馮 霖

(四川省明杰設計顧問有限公司，四川成都 610023)

眾所周知，膜材的實質(zhì)是一種輕型的表面材料，這種輕型表面材料的使用已經(jīng)有數(shù)千年歷史。從最原始建筑模型之一的帳篷，發(fā)展到現(xiàn)在已成為建筑領域不可或缺的一種建造形式。1937年Le Corbusier設計的巴黎世博會展覽中心，將過往歷史中建造帳篷所利用的手工技巧與現(xiàn)代建筑元素，比如鋼材和輕型結構的理念，大膽地結合起來，從而開創(chuàng)了一種新的現(xiàn)代建筑形式。

1 膜結構建筑的應用

1967年蒙特利爾世博會上的德國館(圖1)讓更多的人開始注意膜結構建筑。整個20世紀60年代以及70年代早期，幾乎在世界各地都建造了一定數(shù)量的膜結構建筑，它們分別承載了多種不同功能，其形式本身和功能皆歷經(jīng)了多次檢測及考驗，證明了膜結構建筑對城市建設所具有的重要意義。

隨著1972年慕尼黑奧運會場的成功，膜結構成為了體育場館建造的重要設計手段，2000年迪拜伯茨酒店(圖2)，著名的帆船外形使之成為膜結構在建筑立面應用上的典范，而近年來充氣膜結構和大型氣候殼的發(fā)展，也引領了對建筑物氣候調(diào)節(jié)、重物負荷、防火節(jié)能等領域的研究應用。

圖1 1967年蒙特利爾世博會—德國館

圖2 2000年迪拜伯茨酒店

2 膜材的分類

一棟膜結構建筑的完成有賴于多種因素共同發(fā)揮作用，其中最形象最直觀的就是大面積的建筑膜材本身。正是膜材本身的質(zhì)量以及特點決定了建筑物此后相當長一段時間內(nèi)的外觀、功能以及客戶的滿意程度。因為建筑膜材是一種靈活性非常強的建筑元素，只能在施加張拉力的情況下才能得到固定，所以膜材本身的張拉力和彈性都是重要的選擇標準。至今為止，世界上大約90 %的膜結構建筑采用了以下三種材料：

(1)PTFE(聚四氟乙烯)涂層玻璃纖維，例如倫敦千年穹頂(圖3)。

圖3 倫敦千年穹頂

(2)PVC(聚氟乙烯)涂層聚酯纖維，例如斯圖加特Gottlieb Daimler體育場(圖4)。

圖4 斯圖加特Gottlieb Daimler體育場

(3)ETFE(四氟乙烯聚合物)膜材，例如康沃爾郡伊甸園(圖5)。

圖5 康沃爾郡伊甸園

從20世紀中期開始這三種材料就已漸次運用于建筑領域，使用這些膜材的相關技術都已經(jīng)達到了相當成熟的水平，且都有潛力在原有性能基礎上派生出各種新的材料以滿足不同建筑結構的需要，在經(jīng)濟和技術層面上為設計師和客戶提供更優(yōu)選擇。

對膜結構建筑或需要使用膜材的其他建筑設計來說，在早期就應該認真考慮諸如膜材選擇等的重要問題。在建筑設計的概念階段要決定選用何種建筑材料，不僅要考慮建筑技術和造型方面的元素，而且要將整個工程的總體投資考慮在內(nèi)。至于是否采用膜結構建筑方案，或者是否使用某種膜材，則應由項目所涉及的各專業(yè)設計人員和客戶甚至施工單位共同討論決定。可以說所有項目，對建筑使用功能和細節(jié)要求的考察和評估都對材料選擇有很大的影響。例如，按照建筑設計防火規(guī)范，某個項目需要絕對防火，那么建筑材料的“不燃性”就是最基本的要求，達不到要求的材料就要排除。同樣，不同膜材具備不同的特性，需要對膜材的分類和特性有所了解。

膜的材料分為織物膜材和箔兩類，織物膜材又分為涂層和未涂層膜材。未涂層膜材通常用于室內(nèi)、外懸掛式織物頂棚，也可作為空間隔斷、遮光幕、隔熱和吸聲材料等，由生纖維織物平織或曲織而成。而生產(chǎn)涂層膜材，則需要對生纖維進行一系列的預處理，比如在其兩面分別涂上PVC材料或硅樹脂(生產(chǎn)聚酯纖維時)，或者分別涂上PTFE材料或硅樹脂(生產(chǎn)玻璃纖維時)。涂層與纖維間存在的強大膠著力使得以搭接縫方式聯(lián)合起來的各涂層織物表面能夠產(chǎn)生大或等于材料本身的力量。在膜材的生產(chǎn)過程中，涂層在膜材生產(chǎn)中有著重要的角色，它一方面可以保護織物免受諸如潮濕或紫外線等的損害，另一方面也可以增強強度和抗污力延長織物的使用壽命。

在所有涂層或?qū)訅?、封閉式或?qū)捑W(wǎng)格纖維中，PTFE涂層玻璃纖維以及PVC涂層聚酯纖維達到了作為外部建材以及大型建筑及組合單元自然天氣遮蔽物使用所需的所有重要技術性要求。

PTFE涂層玻璃纖維有賴于其較長的使用壽命、不燃性以及有助于表面自潔的低黏著系數(shù)，贏得了廣大使用者的信任。低可燃性PVC涂層聚酯纖維表面涂有各種功能加強性材料(比如涂有含氟聚合物最外涂層)，既經(jīng)濟又具備極佳的機械屬性。并且因為它在折疊時具有很好的抗裂性，所以多年以來一直成功用于折疊式膜材建筑，以及臨時性、可再利用膜結構建筑。除含氟聚合物最外涂層以外， PVC涂層聚酯纖維還可使用其他功能性外部涂層材料，比如杜邦薄膜尤其適用于接觸強烈紫外線面積較大的建筑，因為這種材料具有保護內(nèi)部涂層材料免受紫外線損害的功能。

很多建筑工程中PTFE涂層玻璃纖維與PVC涂層聚酯纖維可以替換使用。已裝配好的PTFE玻璃膜材因為其自身的一些技術優(yōu)點通常貴于PVC聚酯纖維，不過從張拉力角度來看，二者并無差別。與PVC聚酯纖維相比，PTFE玻璃纖維的一些特點，如低彈力、低屈撓性(容易導致破裂或涂層自我侵蝕)等，對連接、建造、安裝甚至一定程度上對結構框架設計上的細節(jié)提出了更高的要求。

其他一些新型膜材還包括：PTFE層壓玻璃纖維，表面不加涂層而是增加了透明含氟聚合物膜，這樣膜材的透明度大大提高(高達50 %)，但材料仍擁有較大的力量，完全能夠用于中小跨度的建筑物；涂層PTFE纖維，這種膜材純粹以PTFE材料為基礎制作，擁有高透明度和防水性能，而且一旦在其外部涂加一層特殊涂層便可焊接，使得在世界各種氣候區(qū)建造高性能的可折疊式膜結構建筑成為可能；硅樹脂涂層玻璃纖維和PTFE涂層玻璃纖維有同樣的防火系數(shù)，但價格更便宜，在提高了抗污性后，有望成為PTFE涂層玻璃纖維的替代品。

相比于其他建材，一般的織物膜材使用壽命不算長，一般在15～25年之間。能夠作為建筑物外部建材長期成功使用的膜材只有以含氟聚合物為基礎制成的箔。此類高性能箔(比如從ETFE材料制成的箔)通常經(jīng)模壓工序成形以獲得高質(zhì)量以及持久的材料厚度，另外模壓工序也能保證材料的最大透明度。

常用箔包括ETFE箔、THV箔以及PVC箔。ETFE箔主要是以雙層或者多層形式用于充氣式結構建筑，與其他透明塑料或者玻璃相比，它具有明顯的優(yōu)勢：它的重量極小，每平方米不足一千克，所以與玻璃相比，它更容易建成大跨度表面，而且結構更輕巧。同時它允許不規(guī)則彎曲表面的形成，所以為建筑設計多樣化提供了更大的空間。除此之外，這種膜材擁有完全可再利用性以及高度紫外線透明度，而且擁有表面自潔功能，因此允許各種形式的粉刷或油漆。但由于這一膜材對細節(jié)設計、建造以及安裝等方面的技術要求很高，所以一般只有擁有豐富使用經(jīng)驗而且熟悉其使用技巧的建筑師才能成功使用，在我國比較成功的是水立方(圖6)這個案例。

圖6 水立方局部外立面

THV箔在化學屬性上與ETFE箔有一定聯(lián)系，它適用于錨固的拉索網(wǎng)設計以及遮棚建造。THV膜材具有透明、有彈性、易施工等優(yōu)點，但與ETFE膜材相比更易破裂，所以只能用于跨幅較小的建筑設計。PVC箔則適用于中小跨幅臨時性建筑的內(nèi)部裝潢和照明頂棚。PVC膜材的伸展性能受溫度影響較大，而且此膜材力量較小，一般不用于外部長期固定建筑的建造。

3 膜材在建筑設計中的選擇

根據(jù)以上分類，可以大致了解各種膜材的特性，做出膜材種類的初步選擇。而在膜結構建筑設計中，要最終確定合適的膜材，還需要對產(chǎn)品的一系列屬性做判斷，進一步選擇出符合項目條件和使用要求的膜材。

首先是跨度，一方面，結構計算前會根據(jù)膜材的曲率半徑，按規(guī)范對風和雪荷載取值后，估算出模塊的最大跨度。而另一方面，一種膜材的最大跨度也受其自身機械屬性的限制。因此，設計中每個模塊的可能長度及其總面積不僅取決于結構計算，還取決于生產(chǎn)和裝配階段時采取的措施。

其次是張拉力和抗撕裂能力，結構計算會對膜材的強度有所要求，如果設計需要使用某種膜材，就一定要將這種具體材料的強度考慮在內(nèi)，包括膜材縫合處的強度。雖然廠家會提供一系列強度數(shù)據(jù)，不過在具體建筑工程或者具體膜材的應用時，仍需要進行具體檢測。

此外，膜材的重量、燃燒性能、使用壽命、適用溫度范圍、抗彎折性能、隔音效果、吸聲性能、隔熱性能等屬性，有優(yōu)勢也有劣勢，在做膜結構設計時需要充分考慮。隨著社會的發(fā)展，對建筑項目的品質(zhì)要求越來越高，膜材作為一種建筑材料，對其也有了更高屬性要求。根據(jù)不同的使用方向和項目條件，在技術研究人員的努力下，膜材的顏色、可涂繪性、防紫外線和抗風化性能、自潔功能、抗化學物質(zhì)侵蝕、光透射系數(shù)、光反射以及光吸收系數(shù)、節(jié)能以及再利用等方面，都有了長足的發(fā)展，讓我們在進行膜結構建筑設計時有了更多實現(xiàn)創(chuàng)意的選擇。

4 膜結構的支承方式

膜結構建筑造型豐富多彩、千變?nèi)f化，除了給人強烈印象的大面積膜材外，膜結構中的支撐體系其實也起著非常重要的作用。大的膜結構通常表現(xiàn)出基本支撐結構與表皮的理想的共生關系，承受拉應力的膜材面層和承受壓應力的支撐體系就像皮膚與骨骼的關系，具有很強的互補。按照膜結構的支承方式，我們可以將其大致分為骨架支承式膜結構、張拉膜結構和充氣式膜結構。

骨架支承式膜結構是以鋼材或是其他材料構成支撐骨架，在其外部固定膜材的構造形式。因下部支撐結構穩(wěn)定性高，建筑造型比較容易把握，受膜材特性限制小，且經(jīng)濟性好等特點，廣泛適用于任何規(guī)模的建筑空間，但膜材在結構體系中只是起輔助作用，不能完全展示膜結構的魅力。

張拉膜結構以膜材、鋼索及支柱構成，利用鋼索與支柱在膜材中導入張力以達到穩(wěn)定的構造形式，具有豐富的表現(xiàn)力，可以實現(xiàn)更有創(chuàng)意、獨具特色的造型，并且也是最能展現(xiàn)膜結構特質(zhì)的構造形式。因為要充分考慮和結合膜材特性，施工精度要求更高，結構性能要求更強，所以造價略高于骨架支承式膜結構。

充氣式膜結構是將膜材固定于圍護結構周邊，通過送風系統(tǒng)讓室內(nèi)氣壓上升到一定壓力，使建筑室內(nèi)外產(chǎn)生壓力差，將空氣作為膜表皮的支撐元件，以抵抗外力的構造形式。因利用氣壓來支撐，鋼索作為輔助材，無需任何梁、柱支撐，所以施工快捷，可得更大的空間，但容易受大風、積水積雪影響產(chǎn)生顯著而頻繁的形變，需保持 24 h送風機運轉(zhuǎn)，維持整個內(nèi)部空間的較高壓力，必要時還要送暖風化雪，長期來看，在持續(xù)運行及機器維護費用的成本上較高。

雖然說是有以上的分類，但也有很多膜結構建筑并不局限于此。膜結構最主要的優(yōu)勢包括：重量輕、較好的彈性(可以提供很大的膨脹范圍以及吸收一定程度結構變形的能力)以及較大范圍的透光性能，因此為了給膜結構提供更大的幾何范圍，以充分展現(xiàn)其優(yōu)勢，有很多大型結構都采用了復合型結構或者優(yōu)化發(fā)展后的進化型結構。

比如純索體系與較柔的剛性承載構件的組合，可以使這個結構類型適用的建筑范圍更加廣泛。例如德國沃爾夫斯堡大眾體育場(圖7)屋頂，就采用了混合體系，通過在環(huán)索之上延伸懸臂的放射狀桁梁產(chǎn)生了一條與場地平行的屋頂線，既運用了張拉膜結構又運用了骨架支承式膜結構。

圖7 德國沃爾夫斯堡大眾體育場

在張拉膜結構的基礎上，還衍生了一種索支撐網(wǎng)狀結構，就是采用鋼索構成鋼索網(wǎng)以支撐上部膜材的索網(wǎng)形式，當跨度過大或表面曲率過小時，膜材會達到其建筑工程特性的極限，針對這種情況，膜面的工程特性可以由網(wǎng)狀的拉索結構替代，這樣該建筑結構就變成了索網(wǎng)結構，膜材成為單純的表皮材料。當索網(wǎng)被用來加強膜表皮時，更大的模塊間距成為可能，這對充氣膜結構的大型氣承表皮很有意義，法國尼姆古羅馬圓形競技場修繕加頂?shù)墓こ叹筒捎昧顺錃馐侥そY構與索網(wǎng)結構的結合，并取得了良好效果。

充氣式膜結構也有不少的優(yōu)化發(fā)展，前面說過其最大缺點就是長期運營維護費用高，但將其表面設計為一種將空氣 密閉在兩層薄膜之間的真正充氣枕形式后，一定的此類費用就可以避免。在這種建筑形式下，壓力損失小，并且豎向荷載也不再通過空氣柱傳到地面，而是通過處于受壓狀態(tài)的上層預張拉膜以及下層處于張拉狀態(tài)的膜來傳遞。這種表面自成支撐體系的充氣式膜結構就是氣承表面結構，瑞士紐卡特爾國家展覽館就采用了這種形式。與氣承表面的形式相類似，充氣的線性支撐構件也能結合腔體和空氣來制作。一般而言，它們將成為軸對稱的承荷構件，以充氣拱或充氣梁的形式存在。有了這些多種多樣的氣承結構，充氣式膜結構建筑的設計也更靈活多樣。

5 結論

21世紀以來，隨著技術的不斷進步，膜結構的使用范圍越來越廣泛，對我們建筑設計師來說，有一點格外重要，那就是在所有膜結構建筑的設計中，應該以材料的技術特性以及創(chuàng)造預應力表皮形狀所遵循的規(guī)律為出發(fā)點。以這種原則為指導，才能不斷創(chuàng)新設計出優(yōu)秀的膜結構建筑作品。