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大空间张拉膜结构建筑的形态构造技巧

摘要：当前，张拉膜结构体系已逐渐发展成熟，国外建成了一批成功的大空间张拉膜结构建筑（LSTM）。国内建筑师对此类建筑接触的时间不长，对其创作规律还不甚了解，在设计中出现了结构与形式相矛盾的现象，针对创作中存在的问题，研究在结构合理性的基础上张拉膜结构形态的变化技巧。
关键词：大空间张拉膜结构建筑；张拉膜结构；界面；张拉单元；形体组构
当今一种全新的空间结构体系——张拉膜结构体系已逐渐发展成熟。该结构体系包括膜布和张拉构件。膜布由相互正交的纤维织物组成，刚度和稳定性的获得是通过预应力和曲度来达到静态的平衡。该体系以受拉为主，受压为辅，使材料强度充分发挥。膜布一般只有0.8mm厚，自重约为15kg/m2，成为当代最先进的大空间覆盖体系之一。国外在这方面发展很快，而国内建筑师对此类结构接触的时间不长，对其创作规律还不甚了解，设计中出现了墨守成规或为追求变化而放弃结构合理性的现象。针对结构与造型脱节的问题，在结构合理性的基础上研究其形态的变化技巧，力图使这种新型结构体系的造型潜力充分发挥出来[1][2].
该结构体系对大空间界面的围合是以多个张拉单元排列组合的方式实现的。张拉单元的构造形式可划分为脊谷式、伞式和鞍式。[3].
一、脊谷式单元张拉膜结构形态构造技巧
1、单元构成
整体膜结构建筑在构造上可分为膜布、张拉构件以及维护结构。从张拉构件与膜布的关系来讨论，若构件从内部对膜布进行支撑，外观表现以膜布形态为主，如沙特法何德球场屋顶；若构件通过拉索从外部对膜布进行张拉，形成张拉构件、拉索与膜布的重叠，呈现多层次的构成形态特征，如悉尼奥林匹克体育场方案的雨蓬。从张拉构件与维护构件的关系来讨论，若张拉结构支撑于侧围护墙体，形成膜布、支柱以及墙体相互依附的形态，使单元造型缺乏变化，形体、空间趋于静态；若两者趋于分离，支柱通过拉索保持自身稳定，形成维护结构、支柱、膜布彼此分离或交叉，形体、空间趋于动感。如慕尼黑奥运会体育场的屋顶，支柱与看台彼此分离，构件组合更趋于灵活，膜体犹如飘浮于空中，创造出强烈的飘浮感与运动感。
2、单元排列
张拉结构单元通常为平行排列。当单元的张拉方向与空间的轴线方向产生旋转时，单元的跨度得以延长，膜布的曲线增加，同时避免了端部视角所形成的单元间彼此的遮挡，使膜结构的造型特点充分展示出来。
对于拱支撑式张拉膜穹顶，其张拉结构包括主拱与附拱，主拱起结构支撑作用，附拱起整体联系作用。这种张拉结构通常的做法为膜布在主拱间张拉，单元的排列随主拱平行排列，由中央向两侧主拱高度依次降低。形态变化的关键在于附拱排列方式与膜布张拉方式的改变。
二、伞式单元张拉膜结构形态构造技巧
1、单元构成
吊环与空间重心的重合或偏移对造型有很大影响。当吊环重合于空间重心，外观稳定均衡，内部空间形成明显的上升感，如哈吉机场候机厅屋顶；当吊环偏离空间重心，形成动感的造型。英国弗克斯顿火车终点站候车厅屋顶，单元顶端布置有放射状支撑来倾斜支撑吊环，膜布在吊环与边缘方形桁架之间张拉，外观形式呈现出有抽象意味的雕塑感。
从张拉环的方位分析，通常做法为吊环位于膜布的上方，形成正置单元；与之相反，当吊环从下部进行张拉时，则形成倒置单元，空间中间低，四周高，形成明显的扩散感，外观呈漏斗状，形成富于趣味的空间界面。沙特阿拉伯杰达赫（Jeddah）旅馆的中心庭园为一方形空间，单元顶边支撑在四周建筑的三角形塔楼顶端，中部向下张拉固定在庭园中心。膜布和索之间形成弧形缝隙，整个界面犹如一把由菱形膜片编织成的花伞[1].
2、单元排列
单元的通常排列方式为相同元素的平行排列。为追求组合的变化，可以在网络均衡的情况下，追求单元造型的相异性，如正倒单元的交错排列，形成起伏跌宕的空间界面，若进一步伴随着单元张拉环的偏移，形态、空间将更具动感。当基本网络出现大小相异时，则形成自由起伏的空间形态，由于空间功能的需求和构造技术问题，此类实施方案还很少见。不过可以讲，这是一种极具潜力的构图模式，将极大丰富造型的手段。
三、鞍式单元张拉膜结构形态构造技巧
鞍式单元为在波峰处用张拉构件对膜布进行张拉，在波谷处通过预应力使膜布达到自身的平衡，形成马鞍状的单元。
1、单元构成
鞍式单元的构成特点在于单元形式的两个主要的起伏方向成对角线布置，构成的特点决定了其排列、组合的特殊性。
2、单元组合
由于单元构成的特殊性，交错排列是最能体现鞍式单元的造型特点的组合方法，形成了富有活力的界面效果。英国温布尔登室内网球馆屋顶由三组细长预制钢筋混凝土交叉拱排列支撑，膜布在交叉拱的张拉形成平面近似菱形和三角形的双曲面，形成空间界面交错的韵律；膜布与拱之间稍有分离，通过拉索连接。至今，在结构上非常成功的实例是佐治亚穹顶（1993），穹顶的长轴为235m，