刍议张拉膜建筑设计

摘要：近年来，我国的建筑设计事业发展十分迅猛，加强张拉膜建筑设计的研究是十分必要的。结合多年来的工作经验，对张拉膜建筑设计进行了研究，具有重要的参考意义。

关键词: 膜结构找形设计；空间要素；剪裁设计视觉效果

中图分类号：TU2 文献标识码：A 文章编号：

1.前言

张拉薄膜结构是依靠膜材自身的张拉应力与支撑杆及拉索共同构成机构体系。早在远古时代，游牧民族就用天然材料如兽皮、树皮编织物等作帷幕，用树干作支撑来制作类似帐篷的遮蔽物，而有结构概念的帐篷是约 18 世纪于阿富汗所使用的黑棚，这些都可以看作是张拉膜结构的雏形。Frei Otto 在德国 Kassel (1955)园艺展上设计建成的经典马鞍型双曲抛物面帐，随后在 1957 年他又在 Cologne 建成一个比较复杂的张拉膜结构展览场舞厅，这两个现在看似简单的膜结构却标志着现代张拉膜结构的开始。但当时的膜材（常用的是涂覆聚氯乙烯的玻璃纤维织物）自身易老化、强度低等缺点致使此类结构只能用于临时性建筑结构中，这也极大地制约了膜结构工程的快速发展。直至 70 年代初，美国杜邦公司开发出了一种以聚四氟乙烯（PTFE，商品名称 Teflon）为涂层的玻璃纤维织物，这种膜材强度高，自洁性、耐火性和耐久性均较好，为张拉膜结构的广泛应用起到了积极的推动作用，也使张拉膜结构从临时性建筑迈入永久性建筑行列，成为充满活力的一种新型大跨空间结构体系。

2 构思特点

张拉膜结构建筑在单体初步构思阶段，就应充分考虑到不同表现方式的相同与协调，将建筑方案同结构方案融合在一起考虑，建筑方案的同时也是结构方案的初步构思，并注意利用张拉膜结构建筑技术所具有的形象特点，因势利导。从建筑功能和结构受力性能入手，创造出形式美观、构造合理的张拉膜结构建筑。设计时首先应考虑张拉膜结构体系的特殊性，即由于张拉膜、索结构所使用的主要材料本身不具有基本刚度和形状，即在自然条件下不具有承载力，只有对膜材施加预张拉应力才能获得结构承载所必须的刚度和形状，因此张拉膜结构建筑的方案设计过程首先是形态分析（即找型分析）。

3 选型

张拉膜结构的选型，应根据建筑造型需要和支撑条件等，通过综合分析确定。通常可选用下列结构形式：整体张拉式、索系支承式、骨架支承式和空气支承式，或以上形式组合成的结构形式。面膜结构的支承形式分为刚性边界支承和软（索）边界支承。封闭性建筑的边界支承一般采用连续刚性构件，即将膜边界直接与下部结构或邻近结构的刚性构件相连接。当然也可通过刚性边界支承来设计出所需的建筑造型（如图 1 的广东金融学院主席台穹顶）。对于敞开式建筑，边界支承一般采用柔性支承体系。如图 2 为典型的软（索）边界支承体系，其各膜面均为边索和脊索以一定的弧度围成。而跨内支承形式除了以上两种及其混合形式之外，也有由刚性支承变生出来的点式支承，即通常所称的椎顶支承，如图 3。通过灵活和合理地运用各种支承形式，可以构建出富于动感和变化的观赏效果（如图 4、图 5）。

4 环境因素与主题构思

任何建筑都必然处在一定的环境中，并与一定的社会文化属性保持着某种联系，从而对设计产生全面而深刻的影响。汇聚了当今先进技术及现代材料的张拉膜结构建筑在表现出强烈的时代感的同时，其应用的民族性及地域性也不容忽视。民族与地域因素的影响将突出膜结构建筑的个性，提高其审美价值，会使我们对膜结构建筑的审视有了更为全面的视角。在一些广阔的沙漠或草原地区，通过简单的形式，优雅的曲线，清晰的传力路线，便能让张拉膜结构建筑非常容易地与当地的帐篷形式融合。即便在采用木结构较多的地区，通过各种折线型、扁平型的膜面屋顶屋檐以及直线交叉状的骨架支承体系，也能显示出其传统建筑的神韵，取得与民族审美价值取向一致的效果。

如图2 为广东金融学院园林亭子方案，由米黄色膜面围合成与中式传统的斜坡屋面相似的形式，通过合理的预张力设置，形成类似飞水屋檐的曲面形态；钢结构支承体系则局部采用类似中式斗拱方格形式的同时，再配以绛红色的面漆，使整个建筑将拉膜结构的时代感和中式园林建筑手法充分融合在一起，体现出极具风格的民族性。

5 空间要素

一般来说，张拉膜结构作为一种围合空间的先进技术手段其组合方式灵活多样，为空间的形式及其组织提供了多种可能。但是值得注意的是各种空间形式必然是既有其特点又有其局限性，张拉膜结构的空间不仅包括使用空间，还包括结构构件得以共同工作的系统所占用空间（如图 3 中的起拱高度）及结构构件自身高度，即结构所占空间。通常情况下，张拉膜结构的结构所占空间较大，尤其当结构用于较大跨度空间时（如图 4），因此张拉膜结构选型时使结构所覆盖的空间形式与建筑使用空间趋近是设计构思的一个基本原则。设计中在处理结构与功能之间的矛盾时，首先根据建筑平面形式选择索- 膜结构的方案类型，如帐篷膜及其组合形式较适合圆形或环形的建筑平面形式，而马鞍型膜及其组合形式更适合于方形或矩形的建筑平面等等。其次要努力减少结构跨度以减少结构系统所占用的空间高度，如将单一式空间形式转化为多个较小而重复的单元式空间组合，从而降低空间高度，减少空间体积，如图 5。

6 膜材裁剪

平面的膜材是通过裁剪设计方可拟合不可展空间曲面。剪裁设计除应符合膜材的受力要求外，还应满足视觉形式的要求。因为膜材拼缝在透光的顶棚上形成一条明显的暗条，从室内可十分清楚地看到，膜材拼缝形成的图案将有助于我们理解屋顶形式及尺度，同时反映设计者对结构逻辑及材料性能的理解，从而增加膜顶形状的可读性，它可以成为一种重要的室内装饰要素，剪裁设计视觉效果是表现空间的有力工具。张拉膜结构建筑采用的膜材，一般均具有透光特性（透光率5%～15%之间）。由于其具有漫射光的作用，膜材覆盖的空间内将呈现特殊的光学效果（有明显光感但无阴影），建筑设计中应利用此特性，通过选择各种不同颜色的膜材与结构构件进行合理的搭配，加上独特的剪裁拼缝设计，可以变现出传统建筑空间之内难以表现的独特室内效果。

7 结 语

张拉膜结构建筑的表现方式与一般的建筑有所不同，也与传统建筑在设计过程方面存在差异，它打破了传统的“先建筑后结构”的设计程序。另外张拉膜结构具有的充分利用阳光、空间及与自然融合的特性，随着材料的寿命、性能、计算理论的不断完善发展，正为高科技建筑的发展提供了一个广阔的空间，张拉膜结构因此也备受各地新一代建筑师及建筑市场普遍认可。

参考文献

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