一、从北京奥运会体育场、游泳馆的幕墙和屋顶谈起

　　建筑幕墙仍将是公共建筑中外维护结构的主导。2008年的北京奥运会工程将是全世界建筑幕墙行业的亮点。奥运主体建筑幕墙工程将是世界顶级幕墙公司展示自己实力和最新技术的舞台，也是国内外幕墙公司拼实力、拼价格的战场。其建筑幕墙技术将以体现建筑主体风格、通透、节能环保、舒适为特点。幕墙的索结构设计、玻璃结构设计等关键的前沿技术将有所突破。2010年我国的建筑幕墙行业的主要技术领域将达到国际先进水平。

　　新的国家体育场、国家游泳馆的方案已确定，称之为‘鸟巢’、‘水立方’选用ETFE膜结构屋顶和幕墙，‘鸟巢’和‘水立方’膜结构交相辉映、晶莹剔透。新的国家体育场位于奥林匹克建设区中心平缓的坡地上，它被构思成一个轻盈的鸟巢，高低错落的网状结构缓和了其庞大的体积，并赋予它自然生动的形象，各结构单元互相支撑并聚合成一个网状的壳体，像一个树枝编成的鸟巢。

　　国家体育场的“鸟巢”方案

　　2003年12月24日上午，国家体育场开工建设，标志着北京奥运会场馆建设工程全面启动。举世瞩目的国家体育场将是展示新世纪奥运会形象、凝聚国内外建筑设计工作者智能的标志性建筑，集中地反映了奥运会举办理念和运作水平以及举办国的建筑文化特色。国家体育场是2008年北京奥运会的主会场。它位于北京奥林匹克公园内，北京城市中轴线北端的东侧，占地20.4万㎡，建筑面积25.8万㎡，能容纳观众10万人，2006年底建成。其业主单位是由北京市国有资产经营有限责任公司和中信集团联合体共同组建的国家体育场有限责任公司。国家体育场有限责任公司负责项目的投融资、设计、建设、运营和管理,国家体育场的设计方案，是经全球设计招标产生的、由瑞士赫尔佐格和德梅隆设计事务所、奥雅纳工程顾问公司及中国建筑设计研究院设计联合体共同设计的“鸟巢”方案。该设计方案主体由一系列辐射式门式钢桁架围绕碗状坐席区旋转而成，空间结构科学简洁，建筑和结构完整统一，设计新颖，结构独特，为国内外特有建筑。

　　建成后的体育场外观如同树枝编织的鸟巢，既符合了奥林匹克国家体育场对功能与技术的所有要求，又摒弃了建筑界惯用的数字屏幕与大跨度的手法。其灰色矿质般钢网以透明的ETFE透明箔片膜覆盖，内部是一个土红色的碗状看台，这座可开合的大型穹顶没有一根立柱，在任何座位上观看比赛都没有视线遮蔽，它的结构组织形式可以由外立面直接体现出来，从各结构便进入了看台边缘的宽阔回廊。从这里不仅可以纵观整个环形成一个城市空间的缩影，可供客人闲逛、用餐及购物，起到集散大厅和骑楼的作用。

　　看台呈现一种碗形的整体性效果，这种均匀一致的建态形状有助于观众在观看比赛时更有效地集中注意力；同时，观众席上的人群也与建筑本身融为一个整体。 场馆的设施为人们营造了一种舒适和谐的视觉效果与气氛，在激发观众兴奋情绪的同时，也能促进运动员的良好发挥。

碗形看台

　　幕墙和屋顶为气垫膜结构，就像鸟类用软物装填枝条间的空隙一样，体育场上层结构的空隙采用了气垫膜进行装填。建筑表面的气垫膜不仅起到楼顶防水的作用，也使顶篷上的雨水通过特殊的装置加以收集和再利用；而半透明的楼顶设计也使阳光能充分投射进来；为草坪的生长提供必要的紫外线。此外，在网状结构内部的饭店、套房、商店和休息间的相应位置的立面上，装填了气垫膜，保证立面效果的整体感。这种填装气垫的作法允许自然通风，构成体育场可持续发展设计理念中至关重要的一个部分。可开合的屋顶是体育场必不可少的一个组成部分。当它关闭之时，体育场便有了天窗。屋顶的设计按照自身的建筑逻辑与防水气垫膜共同成一种整体的网状结构。

　　2003年12月24日，国家游泳中心举行了开工奠基仪式，2008年北京奥运会场馆中惟一一座由华人华侨自愿捐资修建的比赛场馆正式进入开工建设阶段。三年后，一座新颖别致的北京奥运会游泳馆─“水的立方”将以那晶莹剔透亮丽身姿与雄踞东侧“鸟巢”型国家体育场交相辉映，共同装点景观如画的北京奥林匹克公园。

　　国家游泳中心的建设将体现中华民族的伟大的团结精神，将体现港澳同胞、台湾同胞和海外华侨华人的爱国之情，将为中华民族的奥运史留下一个永昭世人的标志性建筑。

　　国家游泳中心位于奥林匹克公园的中心位置，占地6.295公顷，长宽尺寸大约是305m×230m。设计的目标是提供2008年奥林匹克运动会的游泳、跳水、花样游泳、水球比赛场地；赛后提供重大水上比赛场地，开展有商业用途的项目；为市民提供综合水上娱乐中心。

　　国家游泳中心设计方案确定 “水立方”构造 。水是整个建筑的主题，设计师希望人们通过这个建筑能体会与水有关的种种快乐：流动、多变、不确定、宁静、奔涌、潮起潮落……水的流动、多变和不确定性给人们不同的体验。当你静静地站在远处观看时，可能感觉它只是个立方体，但当你走近时，你会发现由许多特殊材料制成的“泡泡”气枕。这个立方体的构造非常特别。

　　遥望“水立方”，呈现在人们面前的是一个水蓝色的建筑，宛如一滩平静的蓝色湖面，平和而宁静。近处的“水立方”则是一个透明的“冰块”， 如果说规矩的四方体会让人感到乏味的话，那幺气泡型的膜结构幕墙，使得“水立方”凸显无边的浪漫。结构立面的灵感来源于Kelvin的“泡沫”理论，这样的结构形式还从来没有使用过，这样的设计使得这幢建筑具有一个独特的视觉效果和感受。对三维空间进行了最有效的分割，结果显示，模型在自然界中普遍存在。例如，细胞组织单元的基本排列形式、水晶的矿物结构，以及肥皂泡的天然构造。尽管结构呈现出复杂性及有机体的形式，但实际上是较简单的框架结构，具有很高的重复性。结构构成的优化目标是屋顶和墙面的气枕形状，具有重复性而又能保持一个随机无序的总体感觉。钢结构腹杆和钢结构内部节点都具有高度重复性，弦杆构件长度和几何具有重复性，避免了切割后节点位于弦杆内。 这种简洁的结构并非是看上去的杂乱无章，是依据WeariePhelan给出的“无限等体积肥皂泡陈列几何图形学”：肥皂泡是因内外气压不同而形成的一种自然结构，液体表面张力抑制肥皂泡的扩张，由于肥皂泡内的气压对各向都是相等的，因此形成了最小表面积，空中肥皂泡是球形，水平面会是半球形，泡内的压力方向永远与表面垂直，如果气泡基座不是圆形，它会自动形成一个最符合泡内、外压力平衡及最小表面积的形状。如果两个肥皂泡靠在一起，中间自然形成120度的隔膜，至于隔膜之所以为平面，是因为隔膜两方压力相等，而勿论多少个肥皂泡连在一起，它们相接角度势必为120度（丹特，1971年）。

　　（a）大小相等肥皂泡，（b）大小不等肥皂泡，（c）3～4个肥皂泡。

　　由十四面体、十二面体基本单元沿三个正交坐标轴X、Y和Z生成了巨大的空间立方体。将空间立方体进行旋转和切割，切出建筑的外边框和内部使用空间。十四面体、十二面体被切出的边线形成上弦和下弦杆件，切割面之间原有的线即为腹杆。经优化选择旋转角度和切割面，形成最终的结构几何形态。

　　这个看似简单的“方盒子”原来是用中国传统文化和现代科技共同“搭建”而成的。方方北京城方方水立方。“天圆地方”的设计哲学催生了“水立方”，而这个“方盒子”又能够最佳体现国家游泳中心的多功能要求。传统文化与建筑功能就这样实现了完美结合。“泡沫”加深“水”记忆基于来自“泡沫”理论的设计灵感，他们为“方盒子”包裹上了一层建筑外皮，上面布满了酷似水分子结构的几何形状，赋予国家游泳中心与众不同的外观。这样的设计使得这幢建筑具有独特的视觉效果和感受，建筑物的轮廓和外观变得柔和，更具有水的特性。让人们一见到它，就知道这是游泳馆，而不是体操馆等其它用途的场馆。

　　“水立方”外墙材料采用的则是一种透明的ETFE充气膜结构，ETFE膜气枕直径达9m，外墙的高度内约有5个气枕。“冰块”式的外围护将游泳中心内部设施尽收眼底，壮观而震撼。ETFE膜良好的自洁性，会让“水立方”一直保持着水的晶莹剔透。对重力荷载、风荷载、雪荷载、地震作用、温度作用等方面对膜结构进行了初步计算：ETFE膜充气枕通过反应谱分析，结构为抗震烈度8度，场地类别是三类，屋顶最大侧移X向达17.3mm，Y向达18.6mm，用钢量为4900吨，按覆盖面积计算，每平方米156公斤，按展开面积算86.24kg/㎡。ETFE立面的双层表皮结构由一系列小的单元组成，每个单元的外面都覆盖着薄膜—双层聚四氟乙烯（ETFE）。

　　“水立方”呼应“圆鸟巢”在国家游泳中心的东面，是规划的奥运会主会场——国家体育场。此前，“鸟巢”方案已被确定为国家体育场的实施方案。如果把这两个方案模型对照在一起就会发现，它们之间比较协调，且相映成辉。“圆鸟巢”让人感到兴奋、动感、阳刚气息，而“水立方”呈现出的则是宁静、祥和、具有诗意的气氛。一动一静，一刚一柔，使得这个区域将成为公众的焦点。整个建筑内外层包裹的ETFE（四氟乙烯），是一种轻质新型材料，具有有效的热学性能和透光性，可以调节室内环境，冬季保温，夏季散热，而且还会避免建筑结构受到游泳中心内部环境的侵蚀。

　　“圆鸟巢”和“水立方”正代表了北京融入世界建筑的发展潮流。

　　二、膜结构幕墙的膜材

　　膜结构和膜结构幕墙的发展依赖于膜村的技术革命和技术发展。从历史上来看，材料技术的革命为建筑学带来越来越多的创意，也带来无穷无尽的高要求。从现代主义到后现代主义，再到解构主义建筑理论，甚至所谓混沌理论，无不例外地要求材料革命，而每次材料革命又给建筑学添上更多的新创作语汇。从建筑色彩学来看，透过建筑立面的颜色或本色看室内的颜色，从亮到暗或从暗到亮，建筑师可根据层次深浅布局，色彩的冷暖安排，昼夜光源方向的异同，获得自己想得到的建筑光学色彩效果。从建筑美学来看，随着人们对建筑美的认识和把握，从不同角度推进了建筑的创造和发展。良好的环境能激发人的美感，良好的环境亦能给人们认同感、亲切感、指认感、文化性和适应性等不同的心理感受。材料技术的进步可以刺激建筑创作艺术中的异端精神，往往可以把这种异端不合理的设计，通过使用新材料后变为合理化。采用更新的施工方法，可以实现这种异端构想。从建筑学角度，解构主义的松散、无序、错位、奇险、偶然等均可在材料科学进步中，得到良好的营养，渗透到建筑文化中去，出现百花齐放、巧夺天工的伟大奇迹。膜结构、膜结构幕墙、膜结构屋顶正是如此。ETFE是高强度箔片膜材，近年在建筑幕墙和屋顶较多采用，是由氟塑料制造的，它也可和织物膜材一样施加预拉力，它有很高的透光率、自洁性和防老化性，ETFE的化学名为乙烯-四氟乙烯共聚物。其化学结构如下：

　　ETFE膜材的厚度通常小于0.20mm，是一种透明膜材（图15）。ETFE膜材常做成气垫应用于膜结构中。最早的ETFE工程已有20余年的历史，而最著名的要数英国的伊甸园。

　　ETFE是一种含氟高分子（fluoropolymer）热塑型（thermosplastic）材料，与PTFE和FEP相近的电气特性与抗化学性，加工性及机械性都有大幅改善，机械强度高；低摩擦，耐候性、耐热性、耐燃性好；几乎对所有的化学品不反应；直接曝露于阳光、雨水或废气中没有损耗或变形，长时间曝露于户外特性并无改变 。

　　ETFE膜是透明建筑幕墙和建筑屋顶中品质优越的替代材料，该膜是由人工高强度氟聚合物（ETFE）制成，其特有抗粘着表面使其具有高抗污，易清洗的特点。通常雨水即可清除主要污垢。ETFE膜使用寿命至少为25～35年，是用于永久性多层可移动屋顶结构的理想材料。该膜材料多用于跨距为4米的两层或三层充气支撑结构，也可根据特殊工程的几何和气候条件，增大膜跨距。膜长度以易安装为标准，一般为15～30m。小跨度的单层结构也可用较小规格。ETFE膜达到B1、DIN4102防火等级标准，燃烧时也不会滴落。且该膜质量很轻，每平方米只有0.15～0.35kg。这种特点使其即使在由于烟、火引起的膜融化情况下也具有相当的优势。根据位置和表面印刷的情况，ETFE膜的透光率可高达95%。该材料不阻挡紫外线等光的透射，以保证建筑内部自然光线。通过表面印刷，该材料的半透明度可进一步降低到50%。根据几何条件及膜的层数，其K值可高达2.0W/m2K。耗能指数以一个三层印刷的膜为例可达到0.77。由于其优秀品质，ETFE膜几乎不需日常保养。可对其由于机械损坏的屋顶进行简单检查（一年一次为宜），并根据需要就地维修。 ETFE膜完全为可再循环利用材料，可再次利用生产新的膜材料，或者分离杂质后生产其它ETFE产品。

　　薄膜的种类和特征

　　ETFE膜为现代建筑幕墙和屋顶提供了一个崭新的面材。由这种膜材制成的屋面和墙体，质量轻，只有同等大小的玻璃质量的1%；韧性好、抗拉强度高、不易被撕裂，延展性大于400%；耐候性和耐化学腐蚀性强，熔融温度高达200℃，并且不会自燃，可以加工成任何尺寸和形状，可满足大跨度要求，节省了中间支撑结构，可以设计出简洁高雅的结构；作为一种充气后使用的材料，它可以通过控制充气量的多少，对遮光度和透光性进行调节，有效地利用自然光，节省能源；在提供了良好的透光度的同时，也兼有保温隔热性能；质量轻，可以根据需要满足通风透气、自然采光的需求；不仅如此，这种膜还具有良好的声学性能，可有效消除回声避免了玻璃层顶产生的噪音；具有的自清洁功能，使灰尘不易附在其表面。这种材料另外的一大优点就是可在现场预制成薄膜气泡，方便施工和维修；成本合理，覆盖层加上结构的费用可能只有玻璃的2/3，而使用寿命长达25～30年。 近年来，由ETFE制成的膜材料替代传统的玻璃和其它高分子采光板用于大型建筑物的屋面或墙体，显示出无可比拟的优势。

　　三 、ETFE膜结构幕墙实例

　　ETFE膜的发展使得大跨度张拉膜结构保温性能大大提高，半透明、光线充足且保温良好的柔性外墙及屋顶已经变成现实，膜结构幕墙前景是采用ETFE膜。

　　德国慕尼黑同盟足球场的ETFE膜结构幕墙和屋顶，屋顶面积38000㎡，幕墙面积26000 m2，ETFF膜抗拉强度 52N/ mm2。

　　安联体育场是慕尼黑两支俱乐部足球队的共同主场。为此，菱形纹理的ETFE外表覆膜提供了一种巧妙的设计，膜下的两种气囊在不同球队主场作战时会分别发出红色、蓝色的光芒，非球队赛事时，它是白色的。远远便可知道是谁在主场比赛，甚至可以知道主队进球，酷爱足球的德国人提议在主队进球时外表灯光可以加强。中国的国家体育场是奥运的主场馆，本身要求结构和形态在世界水准上要达到高科技高难度，在建筑上要解决新的问题。‘鸟巢’的特点，就是‘它像个鸟巢，结构即外观’。看到它的外观就看到它的结构。由混凝土和钢梁织成的庞大“鸟巢”是“扣”在了相对独立的红色碗状看台的外面；而安联体育场不具备这样的构思，它的外壳与整个体育场的结构并没有那幺密切的关系。北京“鸟巢”ETFE膜的透光度要高于慕尼黑“救生圈”。

　　案例：伊甸园工程

　　伊甸园工程是一座植物中心，是一系列相互连接的ETFE膜结构的巨大温室，位于英国康沃尔博维尔达/圣奥斯泰尔（Bovelda/Austell. Cornwall），建筑设计：尼古拉斯.格林姆斯合作事务所（Nicholas Grimshaw ET Partners），结构设计：安东尼. 翰. 奥沃. 艾拉普合作事务所，建成日期：2001年，面积：22000m2。

　　由于要将伊甸园设计为轻盈的结构，因此采用了新型材料：ETFE，它可以有力地支撑起巨大的温室，ETFE除具有坚固、轻盈的优点外，还具有很高的透光性，而且比普通玻璃有更好的隔热效果。ETFE基本单元为正六边形，既有利于灵活设计拱式的建筑外形，又具有较强的地形适应性，不必大范围地改变原有地形。

　　ETFE正六边形在工厂制成单元体，ETFE正六边形的边框采用了轻金属管材，每一单元体很轻，现场也只需组装即可完成，这些使整个工程从制作、运输、组装便捷易行，降低了工程的成本。

　　球状结构提高了利用太阳能的效率，ETFE六边形面体的后部起着热量调节器作用，白天积蓄热量，夜间释放热量。

　　（1）Φ400.6mm钢管,（2）6mm薄钢板弯曲成形，（3）三层ETFE充气垫，（4）铝夹紧片，（5）Φ70mm通户气钢栏杆，（6）铸钢节点，（7）Φ89mm对角线拉管，（8）开启挤压铝框，（9）保温绝热层，钢和塑料的复合板材制成的槽，（10）控制压缩空气的圆筒，（11）高压空气阀门。

　　案例：英国国家太空中心是一个可举办展览并可用于教学和研究的建筑，隶属于莱斯特大学，建筑设计：尼古拉斯.格林姆肖合作事务所，结构设计：奥沃.艾拉普等，地址：英国莱斯特，面积：7000m2 ，建筑主体是一座膜结构塔楼，造型象帆船，采用钢骨架支撑的ETFE膜结构单元式幕墙。这种坚固耐用、柔韧性强的新材料无需加建大梁，却能遮蔽强烈光线，轻巧的面材和为数不多的钢材，使工程经济、施工方便灵活，由于ETFE材料柔韧透明，使塔楼自然亲切，颇有超前风格。

 

　　四、ETFE膜结构幕墙设计要点

　　1．ETFE在方案阶段需要考虑的要点
　　（1）预张力的大小及张拉方式；
　　（2）根据控制荷载来确定膜片的大小和索的布置方式；
　　（3考虑膜面及其固定件的形状以避免积水（雪）；
　　（4）关键节点的设计，以避免应力集中；
　　（5）考虑膜材的运输和吊装；
　　（6）耐久性与防火考虑。
　　2．ETFE膜结构幕墙设计阶段的要点
　　（1）保证膜面有足够的曲率，以获得较大的刚度和美学效果；
　　（2）细化支承结构，以充分表达透明的空间和轻巧的形状；
　　（3）简化膜与支承结构间的连接节点，降低现场施工量。
　　4． ETFE膜结构幕墙研究的主要问题有
　　（1）找形（Form-finding）或更进一步叫“形态理论”；
　　（2）考虑膜材松弛和各向异性下的结构响应；
　　（3）结构在风荷载作用下的动力稳定性；
　　（4）裁剪优化；
　　（5）膜与索及支承结构间的相互作用。

　　五、ETFE膜结构幕墙设计风荷载探讨

　　（3）膜结构最大风荷载时，变形较大，其形状和初始形状可能会有较大区别，传统的按初始形状确定风载体形系数的方法可能误差较大，按照受载变形后的形态来确定风载体形系数又是一个非线性课题，加上膜结构的外形变化多异，现行荷载规范中，鲜有关于膜结构风载体形系数的具体条款。在参照现有规范确定膜结构幕墙的风荷载时，理解不同，设计取值常相差很大。因而幕墙风载体形系数宜以风洞试验为准。

　　（4）膜结构风洞实验很重要，但费用昂贵。早在70年代，日本大阪万国博览会美国馆就做过膜结构风洞实验[ 2 ]。风载过大破坏的例子，日本熊本穹顶的跨度107m、直径128m、高40m，膜结构为周边支撑，双层充气膜的设计风压302kgf/㎡，常时内压30mmAq，强风（高10m处的平均风速15m/s）时内压60mmAq，内压由三台鼓风机维持。1999年18号台风使日本熊本穹顶的双层充气膜结构破坏，现场实测风速（高10m）：10分钟平均风速是27.6m/s，瞬间最大风速49.3m/s，为该地区400年的最大风速。破坏现象为1层大型回转门锁定破损，22处打开，上层索一根折断，二层空气膜的上膜、下膜破损，支撑结构损坏，双层玻璃全部破损。

　　（5）膜结构幕墙反转设计：膜曲面在曲率增大时，风、雪等荷载将引起大变形。支撑膜的情况下，大曲率时风荷载引起曲率反转也时有发生，在最大风荷载时不允许某种程度的反转相当困难时，反转的设计是必要的。

　　（6）在膜结构幕墙的分析设计中，是否要考虑材料的非线性及各向异性性能？通常预应力不超过5%的抗拉强度、工作应力不超过20%的抗拉强度的范围内，为简便设计计算，一般可假定膜材料为正交异性的线弹性材料， 认为膜材是处于弹性阶段，亦即不考虑材料的非线性。

　　（7）膜结构幕墙的安全系数。对于膜结构而言，任何情况下不允许膜中有无应力状态。在高应力状态下，膜材料的抗拉强度越高，越不易发生徐变和老化；其次，在大跨度膜结构中，膜中应力往往较大，且对膜的安全度要求较高，一般在长期荷载作用下，安全系数取6～8；在短期荷载作用下，安全系数取4。安全系数考虑了以下几种不利因素：膜材料本身的强度和弹性常数有较大的变异性；膜结构计算假定及计算结果的不精确性；膜材料双向应力测试与实际情况的差异；紫外线照射下膜材的老化；膜材的疲劳；膜材制作和施工过程中的划伤和折迭等。

　　幕墙膜结构的膜材必须具有较高的抗拉强度及抗撕裂强度。但膜材平面内的抗压、抗弯强度几乎为零，抗剪强度也很低，并具有一定的各向异性和材料几何非线性性质，使用时又易发生应力松弛和徐变，因而在膜结构分析计算中如何正确地确定膜材的各项力学参数及与结构关系将是一项极其繁琐而又必不可少的事情。

　　六、结 束 语

　　膜结构是21世纪“绿色建筑体系” ，ETFE膜材是21世纪“绿色建材”。目前，在全球范围内索膜结构无论在工程界还是在科研领域均处于热潮中。“鸟巢”、“水立方”、的方案采用膜结构幕墙和屋顶顺应了这一热潮，激了我国索膜建筑和膜材事业的发展，近年来我国建筑市场对索膜建筑技术和膜材的需求明显有大幅度增长的趋势，国外各大著名索膜技术和膜材专业公司纷纷登陆我国，随着现代科技的进一步发展，使人类面临着保护自然环境的使命。因此，天然材料和传统的古老建筑材料必将被轻而薄且保温隔热性能良好的高强轻质膜材所取代，其在建筑幕墙和屋顶领域内更广泛的应用是可以预见的。

　　主要参照文献：
　　1．《现代空间结构》 刘锡良编着 天津大学出版社
　　2．《索和膜结构》 张其林编着 同济大学出版社
　　3．Cristian.Schittich.BuidingSkins,Birkhauser.Basel.Boston.2001
　　4．《膜结构设计理论》 关富玲等着　浙江大学空间结构中心
　　5．《High-tech para high-tech》 La arquitectura las empresdel futuro

来源:工程流体网