕大小不一、形狀各異，覆蓋面積達到10萬平方米，堪稱世界之最。除了地面之外，外表都采用了膜結構。安裝成功的氣枕將通過事先安裝在鋼架上的充氣管線充氣變成“氣泡”，整個充氣過程由電腦智能監(jiān)控，并根據當時的氣壓、光照等條件使“氣泡”保持最佳狀態(tài)。 這種像“泡泡裝”一樣的膜材料有自潔功能，使膜的表面基本上不沾灰塵。即 國家游泳中心使沾上灰塵，自然降水也足以使之清潔如新。此外，膜材料具有較好的抗壓性，人們在上面“玩蹦床”都沒問題，“正常的放上一輛汽車都不會壓壞”。如果萬一出現外膜破裂，根據應急預案，可在8個小時內把破損的外膜修好或換新?！八⒎健本К撎尥傅耐庖律厦孢€點綴著無數白色的亮點，被稱為鍍點，它們可以改變光線的方向，起到隔熱散光的效果。
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(fā)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(fā)展前景。在中國，膜結構的開發(fā)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(fā)生產中國自己的膜材，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。
