膜结构在中国的发展历史

如今大家听到膜结构都自然而然的联想到膜结构生产出来的物品，例如膜结构停车棚，大型的游泳场，大型的体育中心，歌剧院等等都有膜结构的存在。那么您是否知道膜结构的由来的，膜结构在中国历经了怎么的才衍生到今天这样一个繁荣的景象呢。

膜结构(Membrane)是20世纪中期发展起来的一种新型建筑结构形式，是由多种高强薄膜材料(PVC或Teflon)及加强构件（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，并能承受一定的外荷载作用的一种空间结构形式。膜结构可分为充气膜结构和张拉膜结构两大类。充气膜结构是靠室内不断充气，使室内外产生一定压力差（一般在10㎜～30㎜水柱之间）,室内外的压力差使屋盖膜布受到一定的向上的浮力，从而实现较大的跨度。张拉摸结构则通过柱及钢架支承或钢索张拉成型，其造型非常优美灵活。 


世界上第一座充气膜结构建成于1946年，设计者为美国的沃尔特·勃德（W.Bird），这是一座直径为15的充气穹顶。1967年在德国斯图加特召开的第一届国际充气结构会议，无疑给充气膜结构的发展注入了兴奋剂。随后各式各样的充气膜结构建筑出现在1970年大阪世界博览会上。其中具有代表性的有盖格尔设计的美国馆（137m×7m8卵形），以及川口卫设计的香肠形充气构件膜结构。后来人们认为70年大阪博览会是把膜结构系统地、商业性地向外界介绍的开始。大阪博览会展示了人们可以用膜结构建造永久性建筑。而70年代初美国盖格尔-勃格公司（Geiger-Berger Associates）开发出的符合美国永久建筑规范的特氟隆（Teflon）膜材料为膜结构广泛应用于永久、半永久性建筑奠定了物质基础。之后，用特氟隆材料做成的室内充气式膜结构相继出现在大中型体育馆中，如1975年建成的密歇根州庞蒂亚克“银色穹顶”（椭圆形220×159m），1988年建成的日本东京体育馆（室内净面积4，6767㎡）。

而中国现代空间结构的发展受到了西方国家先进技术的影响。近几年来，在膜结构应用上显示了活跃的趋势。虽然一开始工程规模不大，但已逐渐扩展到更大的面积和跨度。所采用的技术与材料在某种程度上还要依靠国外，但预计会有更多的工程依靠自己的力量来完成。在过去十年中，中国的许多城市都在筹划建设新的体育设施。由于其重量很轻的优点， 膜结构往往被采用。体育建筑可以说是膜结构在中国应用的突破口。1997年之前，只建造了少量的小型与中型的 膜结构，同年在上海举行的第七届全国运动会， 膜结构被用在主体育场的看台挑篷，总面积达36100m2。这是中国第一次将膜材制成的屋顶用在大面积的永久性建筑上，具有深远的影响。当时涂PTFE的玻璃纤维膜材、张拉膜和工程安装还借助于国外的力量。在上海体育场成功的建成后，虽然它的价格仍高于传统的结构，又出现了一些膜结构屋顶的体育场。颐中体育场坐落在山东省的滨海城市青岛，这是中国第一个靠自己力量设计与施工的大型膜结构体育场，外包尺寸为266m×180m，可容纳6万观众。悬挑40m的屋盖是一个包括膜、索和钢支承结构的典型张拉体系，整个屋盖由70个锥形索膜单元组成，总面积为30000m2。环顾整个中国大地，新的体育中心正在一个接一个的规划， 膜结构成为覆盖主体育场的优选，估计已有十多个体育场采用。在大城市中有上海（虹口区足球场）、武汉、郑州和广州，在中小城市有烟台、威海和芜湖。另一个适宜采用 膜结构的对象是室内体育馆，在中国还刚开始。在华北的秦皇岛体育馆是第一个采用双层膜的工程，其平面呈椭圆形，长短轴各为112m与98m。最近的一个实例是成都的水上乐园。这个有20000m2的大型建筑用来作为死海漂浮运动。一系列拱形钢桁架跨越115m，上覆以PVC聚酯织物。

膜结构工程曾被用于覆盖一些室内或室外的演出设施。大部分是由钢框架支承的张拉膜结构。建成的实例有：长沙世界之窗剧场（3500m2）、深圳欢乐谷中心表演场（5800m2）、广州海洋世界海豚馆（2840m2）和天津泰丰风雨剧场（1000m2）等。世界之窗剧场建成于1998年，是早期采用PVC覆面膜材的工程之一。由于国内和国际上交流的扩展，需要许多新型的会议与展览建筑。1999年在深圳召开了中国高新技术成果交易会，有两个面积为2400m2的馆采用了膜屋盖，显示了其轻质与透光的突出优点。在海南省的小镇博鳌，由于有全世界重要人物参加的一系列高层会议在此举行而闻名。主会场即采用了膜结构，施工工期十分紧迫，4000m2的膜屋盖在40天内完工。在广西壮族自治区首府南宁建造了国际会议展览中心。一个以膜材覆盖的钢穹顶位于多功能大厅上空成为整个建筑物的焦点。钢结构内外两边采用双层的PTFE玻璃纤维织物覆盖。膜结构工程还可用来覆盖各种不同的小型建筑，如加油站、收费站、服务中心、大门入口以及遮阳设施等。虽然每个工程的面积只有几百平方米，但工程的数量很多，把全国的工程加起来，膜的数量就很可观了。中国膜材十年仍未突破 膜结构只有在材料问题得到解决之后才得以大量推广应用，因此关键问题是要提供满足功能要求、耐久性好与经济的膜材。用于膜结构有二种主要建筑织物，即涂敷聚四氟乙烯（PTFE）的玻璃纤维织物和涂敷聚乙烯（PVC）的聚酯织物。PTFE玻璃纤维织物具有强度高、半透明、耐火不燃以及自洁性好等优点。虽然材料的保证年限是25年，但按照实际使用的经验，其期望的使用寿命将会更长。玻璃纤维膜材的唯一缺点是价格较贵。PVC聚酯织物与玻璃纤维织物相比，其强度等性能稍差，使用年限也较短，但价格却很便宜，大约在1/5左右。加了改进其性能可在涂层外再加一层面层，聚偏氟乙烯（PVF）或聚偏二氟乙烯（PVDF）。这种面层能保护织物抵抗紫外线的侵蚀，并改进其自洁性。目前国内有好多厂家都能生产有PVC涂层聚酯织物，但其性能尚未能完全达到建筑织物的要求，作为建筑用的永久性材料尚需进一步提高。据悉最近有些公司正在试制有PVDF面层的聚酯织物和PTFE玻璃纤维织物，外观与性能都大有改进。

 近一段时间来，国外媒体表现出了对中国建筑设计前所未有的关注。2005年12月23日的美国《商业周刊》评选出了中国十大新建筑奇迹，包括北京奥体主会场、国家游泳中心、北京首都国际机场、上海世界金融中心、国家大剧院、中央电视台、上海崇明东滩生态城、当代MOMA、长城脚下的公社、东海大桥（上海)。其中地处北京的建筑就有七家之多。“中国正逐步成为当今最具有创意性建筑和工程设计的舞台。”中国建筑事业的发展，正在为今日最顶尖建筑及工艺技术创造一个舞台。报道首先分析了中国新建筑崛起的经济原因和外部环境。文章说，当全球瞩目北京2008年奥运会时，不单是世界上最快以及最具实力的运动员们正在为争取最高荣誉而加紧努力，新一代的创新建筑也正在北京的土地上拔地而起。由于蒸蒸日上的经济的强大支持，世界上最大的航空港、有节能环保的建筑及世界上最高的室外观光台等将很快一一落户中国。文章列举评选结果说，2008年以前完工的国家游泳中心（水立方）、国家体育场（鸟巢）、国家大剧院等中国公众十分熟悉的知名场馆更理所当然地进入了“十大”之列。从对它们的评价与介绍中可以看到评选者对追求环保、自然的推崇。比如被称为“水立方”的国家游泳中心，是节能环保型的建筑。游泳池内的水将由太阳能加热，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。

总结性的来说：中国膜结构的发展规模是十分鼓舞人心的，从1995年开始，当年只造了一个面积为3300m2的膜结构。从1996至2001年，六年内建造的膜结构估计达370,000m2。由于一些大型体育场的建成，膜结构的建设以平均每年20％的速度增长。2003年建造的膜结构约为180,000m2。当膜结构第一次用于上海体育场时，恐怕有很少人会看到这在推动膜结构发展的潜力。此后，膜材被用在大小不等的体育场篷盖上，浙江车棚并占据了膜结构相当大的份额。最近广州新白云机场候机楼采用了膜材作为屋盖的一部分，就有巨大的58,000m2面积。候机大楼很可能成为膜结构的另一个潜在应用对象，因此有理由预测中国的膜结构将继续以每年15-20％速度增长。展望将来，随着中国经济的增长和文化生活的不断丰富，将建造更多的具有新颖功能、形式多样的建筑。例如，北京将举力2008年奥运会，江苏车棚按照规划需要32体育场馆，其中19个是新建的。正在规划的奥林匹克公园将包括国家体育场、国家体育馆、国家游泳中心、国际展览中心等项目。此外，2010年的世界博览会在上海举行，各种类型的展览馆将由世界各国来建设。大部分工程项目将实行国际招标。由于膜结构所独有的特点，它将会以更大的规模增长。通过其发展，中国与世界的交流和合作也将不断壮大。