國(guó)內(nèi)外充氣膜結(jié)構(gòu)發(fā)展研究綜述

賈碧原，宗蘭，陳德根

（南京工程學(xué)院建筑工程學(xué)院，江蘇 南京211167）

0 引言

建筑結(jié)構(gòu)頂部受自身材料重力、跨度、經(jīng)濟(jì)性等各種因素的影響，在建筑設(shè)計(jì)時(shí)受到各種各樣的限制。這些限制因素阻礙了空間結(jié)構(gòu)體系的發(fā)展以及建筑內(nèi)在意義的表達(dá)。膜結(jié)構(gòu)作為現(xiàn)代空間結(jié)構(gòu)體系中一個(gè)重要方向，是建筑學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、材料科學(xué)、現(xiàn)代化學(xué)和現(xiàn)代景觀學(xué)等學(xué)科的綜合產(chǎn)物。它是一種新型的建筑結(jié)構(gòu)，在結(jié)構(gòu)構(gòu)件受力優(yōu)異的前提下，為空間結(jié)構(gòu)體系的發(fā)展提供了廣闊的空間，使結(jié)構(gòu)向大跨度大空間方向發(fā)展。

充氣膜結(jié)構(gòu)作為膜結(jié)構(gòu)的重要組成部分，憑借高效率的結(jié)構(gòu)受力性能、經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性、自重輕、大跨度、施工快、可回收、藝術(shù)性強(qiáng)等諸多的優(yōu)越特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于各類(lèi)大跨度的建筑以及建筑的維護(hù)結(jié)構(gòu)當(dāng)中。其以柔性薄膜為主要材料，利用膜內(nèi)外壓力差來(lái)穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的形狀和剛度以進(jìn)行承重。充氣膜結(jié)構(gòu)造型豐滿(mǎn)，類(lèi)型豐富，除了民用建筑之外，還能夠廣泛地在航空航天、農(nóng)業(yè)、污染防治等諸多方面擴(kuò)展，具有極大的發(fā)展應(yīng)用空間。21世紀(jì)的大跨度空間結(jié)構(gòu)式建筑，充氣膜結(jié)構(gòu)必將成為最具有代表性的結(jié)構(gòu)形式之一。

然而，與平時(shí)所熟知的剛性結(jié)構(gòu)相對(duì)，充氣膜結(jié)構(gòu)是一種典型的柔性結(jié)構(gòu)體系，具有一套較為獨(dú)特的設(shè)計(jì)和分析的理論體系。由于充氣膜結(jié)構(gòu)的膜材、結(jié)構(gòu)特性的限制，其本身有著難以完善處理的缺陷，如膜結(jié)構(gòu)受風(fēng)荷載、雪荷載影響較為敏感。在風(fēng)荷載或雪荷載較大的情況下，結(jié)構(gòu)易發(fā)生一系列變形，進(jìn)而導(dǎo)致膜材的撕裂或承載力的喪失，造成結(jié)構(gòu)的失效，因此如果建立起相對(duì)完善的充氣膜結(jié)構(gòu)分析體系，采取措施降低風(fēng)荷載以及雪荷載對(duì)結(jié)構(gòu)的影響程度，實(shí)現(xiàn)充氣膜結(jié)構(gòu)和現(xiàn)有建筑的有機(jī)組合，制作出性能優(yōu)越的薄膜材料，從而使充氣膜結(jié)構(gòu)維持良好的形態(tài)和受力性能，延長(zhǎng)膜結(jié)構(gòu)的使用年限，將會(huì)對(duì)充氣膜結(jié)構(gòu)的發(fā)展和應(yīng)用有著重大的意義，進(jìn)而推動(dòng)大跨度空間結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步發(fā)展。

1 膜結(jié)構(gòu)的發(fā)展進(jìn)程

1.1 國(guó)外充氣膜結(jié)構(gòu)的發(fā)展

現(xiàn)代意義上的膜結(jié)構(gòu)，最開(kāi)始時(shí)是以充氣膜結(jié)構(gòu)為主要形式出現(xiàn)并進(jìn)行發(fā)展的。在1917年，英國(guó)人W.Lanchester提出了最早的充氣膜構(gòu)想，用鼓風(fēng)機(jī)使膜布立起以作為臨時(shí)性的醫(yī)院，由于當(dāng)時(shí)的物質(zhì)技術(shù)條件的局限，只成為一種假想，并沒(méi)有實(shí)現(xiàn)。直到1946年，一個(gè)直徑15 m的球形多譜勒雷達(dá)穹頂由美國(guó)人Walter Bird建成，保護(hù)雷達(dá)免受天氣影響的同時(shí)，又不對(duì)電波產(chǎn)生干擾，第一個(gè)充氣膜結(jié)構(gòu)從此問(wèn)世。20世紀(jì)70年代的日本大阪萬(wàn)國(guó)博覽會(huì)上，呈現(xiàn)了各式各樣的優(yōu)秀充氣膜結(jié)構(gòu)，膜結(jié)構(gòu)屋頂開(kāi)始系統(tǒng)地走向了世界。首次出現(xiàn)的大跨度氣承式充氣膜結(jié)構(gòu)是由建筑師Davis Brody與工程師David Geiger共同完成創(chuàng)作的美國(guó)館。川口衛(wèi)設(shè)計(jì)的富士館，是截至于今所建立的最大的氣肋式充氣膜結(jié)構(gòu)。人們認(rèn)為這是一場(chǎng)歷史性的建筑轉(zhuǎn)折，一個(gè)由剛性結(jié)構(gòu)過(guò)度到柔性結(jié)構(gòu)的開(kāi)端。

但由于當(dāng)時(shí)科學(xué)技術(shù)的限制，加上受天氣的影響較大，幾乎所有的充氣場(chǎng)館在使用中都出現(xiàn)過(guò)問(wèn)題，加之張拉膜結(jié)構(gòu)的興起，大型充氣膜結(jié)構(gòu)逐漸被張拉膜取代。隨著科技的發(fā)展和新型材料的出現(xiàn)，21世紀(jì)以來(lái)，充氣膜結(jié)構(gòu)再次煥發(fā)出光彩，受到建筑師們的追捧。造型豐富，各具特色的充氣膜結(jié)構(gòu)逐一呈現(xiàn)。本世紀(jì)初的瑞士氣囊膜屋頂自行車(chē)競(jìng)技場(chǎng)；瑞士博覽會(huì)在蘇黎世建成的3個(gè)名為藝術(shù)海灘的膜結(jié)構(gòu)展覽館；2006年世界杯中慕尼黑的安聯(lián)體育場(chǎng)，其外墻設(shè)計(jì)有充滿(mǎn)惰性氣體的氣枕，夜晚比賽可以發(fā)出不同的顏色。氣囊的網(wǎng)格化、精小化并與其他結(jié)構(gòu)體系相結(jié)合等將是未來(lái)氣囊膜的發(fā)展趨勢(shì)。

1.2 國(guó)內(nèi)充氣膜結(jié)構(gòu)的發(fā)展

國(guó)內(nèi)的充氣膜結(jié)構(gòu)發(fā)展起步較晚，但是我國(guó)率先進(jìn)行的張拉膜結(jié)構(gòu)的有關(guān)研究，為充氣膜結(jié)構(gòu)的發(fā)展奠定了一定的理論基礎(chǔ)。國(guó)內(nèi)真正意義上充氣膜結(jié)構(gòu)工程的開(kāi)端，是20世紀(jì)90年代北京建成的房山游泳館，同年在鞍山建成的農(nóng)委游泳館。盡管起步較晚，但是國(guó)內(nèi)充氣膜結(jié)構(gòu)的發(fā)展勢(shì)頭迅猛，尤其是北京奧運(yùn)會(huì)的開(kāi)展，重新為其發(fā)展注入了強(qiáng)大的動(dòng)力。作為奧運(yùn)會(huì)比賽場(chǎng)館之一的“水立方”，是當(dāng)前世界上最大的膜結(jié)構(gòu)工程，采用3 000多個(gè)大小各異的ETFE透明氣墊作為墻體填充構(gòu)件，建筑外層膜結(jié)構(gòu)透明輕巧，具有良好的自潔性，塵?？呻S雨水排除，同時(shí)給人以美輪美奐的視覺(jué)沖擊和藝術(shù)感受，“水立方”做到了藝術(shù)、科技、環(huán)保的完美結(jié)合。并且膜材研究領(lǐng)域以此為契機(jī)，在境內(nèi)開(kāi)設(shè)了ETFE膜材的生產(chǎn)工廠，擺脫了膜材依賴(lài)高價(jià)進(jìn)口的局面，進(jìn)一步為膜結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

2 充氣膜結(jié)構(gòu)的工作特點(diǎn)

2.1 充氣膜結(jié)構(gòu)的分類(lèi)

充氣膜結(jié)構(gòu)是膜結(jié)構(gòu)的重要分支，它是以?xún)?yōu)性能的薄膜為材料，通過(guò)膜內(nèi)外形成的氣壓差，使膜面處于繃緊狀態(tài)，形成具備一定剛度和形態(tài)的結(jié)構(gòu)形式，從而抵抗外界施加的荷載。從充氣膜的工作原理來(lái)分，充氣膜結(jié)構(gòu)可分為氣承式膜結(jié)構(gòu)和氣囊式膜結(jié)構(gòu)；從空間結(jié)構(gòu)效用亦可分為單層膜和雙層膜結(jié)構(gòu)。氣承式膜結(jié)構(gòu)是將膜面周?chē)潭ㄔ陂]合的剛性支撐上，形成密閉空間，借用鼓風(fēng)機(jī)增大室內(nèi)氣壓，膜面受拉鼓起達(dá)到設(shè)計(jì)曲面，確保內(nèi)外壓差維持結(jié)構(gòu)的形態(tài)和剛度。氣承式充氣膜結(jié)構(gòu)需不斷地鼓入空氣，在暴雪、大風(fēng)等惡劣的環(huán)境下，需要提高室內(nèi)氣壓增加結(jié)構(gòu)剛度來(lái)抵抗外部荷載。氣囊式膜結(jié)構(gòu)為雙層封閉膜，通過(guò)向封閉膜空間內(nèi)鼓入空氣獲得高壓使膜面繃緊受拉，維持一定的形態(tài)和剛度。氣囊式膜結(jié)構(gòu)不需持續(xù)鼓入空氣，對(duì)膜材要求較高，其與外部結(jié)構(gòu)的組合性較強(qiáng)，可形成多式多樣的建筑風(fēng)格，具有濃重的藝術(shù)性。

2.2 充氣膜結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)

在建筑領(lǐng)域，充氣膜結(jié)構(gòu)和傳統(tǒng)建筑結(jié)構(gòu)相比，除傳統(tǒng)建筑功能之外，還具有下面等諸多優(yōu)勢(shì)。

（1）充氣膜的自重較輕，膜的透光性、耐火性、耐久性、耐候性好，結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)大跨度，且跨中不需設(shè)置任何的支撐，可擴(kuò)大建筑設(shè)計(jì)空間。

（2）充氣膜膜材自身自潔性好且綠色環(huán)保，在雨水沖刷下可進(jìn)行自我清潔，其膜材廢棄后可回收重復(fù)利用。

（3）充氣膜結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性好，和傳統(tǒng)的建筑相比，性?xún)r(jià)比高，其造價(jià)只有普通建筑的1/3至1/2左右，且施工快捷方便，工期可縮至傳統(tǒng)建筑的一半，工廠化生產(chǎn)性強(qiáng)，從建設(shè)到運(yùn)營(yíng)及維護(hù)階段花費(fèi)極低。

（4）充氣膜結(jié)構(gòu)的空氣過(guò)濾性能好，其通風(fēng)系統(tǒng)可大量吸收空氣中的顆粒粉塵，極大改善結(jié)構(gòu)內(nèi)部空間的空氣環(huán)境且不受外界天氣影響。

（5）充氣膜結(jié)構(gòu)的抗震性能杰出，為柔性結(jié)構(gòu)，可承受較大的結(jié)構(gòu)位移。

（6）充氣膜結(jié)構(gòu)適用性強(qiáng)，不僅可以用于臨時(shí)性結(jié)構(gòu)，還可以用于體育館、工業(yè)廠房、倉(cāng)庫(kù)等大跨度的永久結(jié)構(gòu)中，也無(wú)地區(qū)性的限制。

（7）和剛性建筑結(jié)構(gòu)相比，充氣膜結(jié)構(gòu)的藝術(shù)性強(qiáng)，其結(jié)構(gòu)外形豐富，變化性強(qiáng)，可形成獨(dú)特新穎的造型，給以美輪美奐的藝術(shù)審美體驗(yàn)。

（8）與張拉膜結(jié)構(gòu)相比，充氣膜結(jié)構(gòu)初始預(yù)應(yīng)力源自?xún)?nèi)外氣壓差，張拉膜結(jié)構(gòu)則是通過(guò)張拉索和支座位移實(shí)現(xiàn)，這是充氣膜結(jié)構(gòu)和張拉膜結(jié)構(gòu)之間的本質(zhì)區(qū)別。在抵抗外荷載方面，張拉膜通過(guò)曲面曲率變化來(lái)實(shí)現(xiàn)，充氣膜結(jié)構(gòu)通過(guò)曲面曲率變化和內(nèi)壓共同作用；初始形態(tài)分析方面，張拉膜結(jié)構(gòu)的預(yù)應(yīng)力和膜的幾何形態(tài)是一一對(duì)應(yīng)的，充氣膜結(jié)構(gòu)則是預(yù)應(yīng)力、形態(tài)和壓差三者相對(duì)應(yīng)，且內(nèi)壓在其中起到了關(guān)鍵作用，直接對(duì)形態(tài)分析的結(jié)果產(chǎn)生影響；膜面受力上，張拉膜為平面受力，充氣膜結(jié)構(gòu)除平面應(yīng)力外，還需考慮內(nèi)壓壓力作用，受力分析較為復(fù)雜；膜面繃緊情況上，張拉膜結(jié)構(gòu)受拉張力極大，膜面長(zhǎng)期處于高度張拉狀態(tài)，膜材較易起褶，并容易老化變形。而充氣膜結(jié)構(gòu)在正常使用狀態(tài)下，其膜材內(nèi)部?jī)H需低壓維持，就可受到較好保護(hù)，唯有在承擔(dān)大量風(fēng)荷載或雪荷載的狀況下，提高結(jié)構(gòu)內(nèi)壓，薄膜表面的應(yīng)力增大，結(jié)構(gòu)整體剛度和整體穩(wěn)定性提高。

3 國(guó)內(nèi)常見(jiàn)的充氣膜結(jié)構(gòu)形式

根據(jù)充氣膜結(jié)構(gòu)在建筑中所起的作用以及和不同建筑構(gòu)件組合，目前國(guó)內(nèi)的充氣膜結(jié)構(gòu)大致可分為以下幾種形式：

（1）充氣膜結(jié)構(gòu)作為大跨度空間結(jié)構(gòu)的主體構(gòu)件，直接用于建筑結(jié)構(gòu)頂部。例如富士康的可移動(dòng)潔凈廠房，廠房頂部直接采用充氣膜結(jié)構(gòu)，不僅擴(kuò)大了廠房?jī)?nèi)部空間，氣膜的降塵節(jié)能功能，亦有效地緩解了氣體無(wú)組織排放的的問(wèn)題，體現(xiàn)了綠色環(huán)保的主題。

（2）充氣膜結(jié)構(gòu)不直接承受結(jié)構(gòu)頂部荷載，作為建筑結(jié)構(gòu)的維護(hù)構(gòu)件用于建筑中。“水立方”外墻體和屋面圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用了氣囊式膜結(jié)構(gòu)，將ETFE透明氣枕填充入類(lèi)似細(xì)胞排列的鋼結(jié)構(gòu)骨架之中，使建筑物外觀表現(xiàn)出水的流動(dòng)狀態(tài)，走入其中，整個(gè)空間都給人一種被水滴充滿(mǎn)的感覺(jué)。同時(shí)，“水立方”氣枕上的鍍點(diǎn)還起到反射光線(xiàn)的作用，將強(qiáng)光以及多余熱量擋在館外，氣枕中充入了惰性氣體，在夜晚可呈現(xiàn)出不同色彩，給人強(qiáng)烈的美感和藝術(shù)感受。

（3）充氣膜結(jié)構(gòu)取代傳統(tǒng)的鋼模板和木模板，作為永不撤除的外模板，用于大型倉(cāng)儲(chǔ)。位于內(nèi)蒙古自治區(qū)的葫蘆素選煤廠，是典型的氣膜混凝土穹頂球倉(cāng)式結(jié)構(gòu)。球倉(cāng)采用充氣膜結(jié)構(gòu)和混凝土組合的形式，以充氣后定型的大型氣膜作為外模板，氣膜內(nèi)部噴涂聚氨酯作為保溫材料，進(jìn)而進(jìn)行結(jié)構(gòu)鋼筋綁扎，放棄傳統(tǒng)的混凝土澆筑選用噴射混凝土完成主要的結(jié)構(gòu)。相比于其他結(jié)構(gòu)形式的倉(cāng)儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，如球形網(wǎng)架、筒形、槽倉(cāng)式儲(chǔ)倉(cāng)，氣膜混凝土穹頂球倉(cāng)的施工更為快捷，保溫效果更加明顯，容量更大，結(jié)構(gòu)的剛性和穩(wěn)定性更強(qiáng)，結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)效果更好。

4 充氣膜結(jié)構(gòu)當(dāng)前存在的問(wèn)題

（1）充氣膜結(jié)構(gòu)在動(dòng)力荷載分析上的研究仍需發(fā)展，索膜協(xié)同工作研究缺少對(duì)摩擦力的分析。

（2）由于充氣膜膜材的制約，膜材仍需不斷改進(jìn)以提高充氣膜結(jié)構(gòu)的耐久性。

（3）充氣膜和混凝土組成的氣膜混凝土穹頂球倉(cāng)，充氣膜結(jié)構(gòu)和其他結(jié)構(gòu)的有機(jī)組合仍有廣闊的發(fā)展空間。

（4）充氣膜結(jié)構(gòu)受風(fēng)荷載、雪荷載的影響仍比較敏感，需采取措施降低風(fēng)雪對(duì)其的影響程度。

5 結(jié)語(yǔ)

我國(guó)雖然在充氣膜結(jié)構(gòu)上的研究起步較晚，但是發(fā)展還比較迅速。目前，國(guó)內(nèi)關(guān)于充氣膜結(jié)構(gòu)的找形分析、荷載分析以及裁剪分析的研究取得了一系列進(jìn)展，尤其在索膜協(xié)同工作上的研究取得了很大成果。

在不久的將來(lái)，隨著充氣膜結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步試驗(yàn)研究，采取措施降低風(fēng)雪荷載的影響，更加全面地對(duì)膜的受力進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)充氣膜結(jié)構(gòu)和現(xiàn)有建筑的有機(jī)組合，完善膜材的性能，增加其耐久性，將推動(dòng)充氣膜結(jié)構(gòu)體系的完善和成熟，充氣膜結(jié)構(gòu)一定會(huì)得到更為廣泛的應(yīng)用。