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磷是组成膜结构的基本单位

发表时间:[2012-11-12 10:55:27] 来源:www.upalela.com
构件(钢架、钢柱或钢索)通过一定方式使其内部产生一定的预张应力以形成某种空间形状,作为覆盖结构,并将由太阳能加热,泳池的双重过滤装置可实现水的再利用,就连多余的雨水也将被收集和储存在地下的水池中。复杂的工程系统和弯曲的钢结构使得外部结构像一个泡沫,这种独特的结构设计使得“水立方”几乎经得起任何地震的袭击。文章介绍“鸟巢”时写道,为让北京奥运会主会场这个有着91000个座位的、可能是至今最大的环保型体育场获得自然通风,建筑师从自然中获得了灵感,独创了一个未完全密封,但同样能为观众和运动员遮风挡雨的外壳。体育场的外观犹如一个由枝条编织而成的鸟巢;而其内部,从休息室到饭店,每一个分开的空间都是一个独立的单元,从而使自然空气的流通成为可能。文章指出,作为全国最具流行色彩的城市,北京吸引了很多知名建筑大师成就事业。入选的北京“长城脚下的公社”,是由12名亚洲杰出建筑师设计建造的当代建筑艺术作品。北京“当代MOMA”的设计表明了环保创新技术在住宅中应用和它所代表的建筑发展新趋势,堪称大型可持续发展住宅建筑的典范。它采用世界上最大的地源热泵系统,将用来帮助这个由第20层的咖啡馆、干洗店等系列服务设施连接起来的8幢建筑组成的小区,采用最为节能的方式保持恒湿恒温,这是这座建筑的一大亮点。住宅单元还有一大亮点,就是可再利用废水,将厨房和洗脸盆的废水过滤,卫生间循环利用。
  (一)、前言
  为了迎接新世纪的来临,人们试图采用各种方式表示庆贺,建造一座建筑物不但以其形体引人注目,而且将作为标志性建筑而长久地存在。在全世界众多的纪念性建筑中,英国所建造的千年穹顶(Millennium Dome)尤为突出。当2000年子夜的钟声敲响时,在伦敦泰晤士河畔五彩缤纷焰火的照耀下,千年穹顶以它银白色的圆顶迎接新的千禧年。这座直径 320m、以 12根高山100m的桅杆所支承的圆球形屋顶采用了张力膜结构。正是这座穹顶集中体现了20世纪建筑技术的精华,用它来迎接新世纪,的确是再恰当不过了。
  虽然人们喜欢从最广泛的意义出发,把铁木构架和帆布建成的大棚,甚至以枝条和兽皮搭成的帐篷都纳入膜结构的范围,但从严格的结构受力的定义来说,膜结构始于1970年日本大阪博览会上一座气承式膜结构的美国馆。当初这不过是临时性的展览建筑,但30年来膜结构却经历了巨大的变化。
  从膜结构的跨度来看,近似椭圆形的美国馆,两个方向的跨度针别为 140m和 83.5m。以后东京后乐园的气承式膜结构,最大跨度达201m。而美国亚特兰大的佐治亚穹顶,以椭圆形的屋顶覆盖了 240mxl92m的索膜结构。从当前的技术和材料条件看,完全有可能用膜结构来修建 1000m的大跨度建筑。从所覆盖的面积来看,1981年沙特阿拉伯吉大机场候机大厅的伞形悬挂膜结构的占地42万m2,已令人叹为观止。而如今在沙特阿拉伯的米拿,为了庇护来往的朝圣者,正在分三期建设与吉大机场类似的膜结构,总面积在100万m2以上,堪称 帐篷之城.膜结构作为一种现代化的工程结构,显示了当今建筑技术与科学的发展水平,也具有巨大的发展潜力,在新的世纪中,膜结构必将在建筑结构中占有重要的地位。
  (二)、不定的形状与形状的确定
  膜结构的突出特点之一就是它形状的多样性,曲面存在着无限的可能性。对于气承式空气膜结构来说,充气之后的曲面主要是圆球面或圆柱面,可能没有太多的选择余地。而对于以索或骨架支承的膜结构,其曲面就可以随着建筑师的想象力而任意变化。
  膜结构形状的千变万化突出地表现在历年各国举行的博览会上。在这些博览会上,大大小小的展览馆,无不以新颖奇特的造型来吸引观众,而膜结构就能用来达到这样的目的。例如1985年在日本茨城县举行的国际科学技术博览会,入口就是以五颜六色的膜材构成的拱形大门。在众多的展览馆中膜结构尤为夺目,象火鸟馆以钢梁与索组成的骨架支承扁平的凹凸屋面。美国馆以高耸的桅杆悬挂银白色的屋面。电力馆以中央塔架悬吊25个尖顶帐篷,夜晚通过灯光的反射宛如燃烧的火焰。其他象在候车亭、电话亭、走廊、厕所上也都出现了用膜材构成形式各异的建筑小品,蔚为大观。
  就形状而言,对建筑师说来是至关重要的。采用一般结构的建筑物,其形状往往是先由建筑师确定。膜结构则不同,首先它的变形比一般结构要大一些,其次它的形状是在施工过程中逐步形成的,有一个形状确定的问题,需要结构工程师的参与。要确定在初始荷载下结构的初始形状,即结构体系在膜自重(有时还有索)与预应力作用下的平衡位置。在初步设计阶段,先按建筑要求设定大致的几何外形,然后对膜面施加预应力使之承受张力,其形状也相应改变,经过不断调整预应力,最后就可得到理想的几何外形和应力分布状态。
  悬索结构中的索网与膜结构一样也有形状确定问题,象1968年蒙特利尔博览会的德国馆和1972年慕尼黑奥运会主体育场都有特殊的形状需要确定,当时只有借助于缩尺模型来解决。早期的膜结构也往往采用这个方法,材料从最简单的肥皂膜,一直到织物或钢丝。由于在小比例模型上测量的误差尚不足以保证曲面几何形的正确性,故对足尺的建筑外形只能起参考作用。但这还不失为一种有效的手段,能为设计者提供一个直观的形象。随着计算机技术的不断进步,膜结构的形状就更多地依靠计算机来确定。在膜结构设计理论中还出现了专门的研究课题--找形(formfinding)。为了寻求合理的几何外形,这个过程通过计算机的几次迭代,就可确定膜结构的初始形状。
  膜结构设计打破了传统的先建筑、后结构做法,要求建筑设计与结构设计紧密结合。在设计过程中,建筑师和结构工程师要坐在一起确定建筑物的形状,并进行必要的计算分析。这时,所设计建筑物的平面形状、立面要求、支点设置、材料类型和预应力大小都将成为互相制约的因素,一个完美的设计也就是上述矛盾统一的结果。
  (三)、从帐篷到永久性建筑
  过去人们习惯地把膜结构看作是个帐篷,而帐篷只能算是一个临时性建筑--不够牢固、不能防火、又不能保暖或隔热。如今对采用膜结构的帐篷却要刮目相看了,其中的关键问题就是材料。
  当初大阪博览会上的美国馆,由于是临时性的展览建筑,采用的膜材是涂覆聚氯乙烯(PVC)的玻璃纤维织物,算不上先进,但在强度上也经受了两次速度高达每小时140km以上台风的考验。通过这个工程使设计者认识到,需要一种强度更高、耐久性更好、不燃、透光和能自洁的建筑织物,70年代美国制造商开发的玻璃纤维织物即满足了如上的要求。主要的改进是涂覆的面层采用了聚四氟乙烯(PTFE,商品名Teflon一特氟隆)。这种材料于1973年首次应用于美国加利福尼亚拉维思学院一个学生活动中心的屋顶上。经过20多年的考验,材料还保持着70-80%的强度,仍然透光并且没有褪色,拉维恩学院膜结构的使用经验表明,涂覆PTEE面层的玻璃纤维织物,不但有足够的强度承受张力,在使用功能上也具有很好的耐久性,从乐观的估计来说,这种材料的使用年限将远不止当初所估计的25年。
  与此同时,一种价格比较低、涂覆PVC的聚酯织物在性能上也有很大的改进。制造商在原来的涂层外面再加一面层,比较成熟的有聚氟乙烯(PVF,商品名Tediar)和聚偏氟乙烯(PVDF),这种面层不但能保护织物抵抗紫外线,而且大大地改进了自洁性,这样就把聚酯织物的使用年限提高到15年;得以在永久性建筑中使用。
  1975年在美国密执安州庞提亚克兴建了平面尺寸243.9X183m的银色穹顶,这是第一次将气承式膜结构应用于永久性的大型体育馆。其后在北美地区,类似的膜结构就建了9座,其中象美国的明尼阿波利斯和加拿大的温哥华均位于北方地区。虽然象这样的充气结构也发生过几次不愉快的坍塌事故,但是膜结构终于登堂入室,进入永久性建筑的行列。日本在徘徊了10多年之后,也在1988年修建东京后乐园棒球场时采用了气承式膜结构。
  早期修建的膜结构大多是开敞式或位于气候温和的地区,还没有充份发挥膜材的围护能力,那么在寒冷和多雪地区,将是对膜结构作为永久性建筑的真正考验。1983年在加拿大加尔格里建成的林赛公园体育中心就是一个例证。在这座椭圆形的建筑中,游泳馆和田径馆各占一半,以一根横跨122m的格构式钢拱将两者分开。在钢拱与周边圈梁之间的钢索网支承着折线形的膜材屋面,采用涂覆PTEE的玻璃纤维织物,索网下设有纤维棉的保暖层,屋顶不但能防寒,还能透过4%的光线,这就足以在白天不用人工采光。此外在保暖层下面还有一层很薄的蒸气绝缘层,能起吸音作用。
  位于号称日本雪国的秋田县,最深积雪可达150cm。1990年建造了天空穹顶体育馆,其外形从球体截取,长边为130m、短边为100m。这座体育馆的设计构思来源于当地著名的雪窑洞,但置身其中又有在户外的感觉。屋盖承重是正交的格构式空间拱系,沿长方向采用空腹拱并设有钢索,沿短方向采用钢管拱。长向钢索被用来对膜面施加张力,同时与骨架在屋面形成V形槽沟,以便于雪滑落。紧贴屋面的钢管拱被用作输送暖风的通道,既起到融雪的作用,也解决了膜面的结露问题。膜材为单层玻璃纤维织物,透光率可达10%,在场中仰望屋顶,给人以通透明亮的感觉。在寒冷地区建造大跨度膜结构,秋田天空穹顶是一个成功的范例。
  (四)、膜的交承--空气、索或骨架
  膜材屋面以什么支承,始终是膜结构设计中有待于探索的问题。也许当初是从气球或橡皮艇受到的启发,人们考虑以空气为支承,就是向气密性好的膜材所覆盖的空间注入空气,利用内外空气的压力差使膜材受拉,结构就具有一定的刚度来承重。早在第二次世界大战后期,美国就曾用气承式膜结构建造了一些小直径的雷达罩棚用于军事目的,而大阪博览会的美国馆则是大跨度气承式膜结构的里程碑。在大阪博览会上还出现了一种气胀式膜结构,即将膜材本身做成一个封闭体,注入空气的压力要比气承式大得多。象富士馆就是以轮胎状的半圆形筒体组成50m直径的圆顶,在节日广场大跨度网架上,铺设的屋面板是上下两层,其为聚酯膜材,10.8m见方的充气板。
  气承式膜结构用作大跨度体育馆屋顶,建成之后由于在恶劣天气时维护不当,曾出现过好几次事故,轻者屋面下瘪,重者膜材被撕裂,砸坏了下面的设施。这些事故虽然只造成一些财产的损失,并没有人员伤亡,但在公共建筑中屋面出问题,还是引起了公众的关注,甚至对气承式膜结构是否安全也产生了疑问。
  1986年以后,在美国建造的大型体育馆就没有采用过空气膜结构,对于有些已建成的体育馆,其膜材将达到保证的使用年限,需改建时也不再考虑采用气承式膜结构。不过由于其造价低廉、安装方便,中小跨度的健身房、网球馆、仓库等,气承式膜结构还是受到欢迎。
  对膜结构能否用在永久性建筑上一向比较慎重的日本,却在东京后乐园采用了气承式膜结构。它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先进的自动控制系统,同时屋面膜材为双层,其间有循环的热空气,以融化雪。这个号称为机械、电子与土建相结合的智能建筑,确保了膜结构的安全与体育馆的正常运行。然而,曾几何时,昂贵的运转与维持费用又使后乐园背上了沉重的经济包袱。近年来日本大量建造穹顶,而没有继续采用气承式膜结构。1997年日本熊本公园体育场主屋盖采用了加劲索的双层气胀式膜结构,使空气再一次作为膜的支承。熊本穹顶融合了车轮型双层圆形悬索和气胀式膜结构的特点,成为一种新型的杂交结构。直径107m的圆形屋顶宛如一朵浮云覆盖着体育馆,双层膜之间的充气量远小于要对整个室内空间充气的气承式膜结构。一旦漏气,屋盖还可由钢索支承,不至于塌落。美国工程师盖格(D.Geiger)是气承式膜结构的先驱者,他设计了大阪博览会的美国馆,其后又将改进的玻璃纤维膜材用于银色穹顶。由于气承式膜结构出现过的多次事故,使他察觉到空气支承的潜在缺陷,转而寻求其他的支承方式。在此之前,美国的发明家和工程师富勒(B.Fuller)提出了张拉整体(Tensegrity)的概念,即以连续的受拉钢索为主,以不连续的压杆为辅,组成一种结构体系,然而他的概念始终没有在工程中实现。盖格创造性地把这个概念运用到以索、膜与压杆组成的索穹顶(cable dome)设计上,荷载从中心受拉环通过一系列辐射状脊索,受拉环索与斜拉索传到周围的受压圈梁上。索穹顶首先用在1986年韩国汉城奥运会的体操馆与击剑馆上,其直径分别为120m与93m。其后又得到了不断的发展,跨度最大的是美国佛罗里达州的太阳海岸穹顶,直径达210m。此外,美国李维(M.levy)也继承了张拉整体的构想,并采用了富勒的三角形网格,设计了双曲抛物面的张拉整体穹顶,其代表作就是1996年在美国亚特兰大举行的奥运会主馆--佐治亚穹顶,这个240mX192m的椭圆形索膜结构成为世界上最大的室内体育馆。主要依靠索来支承膜的索穹顶是膜结构体系的一大进展。膜材也完全可以支承在平面或空间结构上,如拱、网壳等,其材料可选用钢、木或铝合金。象日本秋田天空穹顶采用了钢结构的空间拱系,而位于同一地区的大馆穹顶,178mX157m卵形平面上以双向胶合木拱支承着双层膜面。膜结构还可以采用桅杆作为支承,赋予建筑立面以新的变化,第一个采用涂覆PTFE玻璃纤维织物的拉维思学生活动中心屋顶由4个圆锥形的帐蓬组成,每一个圆锥体有一倾斜15度的桅杆,支承膜材的钢索就由桅杆顶部幅射状地伸向周围的圈梁。英国千年穹顶的12根桅杆穿出了屋面,膜面支承在72根幅射状的钢索上,这些钢索则通过斜拉吊索与系索由桅杆所支撑,吊索与系索对桅杆起稳定作用。在这些建筑中,传统的承重结构与先进的膜面形成了完美的结合。从多年来国内外的实践经验来看,由于新材料、新形式的不断出现,膜结构具有强大的生命力,必将是21世纪建筑结构发展的主流。它的应用范围不仅限于体育或展览建筑,已向房屋建筑的各个方面扩展,因而具有广阔的发展前景。在中国,膜结构的开发与研究还刚刚起步,因此当务之急是学习并引进国外先进技术,开发生产我国自己的膜材,解决设计中存在的问题。膜结构在中国也将会得到越来越多的应用。
  四、膜结构领域
  文化设施--展览中心、剧场、会议厅、博物馆、植物园、水族馆等
  体育设施--体育场、体育馆、健身中心、游泳馆、网球馆、篮球馆等
  商业设施--商场、购物中心、酒店、餐厅、商店门头(挑檐)、商业街等
  交通设施--机场、火车站、公交车站、收费站、码头、加油站、天桥连廊等
  工业设施--工厂、仓库、科研中心、处理中心、温室、物流中心等
  景观设施--建筑入口、标志性小品、步行街、停车场等
  索膜结构起源于远古时代人类居住的帐篷。20世纪70年代以后,高强、防水、透光且表面光洁、易清洗、抗老化的建筑膜材料的出现,加之当代电子、机械和化工技术的飞速发展,索膜建筑结构已大量用于滨海旅游、博览会、文艺、体育等大空间的公共建筑上。英国泰晤士河畔的千年穹顶是膜结构体系的标志性建筑,为世界瞩目。索膜结构具有易建、易拆、易搬迁、易更新、充分利用阳光和空气以及与自然环境融合等特长,它是21世纪绿色建筑体系的宠儿。目前,在全球范围内索膜结构无论在工程界还是在科研领域均处于热潮中。近年来,我国建筑市场对索膜建筑技术的需求明显有大幅度增长的趋势,国外各大著名索膜技术专业公司纷纷登陆我国,刺激了我国索膜建筑事业的发展。随着现代科技的进一步发展,使人类面临着保护自然环境的使命。因此,天然材料和传统的古老建筑材料必将被轻而薄且保温隔热性能良好的高强轻质材料所取代。索膜建筑技术在这项变革中将扮演重要角色,其在建筑领域内更广泛的应用是可以预见的,可谓前程似锦。 环境、氛围、文化、建筑形式的和谐统一,是世界范围内建筑师、规划师追求的最高目标。人类进入21世纪如何理解、构思、创造和建设我们的生活空间?是当今建筑界面临的重要课题。正如世界建筑大师会北京宪章指出,广义建筑学.....从理念上和理论基础上把建筑学、地景学、城市规划的要点整合为一。这是广义建筑学对当代建筑师,规划师提出的新要求建筑环境设计不仅为人类们提供了广泛的活动空间,同时创造了气象万千的自然与人文景观,久居樊篱下,复得返自然。阳光、空气、绿草、水溪,人造景观把人们带入五彩缤纷,千姿百态的世界。以人为本、天人合一已是现代建筑环境学遵循的宗旨,是现代化城市建设必须遵守的原则。
  建筑环境与可持续发展具有鲜明的时代特征。现代化的城市是景观环境的依托,而环境的主体和服务目标则是现代人。建筑环境作为一种重要的社会文化,是人类的理想与意志的外在体现,也是时代特征和地域文化的有机结合同时,建筑环境也与社会生产力的发展以及当代科学技术水平密切相关。
  膜结构是随着现代科学技术发展起来的全新建筑技术表现形式,是材料科学、建筑学、结构力学以及现代环境学高速发展的综合产物。
  20世纪60年代随着现代柔性建筑材料的发展,建筑师们从帐篷着一最古老的简单建筑结构出发,构造出了魔幻般的形式--膜结构。它可以构成单曲面,多曲面等不同建筑结构形式,满足了建筑师们对建筑与美学高度统一的要求。
  柔性材料具有透光和防紫外线功能,在一些室外建筑和环境小品中得到广泛的应用。正是由于这一特征,夜间的灯光设计使膜结构具有鲜明的环境标志特征。优美造型的膜材,不锈钢配件和紧固件加上设计轻巧合理,表面处理严格的钢结构支撑,塑造出形式美观,设计合理的膜结构,在当今世界范围内的建筑环境设计中占有举足轻重的地位。
  1.娱乐空间
  近年来,随着建筑空间观念的日益深化以及科学手段的不断提高,回归自然、沐浴自然之温馨已是现代建筑环境学发展的主流。室内外的视线越来越模糊,出现了许多亦内亦外、相互渗透的不定空间,如:天井、四季厅、动植物园、体育、文化娱乐场所等。由于膜材的光透性,白天阳光可以透过膜材形成慢射光,使室内达到和室外几乎一样的自然效果,因此膜结构能创造出与自然环境相媲美的空间形式。
  2.标志性小品
  一个城市的中心区反映一个城市的地理风貌和民族风情,同时,也是一个城市文化发展程度的标志。而景观设计要求其具有广泛的可读性、雅俗共赏,既有超凡脱俗的艺术价值,又能使大众喜闻乐见与大众息息相通。膜结构以其鲜明的个性和标识性,应用于城市小品设计中。
  3.绿色漫步道
  近年来,在人口密集的大城市,在居住区周边配置绿色空间并有人行步道。居民可以在不受车辆的影响下,在居住区附近的街心地带轻松愉快地散步、休憩,而感到十分惬意。在绿色空间中构造一座膜小品,即生动的美化了环境--如同广阔绿洲中的点点白帆,又有很强的功能性--人们可以在行走之暇小憩一会儿。
  4.商业街
  商业街在城市中占有相当大的比重。商业街的建筑与环境是城市文明的窗口,代表着物质文明和精神文明的水平,同时,也是景观环境的重要组成部分。膜结构轻巧别致极具现代化风格,且易于安装移动,在商业街设计中得以广泛应用。
  5.建筑入口
  建筑入口使城市公共空间与建筑空间相邻的界面,成为城市空间的组成部分。它是人们视觉最先接触的部分,因此,除了功能以外,还应有很强的标识性,并能体现建筑的个性,是建筑环境和城市景观的重要组成部分。由于膜结构独特的造型是其他结构类型无法比拟的,故成为近来建筑入口经常采用的形式。
  6.步行街
  利用膜结构轻巧,别致的造型建造各种半封闭,全封闭的不行空间,使其形成全天候的 武汉车场680方建筑空间,提供防风雨,防日晒等人工环境,并有较好的标识招揽效果,因此是步行街改造和新建的绝佳选择。
  7.停车场
  随着都市现代化步伐的加快,汽车成为任何一个都市不可缺少的交通工具。我国由于汽车工业高速发展,城市的汽车拥有量成倍上升,但城市建设规划没能尽快适应这一发展的要求,常常是车无停放之地。所以在建设群规划时就应充分考虑停车场的问题,把停车场的建设和规划当成现代城市建设规划的重要组成部分,变得越来越重要。同样,膜结构在停车场建设中也担当重要角色。
  生活在现代都市的人们已经从过去以谋生为目的的社会行为走上了以乐生为目的的新台阶,在精神上追求健康向上,愉快和富有人性的文化环境。现代建筑环境是现代城市,现代文化与社会,现代人的生活和观念的综合表象。在展现人的个性化,自娱性和多元性环境空间方面,膜结构以其独具魅力的建筑形式,必将会在环境建设中得到越来越广泛的应用。
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