當代膜結構發(fā)展概述

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一、前言

　　為了迎接新世紀的來臨，人們試圖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，而且將作為標志性建筑而長久地存在。在全世界眾多的紀念性建筑中，英國所建造的千年穹頂（Millennium Dome）尤為突出。當2000年子夜的鐘聲敲響時,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構。正是這座穹頂集中體現(xiàn)了20世紀建筑技術的精華，用它來迎接新世紀，的確是再恰當不過了。

　　雖然人們喜歡從最廣泛的意義出發(fā)，把鐵木構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構的范圍,但從嚴格的結構受力的定義來說,膜結構始于1970年日本大阪博覽會上一座氣承式膜結構的美國館。當初這不過是臨時性的展覽建筑，但30年來膜結構卻經歷了巨大的變化。

　　從膜結構的跨度來看，近似橢圓形的美國館，兩個方向的跨度針別為 140m和 83.5m。以后東京后樂園的氣承式膜結構，最大跨度達201m。而美國亞特蘭大的佐治亞穹頂，以橢圓形的屋頂覆蓋了 240mxl92m的索膜結構。從當前的技術和材料條件看，完全有可能用膜結構來修建 1000m的大跨度建筑。從所覆蓋的面積來看，1981年沙特阿拉伯吉大機場候機大廳的傘形懸掛膜結構的占地42萬m2，已令人嘆為觀止。而如今在沙特阿拉伯的米拿，為了庇護來往的朝圣者，正在分三期建設與吉大機場類似的膜結構，總面積在100萬m2以上，堪稱” 帳篷之城”。

　　膜結構作為一種現(xiàn)代化的工程結構，顯示了當今建筑技術與科學的發(fā)展水平，也具有巨大的發(fā)展?jié)摿?，在新的世紀中，膜結構必將在建筑結構中占有重要的地位。

二、不定的形狀與形狀的確定

　　膜結構的突出特點之一就是它形狀的多樣性，曲面存在著無限的可能性。對于氣承式空氣膜結構來說，充氣之后的曲面主要是圓球面或圓柱面，可能沒有太多的選擇余地。而對于以索或骨架支承的膜結構，其曲面就可以隨著建筑師的想象力而任意變化。

　　膜結構形狀的千變萬化突出地表現(xiàn)在歷年各國舉行的博覽會上。在這些博覽會上，大大小小的展覽館，無不以新穎奇特的造型來吸引觀眾，而膜結構就能用來達到這樣的目的。例如1985年在日本茨城縣舉行的國際科學技術博覽會，入口就是以五顏六色的膜材構成的拱形大門。在眾多的展覽館中膜結構尤為奪目，象火鳥館以鋼梁與索組成的骨架支承扁平的凹凸屋面。美國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個尖頂帳篷，夜晚通過燈光的反射宛如燃燒的火焰。其他象在候車亭、電話亭、走廊、廁所上也都出現(xiàn)了用膜材構成形式各異的建筑小品，蔚為大觀。

　　就形狀而言，對建筑師說來是至關重要的。采用一般結構的建筑物，其形狀往往是先由建筑師確定。膜結構則不同，首先它的變形比一般結構要大一些，其次它的形狀是在施工過程中逐步形成的，有一個形狀確定的問題，需要結構工程師的參與。要確定在初始荷載下結構的初始形狀，即結構體系在膜自重（有時還有索）與預應力作用下的平衡位置。在初步設計階段，先按建筑要求設定大致的幾何外形，然后對膜面施加預應力使之承受張力，其形狀也相應改變，經過不斷調整預應力，最后就可得到理想的幾何外形和應力分布狀態(tài)。

　　懸索結構中的索網與膜結構一樣也有形狀確定問題，象1968年蒙特利爾博覽會的德國館和1972年慕尼黑奧運會主體育場都有特殊的形狀需要確定，當時只有借助于縮尺模型來解決。早期的膜結構也往往采用這個方法，材料從最簡單的肥皂膜，一直到織物或鋼絲。由于在小比例模型上測量的誤差尚不足以保證曲面幾何形的正確性，故對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，能為設計者提供一個直觀的形象。隨著計算機技術的不斷進步，膜結構的形狀就更多地依靠計算機來確定。在膜結構設計理論中還出現(xiàn)了專門的研究課題——“找形”（formfinding）。為了尋求合理的幾何外形，這個過程通過計算機的幾次迭代，就可確定膜結構的初始形狀。