本文轉自：iStructure，ID: iStructure2017
gooood谷德設計網，ID:gooood-cn
本文共分為5部分，詳細介紹了膜結構的材料特性和使用案例，精彩的現代膜結構設計案例讓人眼前一亮，看似普通的膜結構竟然也這么有設計感。
01.膜結構的材料特性
02.膜結構受力特性
03.膜結構形式分類
04.膜結構其它特性
05.膜結構案例欣賞
－正文開始－
膜結構作為一種空間結構形式
最早可以追溯到遠古
人類用木頭搭建結構骨架
覆蓋上獸皮或草席
用繩子或石塊固定在地上
建成簡易的房子
△ 以獸皮建造的帳篷
近代膜結構
受到馬戲團大型帳篷的啟發(fā)
并隨著新型膜材料和高強鋼索的研發(fā)
以自由、輕巧、柔美，充滿力量感的造型
在建筑領域的應用越來越廣泛
△ 常見的膜結構形式
此外
因為膜結構建造快、方便安裝和拆卸
特別適用于小型、臨時的
或使用年限較短的建筑
膜結構建筑打破了以往建筑形態(tài)的模式
以其獨特新穎、豐富多彩的造型、優(yōu)美的曲線
成為城市的象征性建筑
給建筑設計師與規(guī)劃師提供了
更大的想象和創(chuàng)造空間
△ 現代膜結構創(chuàng)新設計案例
△ 現代膜結構創(chuàng)新設計案例
01.
膜結構的材料特性
建筑中最常用的膜材料
主要有PTFE膜、PVC膜和ETFE膜三種
膜材的選擇
往往取決于建筑物的功能
防火要求、設計壽命和投資額
PTFE
▽
在極細的玻璃纖維(3微米)編織成的基材上
涂覆聚四氟乙烯等材料
· 永久性建筑的首選膜材料，使用壽命在20~30年以上；
· 強度高、耐久性好、自潔性好，且不受紫外光的影響；
· 高透光性，且透過的光線為自然散漫光，不產生陰影和眩光；
· 反射率高，熱吸收量少；
· 燃燒性能A 級；
▲ 欣賀設計中心，廈門 / MAD
在立體花園的外側懸掛著半透明的 PTFE 膜材
在炎熱季節(jié)起到遮陽和通風作用的同時
也讓建筑看起來飄逸，輕盈
好像一層透薄柔軟的皮膚覆蓋在建筑骨架之上
馬巖松解釋——我覺得有意思的是
一棟內部具有理性邏輯的結構
看上去卻有隨風飄動的感覺
▲ 蘇州奧林匹克體育中心，體育場屋頂覆蓋PTFE膜，采用單層索網結構，這在中國尚為首創(chuàng)。
PTFE在1979年左右出現后
從各方面改善了膜材的特性
使得膜結構從帳篷或臨時性建筑
發(fā)展到永久性建筑
PVC
▽
以尼龍織物為基材
涂覆PVC 或其他樹脂
早期的膜材，使用年限一般為7到15年；
強度及防火性與PTFE相比具有一定差距；
自潔性較差，可在PVC涂層上再涂PVDF樹脂；
另一種涂有Tio2（二氧化鈦）的PVC膜，具有極高的自潔性；
燃燒等級B1 級，不及PTFE膜；
▲ “中國種子”—2015米蘭世博會中國企業(yè)聯合館，意大利
同濟設計集團
建筑表皮材料選擇白色PVC膜
并借助鋼結構大尺度懸挑
使建筑體量輕靈而飄逸
入口處簾幕掀起
建筑空間內外相生、上下貫通
與外部世博景觀相互融合
▲ 倫敦奧運會籃球館，可回收PVC膜在后面的結構的作用下形成優(yōu)美的起伏
ETFE
▽
乙烯-四氟乙烯共聚物薄膜
非織物類
耐久性好，15年以上惡劣氣候，力學和光學性能不改變；
耐磨、耐高溫、耐腐蝕，絕緣性；
密度小，抗拉強度高，破斷伸長率達300%；
表面非常光滑，極佳的自潔性能，灰塵、污跡隨雨水沖刷而除去；
阻燃材料，熔后收縮但無滴落物。
▲ The Shed藝術中心，紐約，ETFE覆面和滾輪裝置
The Shed的高度為37米
其可移動的外殼由裸露的鋼斜架構成
外部包覆以強韌而輕巧的透明ETFE墊層
這種材料擁有與隔熱玻璃相同的熱力性質
但質量要輕許多
▲ 2019中國北京世界園藝博覽會中國館，由玻璃和ETFE膜作為頂面的二層展廳
02.
膜結構受力特性
（高效的張拉結構）
膜結構是以高強度的柔性薄膜材料
經張拉或充氣形成穩(wěn)定的曲面
承受外荷載的結構形式
其造型自由、輕巧、柔美，充滿力量感
.jpg)
結構形式譜系簡圖
在上面的結構體系簡圖中
膜結構屬于利用形抗的全軸力張拉結構
其結構效率是非常高的
利用膜材料的高抗拉強度
單獨考慮膜材的跨度與其厚度的比值
可以達到1/10000
是最極致的輕型結構
構件尺寸與跨度的比值(估算）
03.
膜結構形式分類
根據膜結構的成形方式和受力特點
一般可以分為
張拉膜、充氣膜和骨架膜三種
比較形象的比喻是
張拉膜像帳篷
充氣膜像熱氣球
骨架膜像蒙古包
幾種張拉膜和充氣膜
張拉膜
利用馬鞍面或者其它曲面正反曲率的特點
給膜材施加張力
以提高膜結構的剛度
抵抗外荷載
弗雷·奧托
最早把這一創(chuàng)意應用于建筑
創(chuàng)造出自由多變
輕盈飄逸的建筑造型
▲ 卡塞爾聯邦花園展覽音樂廳, 1955
奧托1955年設計卡塞爾聯邦花園展覽音樂廳
像是一個四點支撐的帳篷
依靠邊索給膜施加預應力
使帳篷的外形呈現兩頭向上、兩頭向下的形狀(馬鞍形)
這個設計宣告了帳篷設計進入了全新的時代
▲ 科隆園藝展舞場，1957
不久之后
他設計了科隆園藝展舞場
由6根梭形柱撐吊起張拉膜
再以6根穩(wěn)定索向下壓住膜材以平衡受力
覆蓋了直徑33米的室外舞場區(qū)域
從結構體量和設計方面來說
該結構第一次超出了“帳篷”的意向
▲ 科隆聯邦庭院展覽入口拱門, 1957
科隆聯邦庭院展覽入口拱門
是膜和鋼結構拱的組合
拱門跨度34m，跨越整個售票大廳
鋼結構拱為膜提供張拉支承條件
膜張緊后又為鋼拱提供側向支撐
鋼拱的截面非常小
直徑僅為171mm、壁厚為14mm
如今，現場所呈現的是當年的復制品
與原作相比其跨度小而受壓拱的截面卻更大
1964年
弗雷·奧托成立了“輕型建筑研究所”
被稱為“建筑天空的起飛跑道”
他的代表作蒙特利爾博覽會西德館
德國慕尼黑奧運會雖然為索網張拉結構
但幾乎完美地呈現了張拉膜的形態(tài)
因為索網結構與張拉膜結構具有類似的受力原理
▲ 慕尼黑奧林匹克體育場
1967年蒙特利爾世博會的德國館
8根鋼鐵的桅桿和5厘米直徑鋼纜結成的索網
支撐起半透明的白色滌綸帳篷
這一輕型化大跨度的建筑
成為1972年慕尼黑奧運主場館的先聲
.jpg)
▲ 蒙特利爾博覽會德國館，1967
膜材一般不能單點受力
(局部拉應力過大，可能會撕裂)
當“膜”面內僅僅由一根桅桿支撐時
為了將膜材的內力傳遞到帳篷的高、低點上
通常需設置脊索、谷索、索圈（即“索眼”）來實現
類似于上圖蒙特利爾博覽會德國館的作法
▲ 慕尼黑奧運會主場館, 1968–1972
丹佛國際機場航站樓
是為數不多的整體采用膜結構的機場
76米x285米的大空間
沿長邊方向劃分為17個單元
▲ 丹佛國際機場航站樓：鳥瞰
每個單元由間距45.8米的兩根支柱
撐起山峰形的脊索
柱間為起穩(wěn)定作用的谷索
以脊索和谷索為邊界結構
其間的張拉膜材覆蓋建筑大空間
▲ 丹佛國際機場航站樓：室內
2010年上海世博會主入口的世博軸
也采用了張拉索膜結構
由德國SBA公司和華東建筑設計研究院設計
全長1045米、寬約100米的世博軸
由6個喇叭形的“陽光谷、13根大型桅桿
數十根斜拉索和巨大的膜結構組成
▲ 上海世博會世博軸，2010年
骨架膜
骨架膜是以剛性構件作為骨架
以膜材作為覆蓋材料
主要由剛性骨架承受外荷載
由于膜材的透光性和張力感
使得骨架膜結構的大空間更加明亮、開放、富有力度感
▲ 蓬皮杜梅斯藝術中心, 2010
蓬皮杜梅斯藝術中心
由坂茂建筑事務所（Shigeru Ban Architects）設計
以15m跨度為模數
3個縱深長達90m的長方體彼此垂直層疊
木結構屋面表面覆蓋PTEE薄膜
呈現出極佳的效果
▲ 漢諾威世博會日本館，2000，坂茂、奧托
2000年，奧托和與坂茂合作了漢諾威世博會日本館
采用了與曼海姆大廳類似的網殼結構
只是屋面網格的木材換成了紙卷
充氣膜
利用氣壓使膜產生張力
以此來抵抗外力的結構
稱為充氣膜結構
具體又分為氣承式和氣脹管式兩大類
是現代膜結構擺脫馬戲團帳篷形象的一次嘗試
簡單地理解
氣承式是利用膜內外氣壓差
使膜產生拉力來平衡外荷載
類似于熱氣球
氣承式(熱氣球) / 氣脹管式(充氣棒)
氣脹管式的原理是
利用充氣使得管(梁或拱)形成抗彎和軸向剛度
以承擔外荷載
類似于常見的充氣棒
氣脹管式充氣膜所需要的氣壓比氣承式的更大
結構效率比氣承式低
氣承式和氣脹管式受力原理簡圖
充氣膜結構建造方便、快速
最初用于軍用設施
Votta Byrdr從美軍雷達穹頂、兵營
和倉庫充氣膜結構的建造中積累了經驗
于1957年采用充氣膜建造了自家的游泳池簡易棚
第一次把這種結構形式帶入到大眾的建筑領域
以1970年大阪世博會為展示契機
膜結構因建造快速簡便
被眾多國家場館所采用
其中最具代表性的美國館和富士館都是充氣膜
▲ 大阪世博會上的美國館,1970
美國館的方案是由蓋格爾(D.Geiger)提出的
低拱度空氣膜結構，屬于氣承式
在長軸142米、短軸83.5米的橢圓形壓環(huán)內側
用索張拉膜材(聚氯乙烯噴涂的玻璃纖維布)
美國館穹頂的垂度非常低(僅1.6m)
垂度低的充氣穹頂受到的風荷載分布比較均勻(吸力)
這對保持膜結構形態(tài)和承載力的穩(wěn)定非常有利
▲ 大阪世博會上的美國館,1970
與美國館不同
富士館是一種拱形的充氣膜
只對拱形管充氣
建筑物內部氣壓與室外氣壓相同
出入口不需要氣門鎖，完全自由
同時結合橫向索和纜風索
形成整體穩(wěn)定的結構
充氣拱的管狀截面直徑約4m
膜材為噴涂有彈性橡膠的聚乙烯醇纖維布
充氣氣壓比室外大氣壓高800mm水柱
每個單元有16根拱，拱長均為72m
但每根拱的拱高和拱腳跨度不同
最終呈現出獨特的形狀
富士館以前所未有的結構系統(tǒng)和形態(tài)
震驚了世界
▲ 大阪世博會富士館,1970
建筑設計：村田豐，結構設計：川口衛(wèi)
PTFE這種不可燃、高耐久性膜材的出現
為充氣膜形式的永久建筑提供了技術上的可行性
20世紀七八十年代
美國和加拿大建造了大量的
蓋格爾充氣膜(單層低矢高氣承式膜結構)的體育館
然而，由于充氣穹頂在風雪影響下
受損甚至倒塌的事故多次發(fā)生
且建筑維護費用高(維持氣壓和修補)
漸漸地充氣穹頂被其它形式的穹頂所取代
事故原因包括多種因素
膜材料壽命(通常20-30年左右)
風雪天氣的大幅降溫使得氣壓不穩(wěn)定
低矢高穹頂易積雪
撓度大和積雪進一步增大的惡性循環(huán)
除雪困難等
▲ Hubert H. Humphrey Metrodome，蓋格爾設計
2010年因暴雪導致膜材撕裂，內部氣壓驟降而垮塌
04.
膜結構其它特性
相比與其它結構材料
膜還有一些獨特的性質
比如光特性(透光、遮光、泛光)、可折疊、可卷起
利用這些特點
能設計出更加有趣的結構
▲ 2012歐洲足球競標賽賽場，波蘭
利用膜的可展特性
實現屋蓋中心的開啟和封閉
以膜作為張拉材料的張拉整體結構
壓桿之間不直接連接
以膜構成的空間有無窮無盡的可能和魅力
綜合考慮功能與形態(tài)、造型與力
材料、系統(tǒng)、節(jié)點、織物裁剪、施工方法等等
膜結構設計也是一種妙趣橫生的探索過程
05.
膜結構案例欣賞
泰山九女峰書房
gad · line+ studio
屋面內外的雙層白膜都由一序列尺寸漸變的拱形輕鋼龍骨張拉而成，精確保證了屋面異形造型的流暢、柔美、順滑。
響沙灣蓮花酒店，內蒙古庫布齊沙漠
PLAT ASIA
蓮花酒店位于中國內蒙古庫布齊沙漠的響沙灣。蓮花的形式源自浩瀚沙漠中沙丘的形式，膜結構不僅是一種視覺景觀，更承擔著室內遮陽的作用，預估在冷卻系統(tǒng)上能降低碳排放及電能的消耗。
DOX+當代藝術中心
Petr Hájek Architekti
這棟建筑來自于對1970年代原有建筑的更新改造，鋼筋混凝土表面穿上一層柔軟的立面，塑料薄膜在極端嚴寒的天氣中不會因收縮而撕裂，并且當陽光照射表面溫度升高時，也不會失去張力。
黑瞎子島北大荒現代生態(tài)園，黑龍江
上海建筑設計研究院有限公司，第一原創(chuàng)工作室
北大荒生態(tài)公園位于黑霞子島，自重極輕，熱工性能優(yōu)異的三層ETFE氣枕作為表皮是整個建筑的特色。聚向的6m×6m氣枕形成的巨大三角向中心逐漸變小?？s小，使建筑形體的向心力增強，仿佛擁有堅固的磁場，壓縮了周邊的空間。
▲ 建筑表皮采用了熱工性能優(yōu)異的三層ETFE氣枕
2014年FIFA世界杯 “馬內·加林沙”國家體育場，巴西
gmp
懸掛式屋面由雙層結構組成，通過混凝土壓力環(huán)固定。上層為半透明PTFE膜結構，下層為背面照明的膜結構。
奧胡斯大學可持續(xù)發(fā)展溫室競賽溫室，丹麥
C. F. Møller
北京地鐵昌平線西二旗站
李興鋼建筑工作室
根據側式站臺的特征，車站采用了雙四邊形組合建筑斷面形式，并以PTFE膜結構作為屋面和立面維護材料和結構，實現了內部基本無柱的長向大空間。
蛇形畫廊，英國
扎哈.哈迪德
蛇形畫廊擴建由扎哈.哈迪德（Zaha Hadid）操刀，餐廳外面的白色殼體是玻璃纖維編織的紡織膜，外膜是PTFE涂層玻璃纖維布，內膜是有機硅涂層玻璃纖維布，外圈收口為玻璃鋼。
倫敦奧運會籃球館
Wilkinson Eyre Architects
倫敦奧運會籃球館是奧運會歷史上最大的臨時場館。場館高30m，面積兩萬平方米，外敷可回收PVC膜，膜在后面的結構的作用下形成優(yōu)美的起伏。透光的外表皮可以使得場館在白天可以非常少的依賴人工照明。
倫敦奧運會射擊場
Magma Architecture
設計這項運動，觀眾的肉眼很難看輕，因此設計的重點希望通過動態(tài)的弧形空間表達出這個運動的動態(tài)和精密。白色的膜外皮上面點綴著彩色的開口，這些開口是節(jié)點，也可以消解風壓，并為場地通風，也有的充當著場地的出口。清新的外觀增強了奧運會的節(jié)日氣氛。
Al Janoub體育場，卡塔爾
Zaha Hadid Architects
體育場包含一個可調節(jié)屋頂，采用了褶皺式PTFE纖維包層和纜索，在展開時猶如船帆一般覆蓋在球場上方，在夏季時可提供蔭蔽的比賽環(huán)境。
長風大悅城-會員空間
裸筑更新建筑設計事務所
可見澤棲帳篷藝術酒店，云南
捷仕建筑
拉科斯堡藝術畫廊，法國
倫佐·皮亞諾工作室
這個項目屹立在著名拉考特莊園的葡萄園的正中心。拱型結構回應了風景畫般的葡萄園分布，仿佛是要把風帆融入葡萄園。同時如同風箏一般，風帆飛揚再落下，同時凸顯出建筑的輕盈和水平感。
弗拉門戈冰塔，哈爾濱
埃因霍芬理工大學冰雪結構研究團隊 + 哈爾濱工業(yè)大學
弗蘭門戈冰塔的設計，結合了東方傳統(tǒng)塔樓的形態(tài)和弗拉明戈舞蹈的動勢與優(yōu)美，既體現了中外文化的融合，也是力與美相結合的表達。高達31米的冰殼，結構的建造是通過將復合冰材料噴在巨大的充氣膜上形成冰殼，平均厚度為25厘米。
元上都遺址工作站，內蒙古
李興鋼建筑工作室
元上都遺址工作站位于元上都遺址之南，建筑形體朝向外側的連續(xù)弧形界面，罩以白色半透明的PTFE膜材，為建筑提供了必要保溫的同時，又能引發(fā)蒙古包的聯想，帶來草原上臨時建筑的輕盈感，從而最大限度的降低對遺址環(huán)境的干擾。
.jpg)
