索膜結構體育館發(fā)展綜述

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【摘 要】索膜結構是一種新型的建筑結構形式，本文總結了國內(nèi)外索膜結構的發(fā)展及部分著名的索膜結構建筑的特點，闡述了索膜結構的現(xiàn)狀，分析了索膜結構的設計和施工技術，并根據(jù)建筑業(yè)特點分析了所膜結構未來發(fā)展趨勢。

【關鍵詞】索膜結構；結構特點；發(fā)展趨勢

1 發(fā)展歷史

索膜結構體系起源于遠古時代人類居住的帳篷（支桿、繩索與獸皮構成的建筑物），到20世紀70年代以后，高強、防水、透光且表面光潔、易清洗、抗老化的建筑膜材料的出現(xiàn)，加之工程計算科學的飛速發(fā)展，索膜建筑結構體系東山再起，現(xiàn)已大量用于濱海旅游、博覽會、文藝、體育等大空間的公共建筑上。因為索膜建筑具有易建、易拆、易搬遷、易更新、充分利用陽光、空氣以及與自然環(huán)境融合等特長，成為21世紀“綠色建筑體系”的寵兒。

縱觀索膜結構的發(fā)展歷史，可分為以下幾個階段：

1.1 膜結構的出現(xiàn)

膜結構（Membrane）是20世紀中期發(fā)展起來的一種新型建筑結構形式，是以充氣膜結構的形式出現(xiàn)，世界上第一座充氣膜結構建成于1946年，設計者為美國的沃爾特·勃德（W.Bird），這是一座直徑為15的充氣穹頂。1967年在德國斯圖加特召開的第一屆國際充氣結構會議，無疑給充氣膜結構的發(fā)展注入了興奮劑。隨后各式各樣的充氣膜結構建筑出現(xiàn)在1970年大阪世界博覽會上。

充氣膜結構它是以柔性結構體系來承受風荷載和雪荷載等各種外荷載的作用，由于膜結構的特點以及膜材的特殊性，充氣膜結構的設計分析過程也不同于以往的鋼筋混凝土和鋼結構。充氣膜結構的結構計算包括初始形態(tài)分析、受荷分析及模態(tài)分析等內(nèi)容。充氣膜結構的結構分析包括3個階段：忽略其自身微小的自重和自平衡預張力，不承受任何外部荷載的零態(tài)；在確定的邊界條件及施加預應力的分布和大小后所形成的初始態(tài)；在外荷載、自重及考慮材料張力作用的工作態(tài)。它們之間的膜面主應力方向、預張力的大小變化、形態(tài)變形過程和趨勢等是相互聯(lián)系、相互制約的，必須從全過程、一體化的角度加以考慮。

1.2 迅速發(fā)展

索膜結構作為新的建筑形式自出現(xiàn)，特別是到了20世紀70年代以后，索膜結構的應用得到了迅速發(fā)展，在國外已逐漸應用于體育建筑、商場、展覽中心、交通服務設施等大跨度建筑中，膜結構的出現(xiàn)為建筑師們提供了超出傳統(tǒng)建筑模式以外的新選擇。

1988年建成的日本東京室內(nèi)棒球館（Tokyo Dome“Big Egg”），是一座有55000個座位的體育館（室內(nèi)凈面積46767m2），該設計是建筑行業(yè)的一種強有力的蛻變過程，其蛋形屋頂為具有彈性的薄膜，一般會把巨蛋內(nèi)的氣壓控制在比巨蛋外高0.3%以維持蛋頂外型。結構從根本上克服傳統(tǒng)結構在大跨度（無支撐）建筑上實現(xiàn)時所遇到的困難，創(chuàng)造了巨大的無遮擋的可視空間。其造型自由輕巧、阻燃、制作簡易、安裝快捷、節(jié)能、使用安全等優(yōu)點。另外值得一提的是，在陽光的照射下，由膜覆蓋的建筑物內(nèi)部充滿自然漫射光，無強反差的著光面與陰影的區(qū)分，室內(nèi)的空間視覺環(huán)境開闊和諧。夜晚，建筑物內(nèi)的燈光透過屋蓋的膜照亮夜空，建筑物的體型顯現(xiàn)出夢幻般的效果。

1.3 膜結構在國內(nèi)的發(fā)展

在世界建筑業(yè)的迅速發(fā)展中，中國現(xiàn)代空間結構的發(fā)展受到了西方國家先進技術的影響。近幾年來，在索膜結構應用上顯示了活躍的趨勢。雖然一開始工程規(guī)模不大，但已逐漸擴展到更大的面積和跨度。所采用的技術與材料在某種程度上還要依靠國外，但預計會有更多的工程依靠自己的力量來完成。

在過去10年中，中國的許多城市都在籌劃建設新的體育設施。由于其重量很輕的優(yōu)點，膜結構往往被采用，體育建筑可以說是膜結構在中國應用的突破口。1997年之前，只建造了少量的小型與中型的膜結構，同年在上海舉行的第七屆全國運動會，膜結構被用在主體育場的看臺挑篷，總面積達36100m2。這是中國第一次將膜材制成的屋頂用在大面積的永久性建筑上，具有深遠的影響。

上海體育館鮮明特點是大跨度、大空間，其外形既充分展示了體育運動的力度和氣勢，又體現(xiàn)了簡潔流暢的整體風格，是建筑技術和建筑藝術完美的結合。觀眾席上方采用馬鞍形大懸挑鋼管空間屋蓋結構，覆以乳白色半透明膜結構的頂面，面積為3.6萬平方米，主席臺正上方的一根最長單臂懸挑梁長73.5m，為世界建筑史之最。

在上海體育場成功的建成后，雖然它的價格仍高于傳統(tǒng)的結構，又出現(xiàn)了一些膜結構屋頂?shù)捏w育場。頤中體育場坐落在山東省的濱海城市青島，這是中國第一個靠自己力量設計與施工的大型膜結構體育場，外包尺寸為266m×180m，可容納6萬觀眾。懸挑40m的屋蓋是一個包括膜、索和鋼支承結構的典型張拉體系，整個屋蓋由70個錐形索膜單元組成，總面積為30000m2。環(huán)顧整個中國大地，膜結構成為覆蓋主體育場的優(yōu)選。

2 索膜體育館的現(xiàn)狀

目前，世界各地的索膜結構工程或研究領域的蓬勃發(fā)展，與現(xiàn)代科技發(fā)展，人類面臨的任務，保護自然環(huán)境，建設了索膜功能和使用的不斷擴大，結構跨度或高度的增加，從而索膜建筑開始在世界上廣闊的應用。索膜結構是目前發(fā)展很快的一種新型空間結構，是一種效率極高的張力集成體系，可以充分發(fā)揮鋼索的強度與張拉整體結構的空間作用。這種結構以造型新穎、質輕透光等優(yōu)點在全球得到了推廣應用，成為體育建筑、會展中心、商業(yè)設施、交通站場等屋蓋的主要選型。

隨著社會的發(fā)展和進步，以及建筑空間觀念的日益深化和科學手段的不斷提高，人們更注重追求更好的生活，“回歸自然”、“沐浴自然之溫馨”已是現(xiàn)代建筑環(huán)境學發(fā)展的主流。傳統(tǒng)建筑室內(nèi)外的視線越來越模糊，出現(xiàn)了許多亦內(nèi)亦外、相互滲透的不定空間，由于膜材的光透性，白天陽光可以透過膜材形成慢射光，使膜覆蓋空間內(nèi)達到和室外幾乎一樣的自然效果，因此膜結構能創(chuàng)造出與自然環(huán)境相媲美的空間形式。一個新的膜結構和現(xiàn)代技術的結合，以其優(yōu)越的實用性和美觀性是越來越多的人所接受和喜愛在現(xiàn)代建筑中的廣泛應用和當代建筑的發(fā)展，注入了新的活力。

2.1 索膜結構-膜結構設計

索膜結構設計主要包括以下內(nèi)容：

（1）初始態(tài)分析：確保生成形狀穩(wěn)定、應力分布均勻的三維平衡曲面，并能夠抵抗各種可能的荷載工況，這是一個反復修正的過程。

（2）荷載態(tài)分析：張拉膜結構自身重量很輕，僅為鋼結構的1/5，混凝土結構的1/40；因此膜結構對地震力有良好的適應性，而對風的作用較為敏感。此外還要考慮雪荷載和活荷載的作用。由于目前觀測資料尚少，故對膜結構的設計通常采用安全系數(shù)法。

（3）主要結構構件尺寸的確定，及對支承結構的有限元分析。當支承結構的設計方法與膜結構不同時，應注意不同設計方法間的系數(shù)轉換。

（4）連接設計：包括螺栓、焊縫和次要構件尺寸。

（5）剪裁設計：這一過程應具備必要的試驗數(shù)據(jù)，包括所選用膜材的楊氏模量和剪裁補償值（應通過雙軸拉伸試驗確定）。

2.2 索膜結構方案問題

索膜結構在方案階段需要考慮的問題有：

（1）預張力的大小及張拉方式；

（2）根據(jù)控制荷載來確定膜片的大小和索的布置方式；

（3）考慮膜面及其固定件的形狀以避免積水（雪）；

（4）關鍵節(jié)點的設計，以避免應力集中；

（5）考慮膜材的運輸和吊裝；

（6）耐久性與防火考慮。

2.3 膜結構施工技術

膜結構一般是由多種高強薄膜材料及加強構件通過一定方式使其內(nèi)部產(chǎn)生一定的張應力，加上高強度材料鋼索、鋼結構、混凝土結構的采用，使其成為能承受一定外荷載作用力，適合跨度大空間而形成無柱的大跨度結構體系。該體系自重輕、造型可以靈活多樣，具有良好的環(huán)保性、透光性、自清潔性，更具有良好的防火性和抗震性，它可以打破純直線建筑風格模式達到了剛與柔、力與美的完美結合。

膜安裝時要安排好和主體結構安裝單位的關系，協(xié)調(diào)相互間的進度；施工時注意天氣預報，保證在整個安裝過程中無四級以上大風和大雨；安裝過程中發(fā)生膜面破損需要立即進行修補，膜面應力張拉不可一次到位，以防主體結構側向失穩(wěn)，應分塊逐步張拉到位；膜面張拉到位后，監(jiān)理將會同安裝單位質檢人員對膜面張力按照結構設計提供的膜面應力值、測試部位和測試工具對膜面應力進行全面檢查驗收，另外做好防水密封工作。

2.4 索的制作

鋼索制作一般包括下料、編束、預張拉、防護等幾個程序。為了使鋼索在受荷后各根鋼絲或鋼股均勻受力，制索下料時應尺寸精確、等長。一般采用“應力”下料，即將開盤、調(diào)直后的鋼絲或鋼絞線在一定張拉力狀態(tài)下號料，在拉應力下鋼絲或鋼絞線可以拉直，消除一些非彈性因素對長度的影響；此外還要注意同一工程所有的索號料的張力保持一致。鋼絲或鋼絞線的切斷應采用切割機或摩擦鋸片，不得采用電弧切割或氣切割。

2.5 索的安裝

各類鋼索在使用前都必須進行預張力，以消除的非彈性形變，保持索在使用階段的彈性工作。索要經(jīng)過2～3次反復張拉后，工作性能才能比較穩(wěn)定。

索頭的安裝根據(jù)索頭種類的不同，其安裝方法也不一樣。索頭將索與索具直接連接起來，索頭設計和加工正確，索端頭的強度一般都能達到索的極限拉伸強度。索和索頭的耐腐蝕性較差，裸露在大氣作用下會產(chǎn)生銹蝕，索銹蝕以后，截面積減小，承載力降低，結構的使用壽命縮短，因此，防銹對索膜結構來說是至關重要的。

3 索膜結構發(fā)展趨勢

索膜結構是建筑結構中最新發(fā)展起來的一種形式，它以性能優(yōu)良的織物為材料，或是向膜內(nèi)充氣，由空氣壓力支撐膜面，或是利用柔性鋼索或剛性支撐結構將面繃緊，形成具有一定剛度、能夠覆蓋大跨度空間的結構體系。膜結構已成為結構設計選型中的一個主要方案，也成為化纖紡織品應用的一個重要領域，在中國建筑結構中也有長足的進展。

現(xiàn)階段國內(nèi)有好多廠家都能生產(chǎn)有PVC涂層聚酯織物，但其性能尚未能完全達到建筑織物的要求，作為建筑用的永久性材料尚需進一步提高。到目前為止，國內(nèi)外對索膜結構的設計理論、設計方法與施工技術開展了相對系統(tǒng)的研究和工程實踐；我國也制定了《索膜結構設計規(guī)程》，但尚缺相應的施工技術規(guī)范，尤其是在索膜結構的安全使用與維護方面研究甚少，這是索膜結構的一個缺憾。

據(jù)悉最近有些公司正在試制有PVDF面層的聚酯織物和PTFE玻璃纖維織物，外觀與性能都大有改進。近一段時間來，國外媒體表現(xiàn)出了對中國建筑設計前所未有的關注。近年來的美國《商業(yè)周刊》評選出了中國十大新建筑奇跡，包括北京奧體主會場、國家游泳中心、北京首都國際機場、上海世界金融中心、國家大劇院、中央電視臺、上海崇明東灘生態(tài)城、當代MOMA、長城腳下的公社、東海大橋（上海）。其中地處北京的建筑就有七家之多?！爸袊鸩匠蔀楫斀褡罹哂袆?chuàng)意性建筑和工程設計的舞臺?！敝袊ㄖ聵I(yè)的發(fā)展，正在為今日最頂尖建筑及工藝技術創(chuàng)造一個舞臺。

4 結語

索膜結構作為一種較新穎的大跨度空間結構建筑形式，由于其所用材料及受力體系特殊性的特點，所以在施工中必須做到科學統(tǒng)籌，盡量做到設計、施工統(tǒng)一配合，建議索膜結構專業(yè)施工單位應定期安排設計人員到施工現(xiàn)場觀摩學習，以使設計與施工、理論與實踐完美結合，從而改進施工質量，提升以索膜結構為代表的一系列空間結構體系施工水平。

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[責任編輯：王楠]