王宇緯,孫中秋
四川大學建筑與環(huán)境學院(610207)
從1970年日本大阪萬國博覽會上膜結(jié)構(gòu)第一次集中展示到近半個世紀后的上海世博會中“一軸四館”永久場館之一的世博軸體現(xiàn)了膜結(jié)構(gòu)強大的生命力。同時在大力倡導綠色建筑的背景下,膜結(jié)構(gòu)作為一種環(huán)保、節(jié)能、質(zhì)輕的結(jié)構(gòu)體系,正受到越來越多的重視。隨著膜結(jié)構(gòu)材料與技術(shù)上的發(fā)展,毫無疑問,它將成為21世紀“綠色建筑體系”的一大亮點。本文將對這種新型空間結(jié)構(gòu)體系作相應的介紹及分析。
從廣義方面講,只要是使用了膜材料的結(jié)構(gòu)都稱之為膜結(jié)構(gòu),而狹義上膜以結(jié)構(gòu)支撐體系存在的只有充氣膜結(jié)構(gòu),其他的都是與別的構(gòu)件組合而成。本文述說的是廣義上的膜結(jié)構(gòu),按照支承方式它可分為充氣膜結(jié)構(gòu)和張拉膜結(jié)構(gòu)。充氣膜結(jié)構(gòu)在使用過程中出現(xiàn)了很多問題,在我國很少使用。張拉膜結(jié)構(gòu)是由網(wǎng)索結(jié)構(gòu)和帳篷結(jié)構(gòu)發(fā)展而來的,按照結(jié)構(gòu)組合形式分為懸掛張力膜結(jié)構(gòu)、骨架支承膜結(jié)構(gòu)和復合膜結(jié)構(gòu)三種。在長期的發(fā)展實踐中,它們有著各自的優(yōu)缺點,其中復合膜結(jié)構(gòu)是近幾年才熱起來的新型結(jié)構(gòu)形式,它克服了充氣膜結(jié)構(gòu)的缺點,又體現(xiàn)了空氣膜結(jié)構(gòu)的造型美、跨度大等優(yōu)點[1]。
1994年我國第一個膜結(jié)構(gòu)專業(yè)公司成立,1997年上海第八屆全運會八萬人體育館中的復合膜結(jié)構(gòu)的應用,國家游泳中心“水立方”圍護膜結(jié)構(gòu)和世博軸膜工程,都說明膜結(jié)構(gòu)在我國的發(fā)展是很迅猛的。近幾年來,全世界倡導綠色建筑,膜結(jié)構(gòu)備受推崇,歸納起來,其有兩個發(fā)展方向:一是大型體育場館和展覽中心;另一條是膜結(jié)構(gòu)小品建筑,如住宅小區(qū)的公共設(shè)施、加油站、露天劇場等。
作為一種新型結(jié)構(gòu)體系,它有獨特的優(yōu)點:
1)自重輕,跨度大。在滿足強度與剛度條件下,膜結(jié)構(gòu)材料體積小,自重輕,容易形成大跨度,且其單位面積的質(zhì)量不會因為跨度的增加而明顯增加。
2)建筑造型自由、豐富、別致,富有時代氣息,不僅可以用于大型公共建筑也可用于景觀小品,為建筑師提供了更多的創(chuàng)作空間。
3)透光性能好,陽光透過薄面可在室內(nèi)形成漫射光,白天大部分時間無需人工采光,節(jié)約了照明費用及電力,符合綠色建筑的設(shè)計理念,充分利用了太陽能等自然資源,耗能小,而晚上的室內(nèi)燈光透過膜面給夜空增添了夢幻般的夜景。
4)易于施工。膜材的裁剪、粘合等工作主要在工廠完成,現(xiàn)場主要是將膜成品張拉就位的過程,裝配相對簡單,施工速度快。
5)安全性好。膜結(jié)構(gòu)屬柔性結(jié)構(gòu),自重輕,具有優(yōu)良的抗震性能。膜材料通常是阻燃材料或不可燃材料,因此具有較高的安全度。同時,膜結(jié)構(gòu)的柔性使其在任一荷載作用下均以最有利的形態(tài)承載,更大效率地抵抗外力。
6)自潔性能優(yōu)良。膜材料表面涂層,特別是聚四氟乙烯(PTFE)涂料具有良好的非粘著性,大氣中灰塵不易附著滲透,而且表面的灰塵會被雨水沖刷干凈,使得建筑能自己保持清潔與美觀[2]。
在這么多優(yōu)點的背后當然也有不少缺點:①由于我國自身技術(shù)不成熟,很多東西都要進口,故工程造價偏高。②自重輕,也就意味著其豎向穩(wěn)定性可能會受到影響,沒有傳統(tǒng)建筑的穩(wěn)定性好。③跨度大了,抗局部荷載作用能力就差了,容易出現(xiàn)褶皺、局部破損甚至整體破壞等問題。④跟透光性能好矛盾的是其隔音性能也好,導致其不可能運用在所有建筑中,同時隔熱效果也大打折扣,需要尋求新的膜材料來改善隔熱性能。⑤作為新的建筑結(jié)構(gòu)體系,膜結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)也沒有很成熟,比如結(jié)構(gòu)計算分析,傳統(tǒng)的建筑結(jié)構(gòu)專業(yè)設(shè)計軟件基本成熟,而膜結(jié)構(gòu)方面的軟件多數(shù)是國外的,雖有國內(nèi)自主開發(fā)的,不過很不完善,節(jié)點庫不完整,其準確性有待于相互校核,需要更多的研究來完善推廣。
綠色建筑的定義是:在建筑的全壽命周期內(nèi),最大限度地節(jié)約資源(節(jié)能、節(jié)地、節(jié)水、節(jié)材),保護環(huán)境和減少污染,為人們提供健康、適用和高效的使用空間以及與自然和諧共生的建筑。膜結(jié)構(gòu)有很多特點都符合綠色建筑的定義,當然,要最大化膜結(jié)構(gòu)的這些特點,需要優(yōu)良的膜材料及嫻熟的設(shè)計。
常見的膜材有PVC、PTFE、ETFE膜材。①PTFE建筑膜材,是在超細玻璃纖維織物上涂以聚四氟乙烯樹脂而成的材料。這種膜材有較好的焊接性能,有優(yōu)良的抗紫外線、抗老化性能和阻燃性能。另外,其防污自潔性是所有建筑膜材中最好的,但柔韌性差,施工較困難,成本也十分驚人。上海世博軸頂篷的膜就是采用這種膜材的。②PVC建筑膜材,其應用較早,有多種顏色可供選擇,柔韌性能好,使用方便,易于連接。但還是有很多缺點,常常外涂附加面層。比如玻纖PVC建筑膜材,常規(guī)定PVC涂層在玻璃纖維織物經(jīng)緯線交點上的厚度不能少于0.2mm,再加以光熱穩(wěn)定劑來提高抗老化性。它具有阻燃、防腐蝕、耐老化、防紫外線、自潔性、耐高溫、保溫性好等特點。③ETFE建筑膜材,由ETFE(乙烯-四氟乙烯共聚物)生料直接制成。ETFE具有優(yōu)良的抗沖擊性能、電性能、熱穩(wěn)定性和耐化學腐蝕性,而且機械強度高,加工性能好。其他各方面性能也有很大的優(yōu)勢,比如自潔性、透光性、耐候性等,這種材料有很大的市場前景,環(huán)保節(jié)能綠色,鳥巢、水立方都使用了這個材料,但其維修費用高,同時這種膜材國內(nèi)還沒廠家生產(chǎn),只能從國外進口。
針對上述情況,要真正的做到綠色膜材料,國家需要制定相應的計劃措施來促進膜材的發(fā)展,比如可以在科研單位以及高校多設(shè)置幾個研究中心進行如PVDF、納米TiO2表涂劑等的研究。在引進世界一流的生產(chǎn)設(shè)備和工藝技術(shù)的同時,加緊消化吸收并改進創(chuàng)新,盡快開發(fā)適合我國市場需求的膜材表面處理技術(shù),提升市場競爭力,做到名副其實的綠色經(jīng)濟膜結(jié)構(gòu)。
膜結(jié)構(gòu)設(shè)計方面,前面說到的計算機設(shè)計軟件沒自主品牌等缺點考驗著神州大地,加強自主開發(fā)力度和引進外國先進技術(shù)當然也是解決這個問題的關(guān)鍵。同時,設(shè)計中有些可以優(yōu)化的問題需要盡量優(yōu)化。如膜結(jié)構(gòu)的排水問題,因為膜面有一定的形狀和造型,難免會在膜材端部的拉結(jié)點與建筑物的接觸處形成雨水的導水口,大面積的雨水匯集從接觸處向下流淌從而污染墻面,影響美觀。在設(shè)計找形時應當避免局部存在平坦區(qū)域,通過增大膜結(jié)構(gòu)形體周邊圓弧的弧度和加大膜體坡度來防止[3]。綠色建筑理念下的設(shè)計需要大膽想象,謹慎設(shè)計,融合自然。
隨著我國綜合國力的不斷提升及經(jīng)濟建設(shè)的持續(xù)發(fā)展,新材料(RTFE、THV等)和國產(chǎn)膜材性能不斷提升,技術(shù)方面日趨完善,這些都為膜結(jié)構(gòu)的進一步的發(fā)展提供了機遇。近年來,綠色建筑理念不斷深入民心,有著節(jié)能、環(huán)保、生態(tài)、安全等特點的膜結(jié)構(gòu)廣泛應用在體育建筑和展覽建筑中,很多都作為標志性建筑存在。在不久的將來,膜結(jié)構(gòu)將會更多地應用在尋常建筑中,如綠色漫步道、建筑入口、停車場、高速公路收費站等地方。
[1]張力結(jié)構(gòu)的分析設(shè)計施工[M].江蘇:東南大學出版社,2003:20
[2]王秀麗.大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)分析與概念設(shè)計[M].北京:機械工業(yè)出版社,2008:289-290
[3]余樂,王作文,劉冠男.膜結(jié)構(gòu)在我國發(fā)展的綜合探討[J].四川建筑,2008(5):113