膜结构历史及百年经典膜结构建筑---水立方

膜结构的发展在国外较早，起源是1917年有一位名为兰彻斯特的美国人建议利用新发明的电力鼓风机将膜布吹胀，作野战医院。像许多专利申请案一样，这只是一种构思，而没有真正成为使用的产品。1946年，有一位名为华特・贝尔德的人为美国军方做了一个直径 15m圆形充气的雷达罩，可以保护雷达不受气候侵袭，又可让电波无阻的通过，从而使相隔了19年的专利付诸实用。由此而衍生出了一个新的工业产业，在1956年以后美国一共建立了约50多家的膜结构公司，制造各种膜产品，用做体育设施、展览场、设备仓库、轻工业厂房等，不一而足。但多因设计不周全，或制作粗糙，或是业主维护不当，以致造成许多不幸事件，大多数的工厂亦因之倒闭。1960年间，德国斯图加特大学的弗赖・奥托先生，先后于1962和1965年发表了研究膜结构的成果，并同帐篷制造厂商合作，做了一些帐篷式膜结构和钢索结构，其中最受人注目的是1967年在蒙特利尔博览会的西德馆，其在欧洲，尤其是德国，可以说是开了膜结构构商业化的先河。1968年，美国纽约的建筑师布罗迪和哥伦比亚的大卫・盖格教授合力争取到了日本大阪世界博览会美国馆的设计权。原先的经费2500万美元，被一再消减到250万美元，此设计组承受了无比的挑战，在穷则变，变则通的情况下，将基地挖一大坑，将废土堆在四周，筑成围墙，其上浇注一混凝土压力环，将钢索网固定在环上，再将膜布固定在钢索网上，加以充气，就做成了9290m2的展览馆，从而开启了气撑式膜结构的新页。1968年到1987年之间，有 8座室内运动馆是以此方法设计建造的。 在大阪世博会，盖格公司成功地向世人推出气撑式膜结构的新设计技术，而受到建筑工程界一致认可后，又面临所使用的膜材料问题。这种膜材只有7年― 8年的寿命，在太阳紫外线及风、雨的交互作用下，膜布会变得硬脆、破裂，而失去结构性能。只有使用好的膜布材料，才能使这种大跨距的屋顶，成为永久性的建筑。正在此时，美国福特基金会下属的教育设施实验室给盖格公司一笔资金，用来开发此种永久性的建筑膜。在盖格公司领导下，同美国的杜邦公司、康宁玻纤公司、贝尔德建筑公司、化纤织布公，五家共同开发永久性的结构膜。产品很顺利地就制成了，化纤公司将康宁公司提供的玻璃纤维，先集成线再织成布纱，经过矽胶浸泡，先制成水密坯布，再多次快速放入特氟隆溶液中，使坯布两面皆有均匀的特氟隆涂层，永久性的PTFE膜正式诞生。经过加速气候实验，其物理稳定性确定后，盖格公司又设计各种结构配件及确定设计程序，以建造不同性质的膜结构。堪萨斯城的建筑师约翰・西弗率先使用此产品，在加州的拉・弗恩建了一座学生活动中心，另外，几平同时即1973年在圣太・克罗拉的加州分校办建了一座气撑游泳馆（活动屋顶）及学生活动中心，从此永久性膜结构便正式在美国风行。 而在我国，膜结构的理论和实践则是刚刚起步，但国家游泳中心“水立方”的落成给国人及世界有意暂新的面目。从大阪世博会膜材的7、8年寿命到水立方的100年，它是国内首个采用ETFE气枕结构的场馆，是世界上建筑面积最大、功能要求最复杂的膜结构场馆。对于其设计的经典之处请看下文： 源自 《水立方膜材料堪称“塑料王”》 巧妙设计防被鸟抓 　　“水立方”的寿命有多长？设计单位中建国际(深圳)设计顾问有限公司总建筑师郑方给出的答案是――100年。这样一个百年经典建筑能否经历风霜雨雪和外力伤害？实验表明，膜结构的强度是符合使用要求的，即使面对冰雹的天气也没有问题。 　　“水立方”的膜结构使用的是一种名为ETFE的特殊材料，最早使用于航空工业中，在业内素有“塑料王”的美誉。 ETFE薄膜的使用在国内尚属首次，但过去20年内，由于这种材料耐腐蚀性、保温性俱佳、自清洁能力强，欧洲有600至800个建筑都用了这种材料，包括德国的安联体育场和英国“伊甸园”植物园。在过去的20多年间，这些建筑中使用的ETFE膜透光性和强度没有出现丝毫的退化，迄今为之工况良好。“水立方”的设计寿命为100年，ETFE膜在过去近30年里的表现让人“水立方”的寿命充满信心。 　　然而，过去的20多年的数据毕竟只具有参考价值，“水立方”的膜结构如何养护？在安装之前，工程人员曾进行了抗冲击的实验以检验膜强度。在实验时，在膜上方2―3米的地方，用削尖的木楔子向气枕落下，看它能否承受这种冲击而不会破漏。通过这些实验以及在实验室内进行的拉伸的实验，证明膜的强度是符合使用要求的，即使面对冰雹的天气也没有问题。 　　郑方说，“水立方”周围设置了护城河，内层膜结构也与公众活动区域有一定距离，这样的设计保证了公众不可能近距离的接触到这些“水泡泡”，这就大大降低了它受伤害的可能。此外，ETFE为半透明的材质，“根据生物学原理，鸟儿们是不大愿意停留在半透明物上的。”“水立方”顶部设有雨洪收集系统――排水天沟，这个地方也成为鸟儿们在水立方唯一的落脚点，为了保证落在上面的鸟儿们远离“泡泡”，设计者们又在天沟接近膜结构的部位设置了金属线供鸟儿们落脚，确保他们不会步入“禁区”。 　　水立方内外层膜结构之间有一个充气的空