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膜结构的发展概况 1970年在日本大阪万国博览会的美国馆, 采用了气承式充气膜结构。这个拟椭圆形、轴线尺寸为140m×83.5m的展览馆, 之所以受到结构工程师们的瞩目,不但因为它是世界上第一个大跨度的膜结构，而且是首次采用了聚氯乙烯(PVC)涂层的玻璃纤维织物。这个膜结构的结构设计者是美国的盖格尔（D.Geiger，）与贝格尔（H.Berger）。与此同时，还有一个气胀式膜结构用于直径约50m的富士馆。一般认为：大阪博览会出现的充气膜结构，标志着膜结构时代的开始。 大阪博览会闭幕之后,作为临时性建筑的美国馆与富士馆都已拆除，但二十多年来，膜结构在世界范围内却得到了迅猛的发展。从跨度来说，美国庞提亚克的"银色穹顶"气承式膜结构的平面尺寸有234.9m×183m，类似的大型体育馆在北美就建了九座。从面积来说，沙特阿拉伯吉达机场候机大厅的悬挂膜结构占地42万平方米。作为膜结构一种新形式的索穹项目从1988年用在汉城奥运会的体操馆与击剑馆以来，又在一些体育建筑中得到推广应用,例如 1996年亚特兰大奥运会的"佐治亚穹顶"，拟椭圆形的尺寸达 240m×193m，美国佛罗里达的"太阳海岸穹顶",圆形直径达210m。更重要的是，膜结构已经远不是过去那种临时的大棚，即使保守的日本，在1988年东京后乐园棒球场空气膜结构建成之后,在建筑法规中正式认定膜结构可用于永久性建筑。 膜结构体系分为三大类: 一类为充气膜结构（Air Supported structure），常用来建造健身房体育馆，它依靠空气的超压（一般0.1个超压，由空调的通风机提供）升起作为屋盖的支撑, 如图1-1；二类为张拉膜结构(Tensioned Membrane Structure)，是依靠膜自身的张拉应力与支承杆和拉索共同构成结构体系（俗称帐棚结构），美国丹佛国际机场候机大楼为这类结构的典型工程,如图1-2；三类为由索网与膜相结合总体构成穹顶结构，这类工程最典型的是1996年亚特兰大奥运会主体育馆的屋顶--佐治亚穹顶（Georgia Dome, Atlanta）如图1-3, 该工程完工后，很多专家都预言下个世纪大型体育馆的屋盖将由这类结构体系所垄断。 1．气承式充气膜结构： 气承式空气膜结构建成之后曾出过好几次事故，说明这种结构在恶劣天气时维护比较困难。不少体育馆曾遭受意外的漏气而使屋顶下瘪。其中最严重的一次是1985年3月在银色穹顶发生的事故，在一场暴风雪中，由于外墙一大块金属墙板被扯掉，使100块屋面膜材中有7块被撕裂，砸坏了下面的栏杆与座位，随之大风又吹坏了另外18块膜材。估计当时屋面的积雪与冰最深处有2m多厚，使屋顶上积累的荷载超过100kg／㎡。美国明尼阿波利斯的"大城市穹顶"在1981年11月膜结构充气后的三周，因为一次暴风雪在屋面上形成雪窝而下瘪，其后在1982年与1983年又两次发生过类似的事件，由此还引起了冗长的法律诉讼。这些大大小小事故的产生，主要是由于空气膜所特有的"袋状效应"，即膜表面上一旦积累了一些冰雪引起下凹,而下凹又招致了更多的冰雪，这样就造成恶性循环而导致膜材的破裂。在上述过程中，有时是由于热空气融雪系统不足,有时是由于空气加压控制失灵，甚至是管理人员操作上的失误，终于酿成事故。 气承式空气膜结构的破坏，虽然只造成一些财产损失，并没有人身伤亡，但在公共建筑中发生这样的事，还是引起了美国公众的关注，对这种结构产生了怀疑。即使是当初设计美国馆的盖格尔也认为空气膜结构已到了日暮途穷的地步,他不得不另辟蹊径,想出了"索穹顶"这一新的结构形式来代替气承式空气膜结构。1985年以后,在美国建造的体育馆就再也没有采用过空气膜结构。 令人感到意外的是1988年日本在东京后乐园棒球场却采用了气承式空气膜结构。这个总造价达14亿美元的体育馆直径为204m，屋顶最高点达61m，总体积约为140万 ,在构造上与以前在美国建造的空气膜结构没有什么差别，其主要特点是在屋顶上采用了自动控制系统,同时屋面为双层，其间有热空气循环以融化雪。设有记录风速、雪压、积雪、织物变形与钢索拉力的传感器与中央计算机相连接。计算机能自动进行监测并选择最佳方法来提高内压或消除积雪，从而保证了膜结构的安全与体育馆的正常运行。 气承式空气膜结构是否有前途，在美国还是一个有争议的问题。盖格尔的不幸去世使他没有机会来重新考虑这个问题，但是一些工程专家，包括盖格尔事务所的一些同事，都认为不能过早地加以否定。他们认为气承式空气膜结构只要维护和管理得当，特别是在少雪地区，仍不失为一种好的结构形式。圆弧形的屋顶加上半透明的膜材，使人宛如置身于天空之下，这也是其他类型屋盖结构所不能比拟的。此外，气承式空气膜，即使将建成后的使用费用算进去，造价仍较低。当跨度大于250m时，它在经济上的优越性更为显著。有人算过，如果佐治亚穹顶改用气承式空气膜结构，其造价可节约近一半。还有人认为膜结构根本没有倒塌问题，最多不过是漏气下瘪而已，修复起来也很简单。尽管如此，气承式空气膜结构能否东山再起，尚需待以时日。  2．张拉膜结构体系特点 用特氟龙防水织物制作的建筑用膜材料，它的透光率为20%。在阳光的照射下，由膜覆盖的建筑物内部充满自然漫射光，无强反差的着光面与阴影的区分，室内的空间视觉环境开阔和谐。夜晚，建筑物内的灯光透过屋盖的膜照亮夜空，建筑物的体型显现出梦幻般的效果。张拉膜结构特别适合用来建造城市标志性建筑的屋顶，如体育与娱乐性场馆，需有广告效应的商场、餐厅等。城市的交通枢纽是城市命脉的关键性建筑，使用功能要求建筑物各组成单元的标志明确。因而近来年，这类建筑越来越多采用膜结构。 这种建筑膜材料的使用寿命为25年以上。在使用期间，在雪或风荷载作用下均能保持材料的力学形态稳定不变。建成于1973年的美国加州La Verne大学的学生活动中心是已有23年历史的张拉膜结构建筑．跟踪测试与材料的加载与加速气候变化的试验，证明它的膜材料的力学性能与化学稳定性指标下降了20％至30％，但仍可正常使用。用特幅氟龙制成的建筑膜，它的表层光滑，具有弹性，大气中的灰尘、化学物质的微粒极难附着与渗透，经雨水的冲刷建筑膜可恢复其原有的清洁面层与透光性。 |
