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这里提出的膜结构指的是，一种形态与结构有机结合的结构体系，是采用高强度柔性薄膜材料与支撑体系相结合形成的具有一定刚度的稳定曲面，能承受一定外荷载的空间结构形式。

如果你在网络的搜索引擎中键入“膜结构”一词，你会发现许多与生命和生物相关的信息。这不由得让生活在当今时代、面对城市和生活面貌大变迁的我们多少有些诧异。其实，“膜结构”并不是现代建筑发展到近半个世纪才横空出世的“新生代”名词，这个概念早已出现，只不过不是在建筑界罢了。也许，以“膜结构”代指的特定类型的现代建筑，是融会了建筑的外在形象特征，并借用了生物学中“膜结构”的概念，从而得名的。

生物学的观点认为:生命起源是一个化学进化的过程，是经由有膜的有机微粒从小分子到大分子，进而形成类似生命结构的进化过程。其化学膜结构不但有较高的化学稳定性和机械强度，能抵御原始海洋中各种机械的、物理的和化学的破坏因素的作用，而且膜结构的半透性能允许合适的光线和养分通过，同时通过膜与外界物质环境进行交换，从而促进进化的产生。可见，膜结构是一个伴生生命起源的重要结构形式，它在远古时代就已经与人的生命结下了不解之缘，它对于外界的适度的屏蔽作用和对某些物质的可通过性，成为它区别于其他结构的主要特征。这也是今天，膜结构不仅在生物界，并且跨越到其他领域，依然成为人们关注和研究对象的重要原因。

膜结构建筑在现代建筑日新月异的发展进程中，呈现其千姿百态的面孔，它不仅出现在各种建筑类型中，也在外部空间设计领域扮演了越来越重要的角色，本章将从对这种建筑如何产生，其因循怎样的思想基础、时代背景和技术成就开始，分析膜结构建筑的结构分类与特性，膜材的种类和特点，进而综合现有的理论知识和建筑实例，探讨膜结构建筑特有的设计规律和设计语言，从而就现代建筑的这一分支在设计实践上对读者有所帮助。

现代建筑经由砖混结构、钢筋混凝土结构、钢结构的不断诠释，发展至今派生出“膜结构”这一特异的类型，这并不是偶然的。它的产生是历史因素、社会因素、技术因素和经验习惯的积累共同作用的结果。

那么，“膜结构”的产生究竟有哪些渊源呢?让我们看看下面这些有关“膜”的故事。

就像前文所述，膜结构与人的关联由来已久，它除了是生物学的名词之外，现在已经越来越多地以建筑的形式出现在人们的视野中。如果我们细细想来，不难发现，膜结构存在的领域远比我们想象的宽泛许多，自然界存在许多天然的“膜结构”，并且在历史的长河中不断地映射到人们的日常生活中，成为人们生活中息息相关的一些器具，潜移默化地发挥着深刻的影响。一片树叶，就是一个小小的膜结构，叶的茎、脉是结构体系，叶的表面是张拉在其间的薄膜。

今天，生物界千奇百怪的皮肤，小到细菌、微生物，大到有形的动植物，几乎都可以说是“膜”经过了漫长的进化演变形成的。从各大洲不同文明的考古发现得知，人类的祖先在早期的野外生活中，都相同或相似地采用了“帐篷”这种形式，作为居住的场所，只不过根据所处自然环境的不同，古人们就地取材用来扎制帐篷的材料有所不同。有些采用了植物的枝叶，有些采用兽皮或皮毛，但类同的是他们都依附于简单的支撑。这些利用简易的支撑结构绑扎覆盖型的材料而做成的“帐篷”，可以被看作是最早的膜结构建筑，那些植物枝叶或是动物毛皮就成了最早启发人类创造性的“膜”材。(如图3.1所示)

今天，广泛应用于农业生产的塑料大棚和温室，是简易帐篷的“现代版”，而“驴族”们行囊中装备的帐篷，则是经由现代材料和科技诠释的“时尚版”。它们都是膜结构在生活中的应用。(如图3.2、图3.3所示)

伞是便携式的膜结构用具(如图3.4所示)。在现代生活中，伞依然是生活中必不可少的用具。公园和广场中，总会出现“伞”形的凉亭，可收纳的大伞也会出现在沙滩、步行街和其他休闲设施的附近。伞的造型特征和结构形制，或许正是促生现代膜结构建筑的重要元素之一。(如图3.5所示)

风筝起源于中国，虽然风筝只是一种器物，但是它也属于膜结构。竹是骨架，纸是膜材。帆船的帆，同样也属于膜结构。所不同的是，风筝和帆船除了与伞和帐篷同样有着自身稳定的结构之外，还具有利用这一结构转化风能，来实现一定功能的特征。因此，同为膜结构的风筝、帆船在垂直向度上展开，区别于伞和帐篷作为“建筑”在水平向度上展开的形态。

也许，正是风筝和帆船区别于建筑物的形态展开方式，为现代膜结构建筑在外部空间设计中的小品，提供了另辟蹊径的可能，这也是现代膜结构建筑在形态上呈现多维发展、千姿百态的重要因素。(如图3.6、图3.7所示)

建筑的发展史伴随人类的发展史已经走过了数千年。建筑，也由最初人类必需的生活资料，演变为如今带有创造性的极大社会文化价值的人类物质生活的一部分。

现代的膜结构建筑，在自然赐予的启迪和生活经验的不断积累中，在人们创造性的思维火花的碰撞下，横空出世;也是在20世纪特定的时代背景、技术成就和艺术思潮的共同作用下，应运而生。

膜结构建筑作为现代建筑中的一员，不例外地是社会变革激发的产物。

18—19世纪欧洲大陆发生了一场伟大的变革，创造了一个以工业生产为基础的新的时代。这场变革也成为建筑发展史上的分水岭，其中酝酿着现代建筑的巨变。自此，现代建筑创作的理念、语言和形式走向了一条崭新的道路，以至于对后来建筑的发展具有不可磨灭的历史意义和现实价值。这就是工业革命。社会变革反映在城市和建筑发展上，就体现为许多新的建筑类型的产生。

膜结构建筑是在工业革命后现代建筑大发展的背景下孕育和诞生的。二战后，国际社会趋于外向型的社会成就与文化交流，是促使体现科技进步和适应展览需求的膜结构建筑产生的又一动因。世界博览会从起源到20世纪中叶，已经历了百年岁月，但二战后世界博览会对于促进世界各国经济、文化、科学技术的交流与发展具有特殊的意义。在这一特殊的历史背景下，世界各国都期待着通过交流活动展示国家形象，并从中吸纳经验应用于本国的建设与发展。此时，需要具有号召力和感染力的建筑出现，作为交流的载体来担负这一使命，同时针对博览会这种阶段性的交流活动，建筑具有临时成为建筑师可以大胆创新而加以考量的因素。膜结构建筑也是以世界博览会作为其崭露头角的处女地。博览会建筑为创新提供的土壤和临时性建筑的特殊身份，使膜结构建筑在蹒跚起步时就能够有惊世骇俗的表现，这就是时代造就的机遇和社会发展中的召唤吧。

从工业革命开始，世界范围内技术进步的步伐空前加快了。膜结构建筑是结构技术革命和材料技术革命的双重产物。

建筑作为有意味的空间被要求具备巨大的体量和许多前所未有的新形式和新技术。结构技术面临着尺寸、高度、强度和复杂性的挑战。因此，新的建筑材料、新的结构技术、新的施工方法成为必需。

在1851年大英博览会上，“水晶宫”以钢和玻璃的异类面孔出现，使这座便宜、迅速可建、方便拆卸的巨型建筑，成为大跨度的现代建筑的先锋，它突破了传统的建筑建造方式，对于人们的审美也是一次巨大的冲击(如图3.8所示)。钢、玻璃、混凝土，这些对于建筑技术进步具有划时代意义的发明和成就，为现代建筑的发展提供了技术支持和巨大的推动力。

20世纪早期，用于临时帐篷使用的篷布的生产，应战争的需求投入工业化生产，随着化工技术和纺织技术的提高，新型织物化纤随之出现，并在随后几十年中，“膜”作为一种特殊的高分子合成材料出现并应用于建筑。

可以说，由工业革命引发的技术变革，在经历了战争的催化后，在建筑结构和材料技术上都取得了突破性的发展:钢结构技术的成熟及其配件的精细化加工，化工和纺织业的材料创新，共同促成了膜结构建筑在20世纪中叶伴随新技术而诞生。

现代膜结构建筑的出现并蓬勃发展的历程不过短短半个世纪。虽然是新生事物，但并不平凡。膜结构建筑的结构方式由一种构想，发展到有张拉式、骨架式和充气式多种并存，所用的膜材也随着科技的进步，不断提高着适用性能，使最初只能作为临时设施的膜结构建筑，终于成为现代建筑中具有独特魅力和不可替代的一朵奇葩，并在绚丽的都市丛林中绽放异彩。

膜结构建筑，其结构的建立先于建筑形式，在设计中处于先导地位。因此，膜结构建筑超越其他类型建筑，在技术与艺术结合上更加趋于完美:“充满张力自然曲线的空间膜体、高耸的桅杆、坚如射束的根根钢索、富于机械艺术表现魅力的钢制大型节点，都给人以别具一格的艺术感染力。”总体说来，膜结构建筑的结构形式，在短短半个世纪间经历了一个由简入繁的过程。

1917年，美国人兰彻斯特建议利用新发明的电力鼓风机将膜布吹胀，用作野战医院。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，一位名为华特·贝尔德的人为美国军方做了一个直径15米、圆形、充气的雷达罩，可以保护雷达不受气候侵袭，又可让电波无阻地通过，从而使相隔了19年的专利付诸实用。这种崭新的轻质临时建筑，拥有与以往任何一种建筑都不同的结构形式和建造方式，通过充气使膜布鼓胀，从而得到可利用的内部空间，就好像是孩子们吹肥皂泡一般，比起繁重的土木工程，再轻松不过了，同时也突破了人们在架构建筑时的一贯思维方式，而成为环境中借助“力”达成的某种平衡的空间载体。膜结构建筑在出现之始就体现了它的特性——轻便的安装、一定的外保护和适需的可通过性。(如图3.9所示)

1961年，美国工程师富勒在伊利诺伊州为联合油罐车公司设计建造穹顶车库时，采用了充气式的尼龙材料，从顶部向下建造实施。(如图3.10所示)

膜结构建筑的开拓者德国建筑师弗赖·奥托，则建造出第一座张拉式膜结构。这种结构体系同样是运用“力”的制衡作用，使轻盈的膜材与支撑体系之间达成了空间关系上的平衡，所不同的是，张拉膜结构应用的是膜材自身的预张力，与充气膜结构依靠机械鼓风产生的空气压力不同。在1960年间，就职于斯图加特大学的弗赖·奥托教授继续致力于膜结构建筑的研究与实践，先后于1962年和1965年发表了研究膜结构的成果，并同帐篷制造厂商合作，实践了一些张拉式膜结构和钢索结构。终于在1967年蒙特利尔博览会上，划时代且创造性地设计了西德馆，这在欧洲产生了深远的影响，尤其是德国，可以说是将膜结构建筑推向了产业化、商业化的前沿。(如图3.11(a)、(b)所示)

与此同时，美国人富勒在蒙特利尔博览会上，采用充气式膜结构设计的巨大的球形穹顶美国馆，同样引起了关注(如图3.12(a)、(b)、(c)所示)。从此，膜结构建筑逐渐被人们认识并开始广泛关注，开始了其年轻而又蓬勃成长的生命。

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2 500万美元，被一再消减到250万美元，使设计组承受了无比的压力和挑战。在“穷则变，变则通”的情况下，设计师决定将基地挖一大坑，把废土堆在四周，筑成围墙，在其上浇注一个混凝土压力环，将钢索网固定在环上，再把膜布固定在钢索网上，并加以充气，就做成了9 290米²的展览馆，从而开启了充气式膜结构的新篇章。1970年大阪世界博览会上，大卫·盖格展示了他设计的卵形美国馆，同时村田丰设计的香肠形充气膜结构建筑富士展览馆和表面可伸展的龙形展览馆“日本馆”也引起了人们的关注(如图3.13(a)、(b)、(c)所示)。因此，普遍认为1970年大阪世界博览会是把膜结构建筑系统地、商业性地向外界介绍的开始，大阪博览会展示了人们可以用膜结构建造永久性建筑。

充气膜结构延续了早期充气式野战医院构想的设计理念，并使得这一理念充分挖掘了其可以筑就大跨空间的特点，以适应现代建筑在经济和适用原则下近乎苛刻的要求。在随后的1968年到1987年之间，在世界各地有多座室内运动场馆是采用充气式的膜结构设计建造的。

20世纪70年代，充气式膜结构和张拉式膜结构都取得了长足的发展。以奥托为代表的建筑师在对于两种膜结构的研究和实践上，有了更多的创新和尝试。1974年，在沙特阿拉伯的圣城麦加，奥托和古特布罗德合作完成了洲际旅馆和会议中心，使膜结构建筑的适用范围趋于多样化。建筑采用了现代钢结构构件与传统的沙漠棚屋形象相结合，张拉膜结构完美地与复杂的建筑形体融为一体(如图3.14(a)、(b)、(c)所示)。

1975年，在联邦德国曼海姆举行的联邦花园展览会，奥托设计了一座多用途、单层、轻质并且不引人注目的展览馆——一座类似变形虫的建筑。它不但可以作为集会场所，也可以用作表演和艺术展览空间;它的形态自由和夸张，改变了大跨度膜结构建筑相对简单的平面和造型(如图3.15(a)、(b)、(c)所示)。

随着膜结构技术及材料的发展日趋复杂和精湛，其在建筑造型多样性上的突出表现就越来越受到关注。同期与现代建筑共同发展的结构体系还有框架结构和钢结构，满足了对建筑造型越来越高的要求，多种结构体系尝试应用于一个建筑，并使得这个建筑各部分都能极尽展现现代建筑功能和造型的完美有机的结合，就随之伴生了“骨架式膜结构”。这种结构本身的骨架，就是某种已经达到稳定和平衡的结构体系，不需要膜材通过张拉或充盈产生的“力”与之配合来共同实现结构的稳定性，膜材只是骨架之外的覆盖材料，作为一种软性的围护体，因此骨架式膜结构也被称作“二次重复结构”。

膜结构建筑的结构发展在逐步地趋向完备和多样，从单一简易的体量形式逐步附加，与其他结构形式产生横向的关联，并派生出适应时代需求的变异膜结构，终于在今天我们看到了个性十足的膜结构建筑，一种精神拥有万千面孔，散发着这种结构形式不可替代的艺术魅力。

膜结构建筑的主要材料是担负“力”的使命的膜材。膜材是伴随着现代工业技术的进步而发展的，也是在不断适应需求的挫折与呼喊中快速前进的。

膜材的发展经历了几个重要阶段:

1933年——PVC(工业化)诞生;

1938年——PTFE产生;

1947年——聚酯纤维(工业化)出现;

1972年——涂覆PTFE的玻璃纤维出现。

早期的膜材由于在强度和耐久性方面存在质疑，因此在许多国家的建筑立法中，膜结构建筑都不能作为永久性建筑，只是在博览会等场合以临时建筑出现。

在1970年日本大阪世界博览会上，盖格公司成功地向世人推出充气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7～8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。膜材在长期处于受力的情况下，必须保证一定的机械强度和柔韧性。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。由美国五家公司共同开发的永久性结构膜产品诞生了，他们将玻璃纤维先集成线再织成布纱，经过硅胶浸泡，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，就这样永久性的PTFE膜正式诞生。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，1973年在圣太·克罗拉的加州分校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，并迅速推广到全球。

膜材虽然有其他材料无可比拟的优点，但也始终存在一定的缺陷。在新型的玻璃纤维膜出现后，膜的强度和耐久性有了很大的改善，但对于广泛应用于体育设施等大型公共建筑的膜材来说，保温和隔热性能较弱，隔声能力差，对于建筑的使用带来很大的能耗和干扰。应对这些问题，单一的膜材似乎不堪重任，复合型双层膜材的出现和应用，在一定程度上解决了这一难题。

杭州健身中心游泳馆就是一座全封闭式的双层膜结构建筑，外层为PVDF膜，内层为PVC膜，具有保温隔热、防结露、透气性强和吸声系数高的特点，很好地满足了游泳馆对温度、湿度和噪声方面的功能需求。加拿大Lindsay公园体育中心，由于当地气候寒冷，采用了PTFE双层膜，并首次采用了半透明玻璃纤维保温隔热材料，从而使室内不仅拥有明亮的自然光线，而且在冬季依然感觉温暖如春。

从PVC膜到PTFE膜，从普通的PVC膜到提升了强度和自洁性的新型PVC膜，从单层膜到适应不同需求的双层膜，建筑用膜材在技术革新的赛跑中，不断地争得了时代的先机，使得膜结构建筑从诞生伊始一路走来，当之无愧地成为技术文明和成就的代言人。