張拉膜景觀建筑的發(fā)展及力學(xué)原理 　　一、張拉膜景觀的發(fā)展
　　
　　張拉膜景觀作為居住空間的外表面的結(jié)構(gòu)形式,在很遙遠(yuǎn)的古代就已經(jīng)有在,將草席和獸皮、毛織物等皮樓用簡單的木柱等頂起,用繩子固定在地面上構(gòu)成穩(wěn)定的簡單住宅,這種建造方式在上古時(shí)代就開始應(yīng)用了。皮膜質(zhì)量較輕且堅(jiān)固,富含柔軟性,搬運(yùn)、臨時(shí)設(shè)置、重復(fù)使用都比較便利,現(xiàn)在游教民中仍然還有應(yīng)用,可以說,源于皮膜的應(yīng)用.
　　
　　近代的張拉膜景觀開始應(yīng)用于雜技團(tuán)的帳篷。第次世界大戰(zhàn)后,不使用柱子而采用空氣膨脹方式的充氣張拉膜景觀也開始出現(xiàn),并大范圍地普及開。張拉膜景觀的優(yōu)點(diǎn)是,只有價(jià)格較低,短間內(nèi)建造出大空間,這井不是只存在于雜技團(tuán)的帳篷,現(xiàn)代的張拉膜景觀也同樣有這種特征。由于近年來新材料的進(jìn)一步開發(fā),有很多此類結(jié)構(gòu)在恒久建筑物上應(yīng)用的例子。
　　
　　在二戰(zhàn)后.張拉膜景觀戲團(tuán)帳篷的嘗試著擺脫舊馬戲團(tuán)帳篷的面貌并成為現(xiàn)代的結(jié)構(gòu)體系,以空氣張拉膜景觀的出現(xiàn)為標(biāo)志:更初的嘗試開始于美國的軍用設(shè)施。
　　
　　從美軍的雷達(dá)穹頂及兵營、倉率等建設(shè)的經(jīng)驗(yàn)積累中認(rèn)識(shí)到充氣張拉膜景觀的有用性的沃爾特·伯德,在1957年,采川充氣賡結(jié)構(gòu)建造了私家游泳池簡易棚。通過《生活雜志》和其他的媒體的介紹,此結(jié)構(gòu)在世界上廣為人知,世界各地也開始進(jìn)行各種嘗試。
　　
　　美國館(建筑設(shè)計(jì):L戴蜂斯;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì):藍(lán)格)是典型的充氣穹頂。在具有近似于長軸142m,短軸83.5m的橢圓的平面形狀的壓環(huán)的內(nèi)側(cè),用索張拉剛度加強(qiáng)的皮膜《用聚飄乙烯嘎涂的玻穗纖緣布),室內(nèi)的氣壓相對(duì)于外側(cè)氣壓要稍微高(用水柱為30mm、用水銀柱為2.3mm由于值較小。通常用水柱表示).所以這種方式構(gòu)成屋面結(jié)構(gòu)。與跨度相比,此穹頂?shù)奶卣魇谴苟确浅５汀?.lm)。垂度低的穹頂中,風(fēng)荷載分布比較均勻(吸力),這對(duì)張拉膜景觀的設(shè)計(jì)非常有利。此性質(zhì)極大促進(jìn)了之后的低垂度充氣穹頂?shù)陌l(fā)展
　　
　　二、充氣張拉膜景觀的力學(xué)原理
　　
　　在張拉膜景觀中,利用氣壓使膜產(chǎn)生張力,以此來抵抗外力的結(jié)構(gòu),稱為充氣張拉膜景觀。根據(jù)充氣張拉膜景觀力學(xué)性質(zhì)的不同進(jìn)行分類,可分為氣承式充氣張拉膜景觀和氣脹式管狀充氣張拉膜景觀(圖1、2)。氣承式充氣張拉膜景觀是把大面積的膜材周邊固定,利用膜內(nèi)外兩側(cè)的氣壓差使膜產(chǎn)生張力而形成的結(jié)構(gòu)。更典型的結(jié)構(gòu)是將空氣充入裁剪成穹頂形狀的膜面內(nèi)部,使膜面鼓起形成穹頂結(jié)構(gòu)這種穹頂被稱為充氣穹頂圖1(a)。將空氣充入周邊牢固固定的2片膜之間,2片膜各自的力學(xué)性質(zhì)與充氣穹頂基本相同。這類結(jié)構(gòu),統(tǒng)稱為氣承式。充氣張拉膜景觀(air: supported structure)。
　　
　　為使膜產(chǎn)生張力,不一定要使穹頂內(nèi)部的氣壓比外部氣壓高。只要具備應(yīng)有的支承條件,穹頂內(nèi)部氣壓低于外部氣壓,也可以使膜面產(chǎn)生張力[圖1(c)。
　　
　　氣脹式管狀充氣張拉膜景觀,是在制作成管狀的膜材內(nèi)充人空氣而形成的結(jié)構(gòu),可形象地理解為用空氣代替香腸肉來塞滿管狀膜。筆直的管狀膜充氣鼓脹水平放置,可得到梁[充氣梁,圖2(a);彎曲的管狀膜充氣鼓脹形成拱[充氣拱,圖2(b)。把多根這樣的充氣梁或拱并排連接起來,可創(chuàng)造出建筑空間。并列的梁或拱并不是相互獨(dú)立的,而是用連接構(gòu)件連接成整體使用。管狀的充氣張拉膜景觀,被稱為氣脹式充氣張拉膜景觀( air-inflated structure)。
　　
　　如上所述,充氣張拉膜景觀需要在膜的內(nèi)部和外部氣體之間產(chǎn)生氣壓差,此時(shí)所需的氣壓差值,在氣承式充氣張拉膜景觀和氣脹式管狀充氣張拉膜景觀中有很大不同。
　　
　　通常,在氣承式充氣張拉膜景觀中,采用0.002-0.010kg/cm2、(水柱20~100mm)的氣壓差,此氣壓差值不需要根據(jù)建筑物規(guī)模的大小而改變。與此相對(duì),氣脹式管狀充氣張拉膜景觀中,所需的氣壓差為01~1kg/cm2(水柱1000~10000mm),在同樣形狀的梁(或者拱)中, 隨著建筑物規(guī)模的增大,所需要的氣壓差也隨之增大。也就是說,氣脹式管狀充氣張拉膜景觀與氣承式充氣張拉膜景觀相比力學(xué)效率較低。為了弄清楚效率較低的原因,對(duì)氣壓差產(chǎn)生張力的平面膜與空氣梁上施加相同荷載作用下的狀況進(jìn)行研究(圖3)。拿出荷載作用下產(chǎn)生變形的膜的一部分進(jìn)行研究(圖4),膜的張力由于膜的變形會(huì)產(chǎn)生向上的力,膜有回到原先狀態(tài)的趨勢(shì)。相同條件下對(duì)充氣梁的一部分進(jìn)行研究(圖5),充氣梁的膜外皮,會(huì)產(chǎn)生與平面膜相同的向上的力,但是梁內(nèi)壓縮空氣的壓力反而產(chǎn)生方向向下的力,使得充氣梁的膜回到原先形態(tài)的趨勢(shì)被抵消。這就是氣脹式充氣張拉膜景觀與氣承式充氣張拉膜景觀相比效率較低的原因。將平面膜與充氣梁彎曲,即做成充氣穹頂和充氣拱,這種關(guān)系一點(diǎn)也沒改變,也就是說,與充氣穹頂相比,充氣拱不得不說是效率較低的結(jié)構(gòu)。盡管這樣,使用充氣拱結(jié)構(gòu),是因?yàn)檫@種結(jié)構(gòu)具有特定的優(yōu)點(diǎn)。充氣穹頂必須經(jīng)常保持穹頂內(nèi)部與外部空氣的氣壓差,出人穹頂時(shí),一定要通過空氣密閉出入口(旋轉(zhuǎn)門與前室等),會(huì)感覺非常不方便。與此相對(duì),充氣拱結(jié)構(gòu)的室內(nèi)氣壓與室外氣壓相同,出入口完全自由地開放。并且,以前述富士群館為例可以看出,氣脹式充氣拱結(jié)構(gòu)可以形成與氣承式充氣穹頂結(jié)構(gòu)完全不同的建筑造型。由于以上這些理由,
　　
　　預(yù)計(jì)氣承式充氣張拉膜景觀與氣脹式充氣張拉膜景觀今后將共同發(fā)展. 　　三、非充氣張拉膜景觀
　　
　　充氣張拉膜景觀作為用皮膜覆蓋空氣的方法,具有多種優(yōu)點(diǎn),但也有缺點(diǎn)。更大的問題是維護(hù)管理。簡而言之,此結(jié)構(gòu)在建筑物存在期間,需要時(shí)時(shí)刻刻用送風(fēng)器進(jìn)行鼓氣。相對(duì)于平常情況,在積雪時(shí)和暴風(fēng)時(shí),許多的空氣穹頂需要增加室內(nèi)氣壓。并且,需要有應(yīng)對(duì)偶爾停電的機(jī)制。近年,這種轉(zhuǎn)換大多完全是自動(dòng)進(jìn)行,為了確保如通常情況那樣進(jìn)行轉(zhuǎn)換,需要不斷地維護(hù)管理,經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)非常可觀。
　　
　　因此,對(duì)于不使用充氣的張拉膜景觀的需要,自古以來就源源不絕。對(duì)不使用充氣的膜面施加張力的方法,從古代就已經(jīng)開始,如雜技團(tuán)的帳篷。用柱子頂起底部固定的膜面頂部,在馬鞍形曲面的邊界之間張拉膜面等,這些對(duì)膜施加預(yù)應(yīng)力的方法,在目前還是更普遍的方法(被稱為懸置膜)。與充氣張拉膜景觀相比,以這種方法形成的膜造型更有鮮明的緊繃感。
　　
　　并且,也存在這么一種結(jié)構(gòu)(被稱為骨架張拉膜景觀):主要受力由鋼結(jié)構(gòu)等的骨架承擔(dān),膜僅作為骨架構(gòu)件間張拉過渡的角色。