结构设计论文：张拉膜建筑设计研讨
本文作者：徐猛 单位：如皋市住房和城乡建设局
薄膜材料质量很轻，每平方米大概700～1700克。轻质的结构材料大大减少了结构自重和材料运输的成本。轻质的结构和较大的结构变形能力还使张拉膜结构能够吸收震动，减轻地震对建筑的破坏作用，十分适合地震多发地区。薄膜材料具有一定的透光性能，常用膜材能透过大概4%～16%的光线。在白天建筑内部不需要人工照明，减少了建筑的能量消耗。在夜晚室内的灯光从膜面透出来，勾勒出张拉膜结构雕塑般的形体，成为夜晚的一道风景。薄膜材料具有很高的反射率，大量的阳光热辐射能被膜材反射回去，张拉膜结构极小的结构体量使其不会吸收大量的热量，减少了建筑的空调负担，十分适合炎热地区的气候。通过设置双层薄膜或多层薄膜结构，增加透明保温层能使张拉膜结构保持透光性的同时能大大提高结构的隔热系数，使其适应严寒的气候。张拉膜最大最吸引人的优势就是它那优美典雅的有机造型，总能抓住参观者的目光，赋予建筑鲜明的视觉特点，改变了公众传统的建筑印象和建筑审美，丰富了建筑师的创作手法。
张拉膜的结构概念
1.结构组成
张拉膜结构是一种新型的结构形式，它和以刚性材料为主要结构材料，受弯为主要受力方式的传统结构不同，它是以柔性的薄膜作为结构材料，通过支承张拉系统对薄膜施加预应力使其形成稳定的负曲面造型，获得结构刚度，能够覆盖大跨度空间的一种空间结构体系。如后附图1是张拉膜结构的两种最基本的结构形式马鞍形结构单元和锥形结构单元的示意图。它们都是由支承张拉系统和膜面组成。支承张拉系统包括桅杆、拉索、锚点、边索、脊索等，它们是对薄膜施加预应力的结构构件，并且是张拉膜结构重要的造型要素。在张拉膜结构中薄膜既承受建筑荷载是结构的一部分，同时又是建筑的维护结构。
2.膜面的几何要求
张拉膜结构和其他传统结构形式最大的区别在于它所使用的结构材料。传统的建筑结构采用的都是刚性材料，结构可以直接从材料中获得刚度。而张拉膜结构使用的结构材料是薄膜，它是一种柔性材料，只能受拉不能受压，它必须满足一定拓扑关系的几何造型，通过施加预应力来获得结构刚度，从而使结构具有承载能力。张拉膜结构需要满足的几何要求就是形成负高斯曲面。负高斯曲面上每个点的的两个主曲率半径分别位于曲面的两侧，如膜结构中的鞍面和锥形面，这类曲面也称为互反曲面(anticlasticsurface)。那么为什么张拉膜结构的曲面形式必须是负高斯曲面呢？假设空间有一个点要通过索来维持该点的平衡，由于索是柔性的不能受压，所以该点至少需要连接4根索，而且其中两根索需要向上弯，以承受节点受到的向下的力；另两根索向下弯，以承受节点受到的向上的力。如此类推要使一个柔性面上每个点都要保持平衡，那么这个面必然是的负高斯曲面。
当曲面曲率较小时为了保持膜面的平衡必然需要较大的预应力，曲率较大时可以减少膜面所需的预应力，因此张拉膜结构设计中一般都要尽量避免出现扁平区域，这会造成膜面应力分布不均，难以保持结构的稳定。负高斯曲面是维持张拉膜结构稳定的基本几何要素，在此基础上对曲面施加预应力使其产生足够的刚度，满足建筑结构的要求。张拉膜结构的曲面造型与结构受力是紧密联系在一起的，是膜面内部受力情况的直接表现。充分了解张拉膜结构的工作原理和机制对于建筑师进行张拉膜结构设计有十分重要的意义，可以帮助建筑师在进行造型设计时进行初步判断分析，避免设计出一些不合理的膜面造型甚至是根本不可能实现的形式。
关于张拉膜结构设计的论述
1.张拉膜结构空间设计的特殊性
张拉膜结构是一种以柔性薄膜材料作为主要结构材料，受拉为主要受力方式的结构形式和传统的结构形式有很大区别。结构特殊性决定决定了它内部空间设计的特殊性。
2.张拉膜结构的空间特点
(1)结构形式与建筑空间的高度一致性
结构与建筑空间的高度一致性是张拉膜结构最大的空间特点，它的其他空间特点都是由此而来。建筑的结构为内部空间提供了一个基本骨架。在传统结构形式的建筑中常常会对结构形成的原始空间进行进一步塑造和修饰，例如通过使用吊顶，掩盖一些较粗糙丑陋的结构构件，重新限定空间大小和形状，改变原有空间界面的肌理、质感和色彩，形成建筑师所需要的室内空间效果，这些建筑的结构和内部空间是不完全一致的有时甚至是相背离的。在张拉膜建筑中，结构形式和内部空间是高度一致的，结构本身就是内部空间的围合界面，它的形状、质感和色彩等决定了空间围合界面的形状、质感和色彩。在张拉膜建筑空间设计中，建筑师必须改变通常的先建筑后结构的空间设计方法，在进行空间设计构思时就要充分考虑结构的实现问题，把结构当作空间设计的手段和语言。
(2)透明的负双曲面空间
通常的建筑空间都是由直线元素构成的，即使是曲面的也都是各种正高斯曲面和零高斯曲面，例如圆柱面，半球面等，而张拉膜建筑的内部空间是一种负高斯曲面构成的空间。张拉膜建筑的内部空间更加自由流畅，空间之间的过渡平滑柔和，室内外的空间互相交融在一起。薄膜材料具有透明性，当我们站在张拉膜结构覆盖的空间里向上仰望，明亮的屋顶波浪般起伏，显得那么的轻巧和优美；阳光透过屋顶洒满室内，让人觉得室内和外面的天空发生了联系，屋顶宛若是漂浮在建筑上空的一朵云彩。张膜建筑的空间效果改变了人们对建筑空间的传统印象，对建筑产生了新的认识。
(3)新的空间限定元素
在张拉膜建筑中的结构本身就是内部空间的围合界面，张拉膜结构的各种结构构件：索、桅杆、膜面等就构成了空间的限定和表现元素。膜面是面元素，桅杆、拉索和膜面拼缝等是线元素而各种结构节点则形成了点元素。在这种情况下，结构构件不是简单的完成结构功能就可以了，还必须进行艺术化的处理承担起空间表现的任务。结构构件的艺术化处理包括对构件造型的美化，例如桅杆进行收分处理，设计膜面拼缝的图案，结构节点的造型设计等。此外更为重要的是，在张拉膜建筑中结构构件之间的视觉逻辑关系会影响到建筑的空间表达，就如同肋骨拱之间的视觉关系对于歌特教堂内部空间表达的作用一样。因此要处理好构件与构件之间的关系形成清晰的结构逻辑和有序的视觉层次。
3.张拉膜结构与建筑空间要求的契合
(1)张拉膜的结构空间形态
张拉膜结构的基本形态有鞍面、锥面、拱承面、波形面等。这些基本形态除了上述的张拉膜结构共同的空间特点之外还有着不同的空间形态特点。鞍形面张拉膜结构的高点和低点都在膜面周边，空间形态流畅开放，中央区域高度适中，空间利用率较高。锥形面高点在膜面中间，低点在周围，空间形态比较内聚。由于膜面中部升起较高，且空间越向上越狭小，相对来说其内部空间不容易被充分利用。拱承张拉膜膜面中央拱承部分较高，然后向两边逐渐降低，当多个拱承膜面组合在一起时所形成的内部空间比较容易被充分的利用。波形面张拉膜脊谷索交替排列，内部空间也高低起伏，一般来说脊索和谷索间隔距离不会太大，波形部分空间很难被利用。从上述的分析中我们发现，虽然张拉膜结构的结构厚度是所有结构形式中最小的，只有薄薄的一层膜的厚度，但是整个膜面结构的高度却比一般的结构来的大（这里的膜面结构高度指的是膜面结构的最低点至最高点的长度）。这是由于张拉膜结构的膜面曲率越大，获得同样刚度所需要的预应力越小，结构越稳定。为了减少膜面内部应力，增加结构的稳定性，张拉膜结构必须保持合适的膜面曲率。锥形张拉膜单元顶高度与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区域的曲面曲率大于3％。过大的结构高度会造成空间和材料的浪费，建筑供热制冷空调通风的过重荷载，建筑维护费用的上升。因此张拉膜建筑的结构设计要特别关注如何使结构的形态与建筑的空间要求相契合。建筑的空间除了满足使用功能对内部空间提出的要求外还要满足人们对建筑空间提出的精神需求，如空间气氛、意境、心理舒适度和其他美学要求。张拉膜结构所覆盖的空间与建筑物的使用空间和美学空间越接近，空间的使用效率越高，维护费用越低，这是降低建筑物全寿命周期费用，取得最大效益的重要途径。张拉膜结构可以通过以下方式达到结构形态与建筑空间要求的契合。
(2)充分利用结构空间
张拉膜结构的结构高度虽然比较大但只要我们合理的安排平面功能和结构剖面之间的关系，结构所占据的空间是可以被充分利用的。常用的办法是把建筑中需要较高空间的功能安排在膜结构的高点区域，而把只需要低矮空间的功能放在低点区域。张拉膜结构是空间的连续曲面，当建筑不同区域有不同的高度要求时它比通常的结构形式具有更大的灵活性和适应性。德国慕尼黑奥林匹克游泳馆通过飞杆内部支承和桅杆外部悬挂在中央比赛区域设置了两个高点结构。位于跳水池上方的高点稍高而位于游泳池上空的高点略低，整个屋面从两个高点向四周逐渐降低。建筑的结构形态与建筑的空间要求达到了吻合。（后附图3）意大利M&G研究试验室这座建筑采用连续拱承膜面作为建筑的外皮结构，把办公、实验室、车间、测试设备等功能包裹在其中。建筑内部各个功能单元，顺应拱形膜结构形态布置，在空间较高处安排较为高大的实验设备而较低处则作为休闲活动区域，充分利用了结构所覆盖的内部空间，提高了空间的使用效率。（后附图4）
(3)增加膜面内部支撑减少结构高度
有的建筑内部空间高度比较均匀，这就要求更加平缓的膜面形式，膜面的起伏不能太大，以减少空间的浪费。由于张拉膜结构的稳定性要求，曲面形式越平缓，结构的跨度也会越小。以损失整个结构的跨度来获得平缓的曲面形式显然不是一个可取的办法，那么该如何协调两者的矛盾呢？解决的方法是在原有膜面的内部增加支撑，使一个完整单一形式的膜面被分成若干部分的组合，这样就减少了每个区域的跨度，整个膜面就可以设计的更加平缓了。为了继续保持原有的无柱大空间，我们可以使用外部支承结构或者内部飞柱来提供膜面的内部支撑。1972年建成的德国雷根斯堡某游泳池由奥托设计。该游泳池主要用于休闲娱乐，只有少量的看台也没有跳水池，因此建筑的内部空间要求比较具有亲和力，高度不宜过高。奥托使用多高点的张拉膜结构作为游泳池的屋顶结构，18个高点通过钢索悬挂在外部的桅杆上。膜面内部多点高点支撑使整个膜面呈现出比较平缓的形态，满足了建筑的空间要求。（后附图5）此后奥托又在德国慕尼黑奥林匹克游泳馆临时看台屋顶的设计中采用了相似的结构。（后附图6）
(4)在膜面内部设置低点结构
膜面内部的支承点通常都是作为张拉膜的高点结构，如锥形和拱承式张拉膜。如果把它们膜面内部的高点颠倒过来作为低点，这样形成的膜曲面是向建筑内部凹进的，能大大压缩它所覆盖空间的大小，提高空间效率。美国佛罗里达州某度假设施需要建造一个膜结构屋顶来覆盖它的内庭院。膜结构屋顶由霍斯特伯杰设计。由于膜结构屋顶的跨度较大，如果采用常规的中央高点的锥形张拉膜结构，过大的结构高度会造成空间的巨大浪费，而且支撑高点所需要的结构也会增加许多建造费用。霍斯特伯格设计了两个巨大的倒锥形张拉膜结构作为屋顶结构。内凹的曲面使庭院空间控制在一个较为合适的大小，增加了空间使用效率。倒锥形的膜面周边固定在庭院周围建筑的屋顶上，低点由互相交叉的钢索直接锚固在庭院中间的地面上，省去了不必要的高点支撑构件，较少了造价。低点被设计成一个罩有透明有机玻璃的天窗，在雨天时，雨水从球罩与膜面之间的空隙流入室内，形成一处瀑布景观，为庭院增添了趣味。（后附图7）奥托在蒙特利尔博览会德国馆的设计中也在膜面内部设置了类似的低点结构。这些低点有效的起到了调整结构形态控制结构高度的作用。这些低点结构还使屋顶膜面自然的延伸到地面，建筑空间变得更加有机生动，对于表现膜结构特点，营造空间气氛起到了很好的作用。（后附图8）
4.拼逢在张拉膜结构空间表现中的作用
物体表面的图案和线条对于物体的识别有很大的影响。这些作用其实早就被建筑师发现并在建筑设计中加以利用。在歌特建筑中肋骨拱形成的韵律和图案是表现空间的主要工具，相互交错重复出现的肋骨拱突出了建筑空间高耸挺拔的效果，烘托出神秘、崇高、奔腾向上的宗教气氛。砖结构建筑中砖缝形成的图案和肌理；摩天楼玻璃幕墙的划分也都是建筑师设计建筑表面的线条元素表现建筑的手段。张拉膜结构的膜面是由膜材经过剪裁后拼接起来的，在拼缝的地方材料相对密实，透明度比较小，在光线下就会形成暗色的线条。张拉膜结构中的拼缝在结构上是无法避免的，但是它也为我们增强膜结构可识别性，形成合适的尺度比例，营造特殊的装饰效果提供了条件。
(1)可识别性线条可以强化曲面的造型，类锥形的膜面为了强调膜面的造型一般采用由高点向四周放射的拼缝。巴黎德方斯拱门的膜结构屋顶就是类锥形单元的组合。每个膜结构单元采用放射形的拼缝，使原本曲率较小的膜面造型变得清晰。放射性的图案使重复排列的膜结构单元变得十分生动，增加了许多耐看的细节(后附图9)。M&G实验室的膜结构屋顶在钢拱架方向上曲率较大而与拱架垂直的方向上曲率较小。垂直于拱架布置的拼缝突出了膜面的起伏变化，增强了可识别性。(后附图10)
(2)比例尺度膜面上的线条图案能使人获得正确的尺度感觉。美国想象公司的总部改造工程中采用了大面积起伏不大的张拉膜结构屋顶。屋顶平面接近于矩形，10个飞杆支撑的高点使膜面有轻微的起伏变化。膜面采用均匀大小的长方形拼缝，每个高点都支撑在拼缝交点处。长方形的拼缝图案使屋顶获得了尺度感，突出了高点布置的内在秩序和规律（后附图11）。巴黎的某城市改造工程中膜面拼缝没有进行恰当的设计，拼缝间隔大小不一，使人难以获得正确的尺度感，显得比较凌乱且缺少秩序（后附图12）。
(3)突出节点膜面的某些部位比如高点，低点，边缘张拉构件等是膜面应力汇聚转移的关键部位，这些部位自然的就会成为视觉的关注点，草率失当的节点处理会影响到整个结构的表现效果。对这些节点区域的强调除了通过构件造型的精心设计之外还可以通过节点部分膜面的拼缝图案和透明度变化来表现。2002年韩日世界杯足球赛在韩国仁川市所建造的门鹤体育场的屋顶是由桅杆支撑的规则悬挂式张拉膜屋顶，膜面在高点处使用星形的曲面切割和拼接实现了受力传递，解决了张拉膜带在高点处变窄的问题。双层膜面使星形的拼缝图案十分的清晰醒目，很好的起到了烘托高点结构的作用。（后附图13）在1998年建造的马兰西亚吉隆坡的国际游泳馆中，膜面主体采用平行拼缝，在每个悬挂点处拼缝进行了特别设计，呈花蕾状。花蕾形拼缝是由放射形拼缝和周边的双层聚酯条围边组成，使其具有比周边平行膜带更大的结构强度。在平行膜带的衬托下悬挂点处的拼缝图案强化了结构的构造特点和重要的结构意义，并为整个内部空间增添了几分诗情画意。（后附图14）
(4)装饰性在前面提到的例子中，张拉膜结构的拼缝在强调曲面造型，形成尺度感秩序感的同时都不同程度的起到了装饰膜面的效果。通过精心设计拼缝图案和膜面不同区域的透明度，能产生精巧的装饰图案。张拉膜结构的造型常会让人联想到自然界中的蜘蛛网，位于美国底特律河畔的Chene公园剧场的膜结构屋顶通过对拼缝方式的巧妙设计强化了这种相似性。剧场的覆盖结构是有三个弧形带状高点张拉膜结构。张拉膜的拼缝设计模仿蜘蛛网的形式，放射形的拼缝和折线形的等高线拼缝组合在一起，好像真是一张蜘蛛网覆盖在剧场上空，产生了很强烈的形式感和象征意义。（后附图15）在麦加先知清真寺庭院内的伞形遮阳结构是由德国建筑师BodoRash设计。在这些膜结构遮阳蓬上，膜面的拼缝被设计成为典雅的具有伊斯兰装饰风格的图案。拼缝呈放射形分布，从上往下拼缝线逐渐互相交错使图案变得更加生动。在靠近中心柱的附近，膜面张力汇聚在这里，需要额外的材料来增强膜面的强度。双层膜面加强膜面的强度，使膜面产生了不同的透明度增强的装饰效果。同样膜面上部连接点的加强构件不仅仅是结构元素也是装饰元素。在这个例子中张拉膜结构的拼缝起到了结构和装饰的双重作用。（后附图16）在德国Wasseralfingen的文艺复兴时期的城堡庭院内也有类似功能和结构的伞形活动天蓬。在这里膜面拼缝没有被设计成传统花纹而是抽象的叶脉形状，和膜结构轮廓形状十分协调，整个结构好像真是一片打开的树叶，给传统风格的庭院注入了新的气息（后附图17）。东京Kaetsu大学体育馆膜结构屋顶的膜面拼缝图案是十分简单的长条形，但设计者通过拼缝横竖方向的交错布置，改变了膜结构屋顶单调的局面也取得了很好的装饰效果（后附图18）。
结论
膜结构是一种充满发展潜力的空间结构形式，随着技术的进步，设计手法的丰富完善，人们观念的改变，膜结构将会成为21世纪最具活力的空间结构形式之一。但是目前膜结构还是一种年轻的结构形式，未来发展研究的道路还很长，尚有许多问题没有解决。材料和技术的发展仍然是影响膜结构发展的重要因素。膜结构的建筑表现手段还不成熟，相对于其他结构形式它的建筑形象还是比较单一，在建筑中应用的范围还比较窄。本文从建筑师的角度出发，对张拉膜结构在建筑表现中的一些问题进行了初步探讨，希望抛砖引玉，吸引更多的建筑师投入到膜结构建筑的探索中去，进一步发掘膜结构的建筑潜力，探寻符合膜结构特点的建筑表现手段。