當(dāng)代膜結(jié)構(gòu)發(fā)展概述

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一、前言

　　為了迎接新世紀(jì)的來(lái)臨，人們?cè)噲D采用各種方式表示慶賀，建造一座建筑物不但以其形體引人注目，而且將作為標(biāo)志性建筑而長(zhǎng)久地存在。在全世界眾多的紀(jì)念性建筑中，英國(guó)所建造的千年穹頂（Millennium Dome）尤為突出。當(dāng)2000年子夜的鐘聲敲響時(shí),在倫敦泰晤士河畔五彩繽紛焰火的照耀下，千年穹頂以它銀白色的圓頂迎接新的千禧年。這座直徑 320m、以 12根高山100m的桅桿所支承的圓球形屋頂采用了張力膜結(jié)構(gòu)。正是這座穹頂集中體現(xiàn)了20世紀(jì)建筑技術(shù)的精華，用它來(lái)迎接新世紀(jì)，的確是再恰當(dāng)不過(guò)了。

　　雖然人們喜歡從最廣泛的意義出發(fā)，把鐵木構(gòu)架和帆布建成的大棚,甚至以枝條和獸皮搭成的帳篷都納入膜結(jié)構(gòu)的范圍,但從嚴(yán)格的結(jié)構(gòu)受力的定義來(lái)說(shuō),膜結(jié)構(gòu)始于1970年日本大阪博覽會(huì)上一座氣承式膜結(jié)構(gòu)的美國(guó)館。當(dāng)初這不過(guò)是臨時(shí)性的展覽建筑，但30年來(lái)膜結(jié)構(gòu)卻經(jīng)歷了巨大的變化。

　　從膜結(jié)構(gòu)的跨度來(lái)看，近似橢圓形的美國(guó)館，兩個(gè)方向的跨度針別為 140m和 83.5m。以后東京后樂(lè)園的氣承式膜結(jié)構(gòu)，最大跨度達(dá)201m。而美國(guó)亞特蘭大的佐治亞穹頂，以橢圓形的屋頂覆蓋了 240mxl92m的索膜結(jié)構(gòu)。從當(dāng)前的技術(shù)和材料條件看，完全有可能用膜結(jié)構(gòu)來(lái)修建 1000m的大跨度建筑。從所覆蓋的面積來(lái)看，1981年沙特阿拉伯吉大機(jī)場(chǎng)候機(jī)大廳的傘形懸掛膜結(jié)構(gòu)的占地42萬(wàn)m2，已令人嘆為觀止。而如今在沙特阿拉伯的米拿，為了庇護(hù)來(lái)往的朝圣者，正在分三期建設(shè)與吉大機(jī)場(chǎng)類(lèi)似的膜結(jié)構(gòu)，總面積在100萬(wàn)m2以上，堪稱(chēng)” 帳篷之城”。

　　膜結(jié)構(gòu)作為一種現(xiàn)代化的工程結(jié)構(gòu)，顯示了當(dāng)今建筑技術(shù)與科學(xué)的發(fā)展水平，也具有巨大的發(fā)展?jié)摿Γ谛碌氖兰o(jì)中，膜結(jié)構(gòu)必將在建筑結(jié)構(gòu)中占有重要的地位。

二、不定的形狀與形狀的確定

　　膜結(jié)構(gòu)的突出特點(diǎn)之一就是它形狀的多樣性，曲面存在著無(wú)限的可能性。對(duì)于氣承式空氣膜結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，充氣之后的曲面主要是圓球面或圓柱面，可能沒(méi)有太多的選擇余地。而對(duì)于以索或骨架支承的膜結(jié)構(gòu)，其曲面就可以隨著建筑師的想象力而任意變化。

　　膜結(jié)構(gòu)形狀的千變?nèi)f化突出地表現(xiàn)在歷年各國(guó)舉行的博覽會(huì)上。在這些博覽會(huì)上，大大小小的展覽館，無(wú)不以新穎奇特的造型來(lái)吸引觀眾，而膜結(jié)構(gòu)就能用來(lái)達(dá)到這樣的目的。例如1985年在日本茨城縣舉行的國(guó)際科學(xué)技術(shù)博覽會(huì)，入口就是以五顏六色的膜材構(gòu)成的拱形大門(mén)。在眾多的展覽館中膜結(jié)構(gòu)尤為奪目，象火鳥(niǎo)館以鋼梁與索組成的骨架支承扁平的凹凸屋面。美國(guó)館以高聳的桅桿懸掛銀白色的屋面。電力館以中央塔架懸吊25個(gè)尖頂帳篷，夜晚通過(guò)燈光的反射宛如燃燒的火焰。其他象在候車(chē)亭、電話亭、走廊、廁所上也都出現(xiàn)了用膜材構(gòu)成形式各異的建筑小品，蔚為大觀。

　　就形狀而言，對(duì)建筑師說(shuō)來(lái)是至關(guān)重要的。采用一般結(jié)構(gòu)的建筑物，其形狀往往是先由建筑師確定。膜結(jié)構(gòu)則不同，首先它的變形比一般結(jié)構(gòu)要大一些，其次它的形狀是在施工過(guò)程中逐步形成的，有一個(gè)形狀確定的問(wèn)題，需要結(jié)構(gòu)工程師的參與。要確定在初始荷載下結(jié)構(gòu)的初始形狀，即結(jié)構(gòu)體系在膜自重（有時(shí)還有索）與預(yù)應(yīng)力作用下的平衡位置。在初步設(shè)計(jì)階段，先按建筑要求設(shè)定大致的幾何外形，然后對(duì)膜面施加預(yù)應(yīng)力使之承受張力，其形狀也相應(yīng)改變，經(jīng)過(guò)不斷調(diào)整預(yù)應(yīng)力，最后就可得到理想的幾何外形和應(yīng)力分布狀態(tài)。

　　懸索結(jié)構(gòu)中的索網(wǎng)與膜結(jié)構(gòu)一樣也有形狀確定問(wèn)題，象1968年蒙特利爾博覽會(huì)的德國(guó)館和1972年慕尼黑奧運(yùn)會(huì)主體育場(chǎng)都有特殊的形狀需要確定，當(dāng)時(shí)只有借助于縮尺模型來(lái)解決。早期的膜結(jié)構(gòu)也往往采用這個(gè)方法，材料從最簡(jiǎn)單的肥皂膜，一直到織物或鋼絲。由于在小比例模型上測(cè)量的誤差尚不足以保證曲面幾何形的正確性，故對(duì)足尺的建筑外形只能起參考作用。但這還不失為一種有效的手段，能為設(shè)計(jì)者提供一個(gè)直觀的形象。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步，膜結(jié)構(gòu)的形狀就更多地依靠計(jì)算機(jī)來(lái)確定。在膜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論中還出現(xiàn)了專(zhuān)門(mén)的研究課題——“找形”（formfinding）。為了尋求合理的幾何外形，這個(gè)過(guò)程通過(guò)計(jì)算機(jī)的幾次迭代，就可確定膜結(jié)構(gòu)的初始形狀。