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张拉膜结构的简约艺术

膜结构的形状由张力平衡条件决定,从这个角度而言,它符合自然界中的结构原理,是一种自然结构。壳体结构的外形遵循压力的传递路径,从而在很大程度上可以避免弯曲内力的产生。树状结构同样也由承受拉力或压力的构件组成。在张力结构中,薄膜结构最为常用,且形式多种多样(如下图)。

如何设计出形态简洁且张力自平衡的薄膜结构呢?

在传统建筑设计中,建筑师根据客户需求,先确定总体布局、儿何形状以及所采用的材料。继表达建筑设计理念和思想的草图之后,就需要根据传统的设计模式和基于二维坐标的方式绘制出设计图。沿用这种设计模式,建筑师一般都会选择传统的材料和结构形式并远用刚性的围护体系来抵御外界气候的影响。

遵循自然传力路径的结构的主要受力构件及协调工作均要与其目标相吻合,其设计过程与传统结构有很大不同。

建筑设计的主旨更侧重于传统空间理性组织的体现,而膜结构是受力结构与外形设计密切结合的一种建筑形式。简约的膜面通过光的明暗调节产生出极具魅力的空间与环境效果。设计优良的膜结构可以有效的抵御诸如日晒、雨淋、风雪等外界气候的影响。在作为各种跨度结构主要受力构件的同时,还可以选择透光甚至透明的膜材来控制进人内部空间的光线强弱,从而满足各种设计要求。上述特性组合起来形成了张拉膜结构独特的造型,可以说还没有任何其他结构可以比轻型张拉膜结构用更少的材料达到如此之多的功能和效果。

薄膜建筑的简约性使其不能隐藏任何设计缺陷,张力的松弛或是不连续都会被充分暴露出来,而且会导致膜面褶皱及变形,降低了结构的使用寿命。膜结构的所有构件都是完全可见的。它是一种独特的结构,在设计时要仔细权衡,任何构件的设计都不能随意修改,因为修改任一构件都将影响整个结构的几何形状以及预应力的平衡。因此,建筑师只有全面深入地了解薄膜结构体系才能创作出优秀作品。

薄膜结构的设计核心在于控制结构的边界条件以及支承结构的几何形状,从而找到满足设计要求的最佳膜面形态。与传统建筑设计相比,薄膜结构设计是一个多专业间的相互协调过程。为了得到满足功能要求的最简约设计,建筑师必须要与其他工程师紧密合作。

轻型薄膜结构设计学科始于20世纪50年代Frei Otto的皂膜试验。自适应找形是他创建的新设计学派的基本概念。他提出的“极小曲面”理论(图3-2、图3-3)开创了现代张拉膜结构设计的先河。基于这种理论,对于特定边界条件得到的膜结构表面积最小,从而耗能最少。

这类薄膜建筑的主要结构特点是预应力在整个结构中均匀分布。

以极小曲面为目标的自适应找形是轻型薄膜建筑的基础。

平面边界内的极小曲面是平面。然而只要膜表面或边界上有一点不在这个平面内,得到的极小曲面上的每一点都会具有双曲率。

双曲面可以是正高斯曲率的(比如充气式结构),也可是负高斯曲率的(比如预应力张拉膜结构)。负高斯曲面的正、负曲率半径之和为零(图3-4)。

当负高斯膜面为折减面(reduced surfaces)时,膜材用量最少。由于结构性能的高效性,膜结构可以通过膜面形状的大变形来重新分布局部集中荷载,而不会使该区域的膜面应力显著增加。这些特性使膜结构成为轻型结构,即它在具有多变造型的同时,既能够有效地承载又可保持外观简洁。这是膜结构常常被认为具有震撼力美感的原因之一。