結構設計論文：張拉膜建筑設計研討

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本文作者：徐猛 單位：如皋市住房和城鄉建設局

薄膜材料質量很輕，每平方米大概700～1700克。輕質的結構材料大大減少了結構自重和材料運輸的成本。輕質的結構和較大的結構變形能力還使張拉膜結構能夠吸收震動，減輕地震對建筑的破壞作用，十分適合地震多發地區。薄膜材料具有一定的透光性能，常用膜材能透過大概4%～16%的光線。在白天建筑內部不需要人工照明，減少了建筑的能量消耗。在夜晚室內的燈光從膜面透出來，勾勒出張拉膜結構雕塑般的形體，成為夜晚的一道風景。薄膜材料具有很高的反射率，大量的陽光熱輻射能被膜材反射回去，張拉膜結構極小的結構體量使其不會吸收大量的熱量，減少了建筑的空調負擔，十分適合炎熱地區的氣候。通過設置雙層薄膜或多層薄膜結構，增加透明保溫層能使張拉膜結構保持透光性的同時能大大提高結構的隔熱系數，使其適應嚴寒的氣候。張拉膜最大最吸引人的優勢就是它那優美典雅的有機造型，總能抓住參觀者的目光，賦予建筑鮮明的視覺特點，改變了公眾傳統的建筑印象和建筑審美，豐富了建筑師的創作手法。

張拉膜的結構概念

1.結構組成

張拉膜結構是一種新型的結構形式，它和以剛性材料為主要結構材料，受彎為主要受力方式的傳統結構不同，它是以柔性的薄膜作為結構材料，通過支承張拉系統對薄膜施加預應力使其形成穩定的負曲面造型，獲得結構剛度，能夠覆蓋大跨度空間的一種空間結構體系。如后附圖1是張拉膜結構的兩種最基本的結構形式馬鞍形結構單元和錐形結構單元的示意圖。它們都是由支承張拉系統和膜面組成。支承張拉系統包括桅桿、拉索、錨點、邊索、脊索等，它們是對薄膜施加預應力的結構構件，并且是張拉膜結構重要的造型要素。在張拉膜結構中薄膜既承受建筑荷載是結構的一部分，同時又是建筑的維護結構。

2.膜面的幾何要求

張拉膜結構和其他傳統結構形式最大的區別在于它所使用的結構材料。傳統的建筑結構采用的都是剛性材料，結構可以直接從材料中獲得剛度。而張拉膜結構使用的結構材料是薄膜，它是一種柔性材料，只能受拉不能受壓，它必須滿足一定拓撲關系的幾何造型，通過施加預應力來獲得結構剛度，從而使結構具有承載能力。張拉膜結構需要滿足的幾何要求就是形成負高斯曲面。負高斯曲面上每個點的的兩個主曲率半徑分別位于曲面的兩側，如膜結構中的鞍面和錐形面，這類曲面也稱為互反曲面(anticlasticsurface)。那么為什么張拉膜結構的曲面形式必須是負高斯曲面呢？假設空間有一個點要通過索來維持該點的平衡，由于索是柔性的不能受壓，所以該點至少需要連接4根索，而且其中兩根索需要向上彎，以承受節點受到的向下的力；另兩根索向下彎，以承受節點受到的向上的力。如此類推要使一個柔性面上每個點都要保持平衡，那么這個面必然是的負高斯曲面。

當曲面曲率較小時為了保持膜面的平衡必然需要較大的預應力，曲率較大時可以減少膜面所需的預應力，因此張拉膜結構設計中一般都要盡量避免出現扁平區域，這會造成膜面應力分布不均，難以保持結構的穩定。負高斯曲面是維持張拉膜結構穩定的基本幾何要素，在此基礎上對曲面施加預應力使其產生足夠的剛度，滿足建筑結構的要求。張拉膜結構的曲面造型與結構受力是緊密聯系在一起的，是膜面內部受力情況的直接表現。充分了解張拉膜結構的工作原理和機制對于建筑師進行張拉膜結構設計有十分重要的意義，可以幫助建筑師在進行造型設計時進行初步判斷分析，避免設計出一些不合理的膜面造型甚至是根本不可能實現的形式。

關于張拉膜結構設計的論述

1.張拉膜結構空間設計的特殊性

張拉膜結構是一種以柔性薄膜材料作為主要結構材料，受拉為主要受力方式的結構形式和傳統的結構形式有很大區別。結構特殊性決定決定了它內部空間設計的特殊性。

2.張拉膜結構的空間特點

(1)結構形式與建筑空間的高度一致性

結構與建筑空間的高度一致性是張拉膜結構最大的空間特點，它的其他空間特點都是由此而來。建筑的結構為內部空間提供了一個基本骨架。在傳統結構形式的建筑中常常會對結構形成的原始空間進行進一步塑造和修飾，例如通過使用吊頂，掩蓋一些較粗糙丑陋的結構構件，重新限定空間大小和形狀，改變原有空間界面的肌理、質感和色彩，形成建筑師所需要的室內空間效果，這些建筑的結構和內部空間是不完全一致的有時甚至是相背離的。在張拉膜建筑中，結構形式和內部空間是高度一致的，結構本身就是內部空間的圍合界面，它的形狀、質感和色彩等決定了空間圍合界面的形狀、質感和色彩。在張拉膜建筑空間設計中，建筑師必須改變通常的先建筑后結構的空間設計方法，在進行空間設計構思時就要充分考慮結構的實現問題，把結構當作空間設計的手段和語言。

(2)透明的負雙曲面空間

通常的建筑空間都是由直線元素構成的，即使是曲面的也都是各種正高斯曲面和零高斯曲面，例如圓柱面，半球面等，而張拉膜建筑的內部空間是一種負高斯曲面構成的空間。張拉膜建筑的內部空間更加自由流暢，空間之間的過渡平滑柔和，室內外的空間互相交融在一起。薄膜材料具有透明性，當我們站在張拉膜結構覆蓋的空間里向上仰望，明亮的屋頂波浪般起伏，顯得那么的輕巧和優美；陽光透過屋頂灑滿室內，讓人覺得室內和外面的天空發生了聯系，屋頂宛若是漂浮在建筑上空的一朵云彩。張膜建筑的空間效果改變了人們對建筑空間的傳統印象，對建筑產生了新的認識。

(3)新的空間限定元素

在張拉膜建筑中的結構本身就是內部空間的圍合界面，張拉膜結構的各種結構構件：索、桅桿、膜面等就構成了空間的限定和表現元素。膜面是面元素，桅桿、拉索和膜面拼縫等是線元素而各種結構節點則形成了點元素。在這種情況下，結構構件不是簡單的完成結構功能就可以了，還必須進行藝術化的處理承擔起空間表現的任務。結構構件的藝術化處理包括對構件造型的美化，例如桅桿進行收分處理，設計膜面拼縫的圖案，結構節點的造型設計等。此外更為重要的是，在張拉膜建筑中結構構件之間的視覺邏輯關系會影響到建筑的空間表達，就如同肋骨拱之間的視覺關系對于歌特教堂內部空間表達的作用一樣。因此要處理好構件與構件之間的關系形成清晰的結構邏輯和有序的視覺層次。

3.張拉膜結構與建筑空間要求的契合

(1)張拉膜的結構空間形態

張拉膜結構的基本形態有鞍面、錐面、拱承面、波形面等。這些基本形態除了上述的張拉膜結構共同的空間特點之外還有著不同的空間形態特點。鞍形面張拉膜結構的高點和低點都在膜面周邊，空間形態流暢開放，中央區域高度適中，空間利用率較高。錐形面高點在膜面中間，低點在周圍，空間形態比較內聚。由于膜面中部升起較高，且空間越向上越狹小，相對來說其內部空間不容易被充分利用。拱承張拉膜膜面中央拱承部分較高，然后向兩邊逐漸降低，當多個拱承膜面組合在一起時所形成的內部空間比較容易被充分的利用。波形面張拉膜脊谷索交替排列，內部空間也高低起伏，一般來說脊索和谷索間隔距離不會太大，波形部分空間很難被利用。從上述的分析中我們發現，雖然張拉膜結構的結構厚度是所有結構形式中最小的，只有薄薄的一層膜的厚度，但是整個膜面結構的高度卻比一般的結構來的大（這里的膜面結構高度指的是膜面結構的最低點至最高點的長度）。這是由于張拉膜結構的膜面曲率越大，獲得同樣剛度所需要的預應力越小，結構越穩定。為了減少膜面內部應力，增加結構的穩定性，張拉膜結構必須保持合適的膜面曲率。錐形張拉膜單元頂高度與平面跨度之比一般大于1:5，小于1:1，鞍形面要求中央平坦區域的曲面曲率大于3％。過大的結構高度會造成空間和材料的浪費，建筑供熱制冷空調通風的過重荷載，建筑維護費用的上升。因此張拉膜建筑的結構設計要特別關注如何使結構的形態與建筑的空間要求相契合。建筑的空間除了滿足使用功能對內部空間提出的要求外還要滿足人們對建筑空間提出的精神需求，如空間氣氛、意境、心理舒適度和其他美學要求。張拉膜結構所覆蓋的空間與建筑物的使用空間和美學空間越接近，空間的使用效率越高，維護費用越低，這是降低建筑物全壽命周期費用，取得最大效益的重要途徑。張拉膜結構可以通過以下方式達到結構形態與建筑空間要求的契合。

(2)充分利用結構空間

張拉膜結構的結構高度雖然比較大但只要我們合理的安排平面功能和結構剖面之間的關系，結構所占據的空間是可以被充分利用的。常用的辦法是把建筑中需要較高空間的功能安排在膜結構的高點區域，而把只需要低矮空間的功能放在低點區域。張拉膜結構是空間的連續曲面，當建筑不同區域有不同的高度要求時它比通常的結構形式具有更大的靈活性和適應性。德國慕尼黑奧林匹克游泳館通過飛桿內部支承和桅桿外部懸掛在中央比賽區域設置了兩個高點結構。位于跳水池上方的高點稍高而位于游泳池上空的高點略低，整個屋面從兩個高點向四周逐漸降低。建筑的結構形態與建筑的空間要求達到了吻合。（后附圖3）意大利M&G研究試驗室這座建筑采用連續拱承膜面作為建筑的外皮結構，把辦公、實驗室、車間、測試設備等功能包裹在其中。建筑內部各個功能單元，順應拱形膜結構形態布置，在空間較高處安排較為高大的實驗設備而較低處則作為休閑活動區域，充分利用了結構所覆蓋的內部空間，提高了空間的使用效率。（后附圖4）

(3)增加膜面內部支撐減少結構高度

有的建筑內部空間高度比較均勻，這就要求更加平緩的膜面形式，膜面的起伏不能太大，以減少空間的浪費。由于張拉膜結構的穩定性要求，曲面形式越平緩，結構的跨度也會越小。以損失整個結構的跨度來獲得平緩的曲面形式顯然不是一個可取的辦法，那么該如何協調兩者的矛盾呢？解決的方法是在原有膜面的內部增加支撐，使一個完整單一形式的膜面被分成若干部分的組合，這樣就減少了每個區域的跨度，整個膜面就可以設計的更加平緩了。為了繼續保持原有的無柱大空間，我們可以使用外部支承結構或者內部飛柱來提供膜面的內部支撐。1972年建成的德國雷根斯堡某游泳池由奧托設計。該游泳池主要用于休閑娛樂，只有少量的看臺也沒有跳水池，因此建筑的內部空間要求比較具有親和力，高度不宜過高。奧托使用多高點的張拉膜結構作為游泳池的屋頂結構，18個高點通過鋼索懸掛在外部的桅桿上。膜面內部多點高點支撐使整個膜面呈現出比較平緩的形態，滿足了建筑的空間要求。（后附圖5）此后奧托又在德國慕尼黑奧林匹克游泳館臨時看臺屋頂的設計中采用了相似的結構。（后附圖6）

(4)在膜面內部設置低點結構

膜面內部的支承點通常都是作為張拉膜的高點結構，如錐形和拱承式張拉膜。如果把它們膜面內部的高點顛倒過來作為低點，這樣形成的膜曲面是向建筑內部凹進的，能大大壓縮它所覆蓋空間的大小，提高空間效率。美國佛羅里達州某度假設施需要建造一個膜結構屋頂來覆蓋它的內庭院。膜結構屋頂由霍斯特伯杰設計。由于膜結構屋頂的跨度較大，如果采用常規的中央高點的錐形張拉膜結構，過大的結構高度會造成空間的巨大浪費，而且支撐高點所需要的結構也會增加許多建造費用。霍斯特伯格設計了兩個巨大的倒錐形張拉膜結構作為屋頂結構。內凹的曲面使庭院空間控制在一個較為合適的大小，增加了空間使用效率。倒錐形的膜面周邊固定在庭院周圍建筑的屋頂上，低點由互相交叉的鋼索直接錨固在庭院中間的地面上，省去了不必要的高點支撐構件，較少了造價。低點被設計成一個罩有透明有機玻璃的天窗，在雨天時，雨水從球罩與膜面之間的空隙流入室內，形成一處瀑布景觀，為庭院增添了趣味。（后附圖7）奧托在蒙特利爾博覽會德國館的設計中也在膜面內部設置了類似的低點結構。這些低點有效的起到了調整結構形態控制結構高度的作用。這些低點結構還使屋頂膜面自然的延伸到地面，建筑空間變得更加有機生動，對于表現膜結構特點，營造空間氣氛起到了很好的作用。（后附圖8）

4.拼逢在張拉膜結構空間表現中的作用

物體表面的圖案和線條對于物體的識別有很大的影響。這些作用其實早就被建筑師發現并在建筑設計中加以利用。在歌特建筑中肋骨拱形成的韻律和圖案是表現空間的主要工具，相互交錯重復出現的肋骨拱突出了建筑空間高聳挺拔的效果，烘托出神秘、崇高、奔騰向上的宗教氣氛。磚結構建筑中磚縫形成的圖案和肌理；摩天樓玻璃幕墻的劃分也都是建筑師設計建筑表面的線條元素表現建筑的手段。張拉膜結構的膜面是由膜材經過剪裁后拼接起來的，在拼縫的地方材料相對密實，透明度比較小，在光線下就會形成暗色的線條。張拉膜結構中的拼縫在結構上是無法避免的，但是它也為我們增強膜結構可識別性，形成合適的尺度比例，營造特殊的裝飾效果提供了條件。

(1)可識別性線條可以強化曲面的造型，類錐形的膜面為了強調膜面的造型一般采用由高點向四周放射的拼縫。巴黎德方斯拱門的膜結構屋頂就是類錐形單元的組合。每個膜結構單元采用放射形的拼縫，使原本曲率較小的膜面造型變得清晰。放射性的圖案使重復排列的膜結構單元變得十分生動，增加了許多耐看的細節(后附圖9)。M&G實驗室的膜結構屋頂在鋼拱架方向上曲率較大而與拱架垂直的方向上曲率較小。垂直于拱架布置的拼縫突出了膜面的起伏變化，增強了可識別性。(后附圖10)

(2)比例尺度膜面上的線條圖案能使人獲得正確的尺度感覺。美國想象公司的總部改造工程中采用了大面積起伏不大的張拉膜結構屋頂。屋頂平面接近于矩形，10個飛桿支撐的高點使膜面有輕微的起伏變化。膜面采用均勻大小的長方形拼縫，每個高點都支撐在拼縫交點處。長方形的拼縫圖案使屋頂獲得了尺度感，突出了高點布置的內在秩序和規律（后附圖11）。巴黎的某城市改造工程中膜面拼縫沒有進行恰當的設計，拼縫間隔大小不一，使人難以獲得正確的尺度感，顯得比較凌亂且缺少秩序（后附圖12）。

(3)突出節點膜面的某些部位比如高點，低點，邊緣張拉構件等是膜面應力匯聚轉移的關鍵部位，這些部位自然的就會成為視覺的關注點，草率失當的節點處理會影響到整個結構的表現效果。對這些節點區域的強調除了通過構件造型的精心設計之外還可以通過節點部分膜面的拼縫圖案和透明度變化來表現。2002年韓日世界杯足球賽在韓國仁川市所建造的門鶴體育場的屋頂是由桅桿支撐的規則懸掛式張拉膜屋頂，膜面在高點處使用星形的曲面切割和拼接實現了受力傳遞，解決了張拉膜帶在高點處變窄的問題。雙層膜面使星形的拼縫圖案十分的清晰醒目，很好的起到了烘托高點結構的作用。（后附圖13）在1998年建造的馬蘭西亞吉隆坡的國際游泳館中，膜面主體采用平行拼縫，在每個懸掛點處拼縫進行了特別設計，呈花蕾狀?；ɡ傩纹纯p是由放射形拼縫和周邊的雙層聚酯條圍邊組成，使其具有比周邊平行膜帶更大的結構強度。在平行膜帶的襯托下懸掛點處的拼縫圖案強化了結構的構造特點和重要的結構意義，并為整個內部空間增添了幾分詩情畫意。（后附圖14）

(4)裝飾性在前面提到的例子中，張拉膜結構的拼縫在強調曲面造型，形成尺度感秩序感的同時都不同程度的起到了裝飾膜面的效果。通過精心設計拼縫圖案和膜面不同區域的透明度，能產生精巧的裝飾圖案。張拉膜結構的造型常會讓人聯想到自然界中的蜘蛛網，位于美國底特律河畔的Chene公園劇場的膜結構屋頂通過對拼縫方式的巧妙設計強化了這種相似性。劇場的覆蓋結構是有三個弧形帶狀高點張拉膜結構。張拉膜的拼縫設計模仿蜘蛛網的形式，放射形的拼縫和折線形的等高線拼縫組合在一起，好像真是一張蜘蛛網覆蓋在劇場上空，產生了很強烈的形式感和象征意義。（后附圖15）在麥加先知清真寺庭院內的傘形遮陽結構是由德國建筑師BodoRash設計。在這些膜結構遮陽蓬上，膜面的拼縫被設計成為典雅的具有伊斯蘭裝飾風格的圖案。拼縫呈放射形分布，從上往下拼縫線逐漸互相交錯使圖案變得更加生動。在靠近中心柱的附近，膜面張力匯聚在這里，需要額外的材料來增強膜面的強度。雙層膜面加強膜面的強度，使膜面產生了不同的透明度增強的裝飾效果。同樣膜面上部連接點的加強構件不僅僅是結構元素也是裝飾元素。在這個例子中張拉膜結構的拼縫起到了結構和裝飾的雙重作用。（后附圖16）在德國Wasseralfingen的文藝復興時期的城堡庭院內也有類似功能和結構的傘形活動天蓬。在這里膜面拼縫沒有被設計成傳統花紋而是抽象的葉脈形狀，和膜結構輪廓形狀十分協調，整個結構好像真是一片打開的樹葉，給傳統風格的庭院注入了新的氣息（后附圖17）。東京Kaetsu大學體育館膜結構屋頂的膜面拼縫圖案是十分簡單的長條形，但設計者通過拼縫橫豎方向的交錯布置，改變了膜結構屋頂單調的局面也取得了很好的裝飾效果（后附圖18）。

結論

膜結構是一種充滿發展潛力的空間結構形式，隨著技術的進步，設計手法的豐富完善，人們觀念的改變，膜結構將會成為21世紀最具活力的空間結構形式之一。但是目前膜結構還是一種年輕的結構形式，未來發展研究的道路還很長，尚有許多問題沒有解決。材料和技術的發展仍然是影響膜結構發展的重要因素。膜結構的建筑表現手段還不成熟，相對于其他結構形式它的建筑形象還是比較單一，在建筑中應用的范圍還比較窄。本文從建筑師的角度出發，對張拉膜結構在建筑表現中的一些問題進行了初步探討，希望拋磚引玉，吸引更多的建筑師投入到膜結構建筑的探索中去，進一步發掘膜結構的建筑潛力，探尋符合膜結構特點的建筑表現手段。