一、引言
1967年蒙特利爾的萬國博覽會德國館是由德國的Frei Otto教授設(shè)計的，在建筑上有廣泛的國際影響。膜結(jié)構(gòu)以其輕質(zhì)、薄而柔軟的特性大大不同于當(dāng)時在建筑中常見的鋼結(jié)構(gòu)。由曲面形成的大空間由于膜材的透光性而變得無比明亮，這種空間在建筑中是沒有先例的。
現(xiàn)代膜結(jié)構(gòu)最初是在德國發(fā)展起來的，其基本特點、力學(xué)特性、設(shè)計方法和其作為結(jié)構(gòu)體系的潛力也是在德國得到研究的。在此基礎(chǔ)上，這些最初被稱作“帳篷結(jié)構(gòu)”的東西作為現(xiàn)代建筑的有機組成部分被逐漸認(rèn)識。設(shè)計精良的膜結(jié)構(gòu)在世界各地建造，膜結(jié)構(gòu)經(jīng)歷了一個復(fù)興時期。如今，它們作為獨特的有著無限潛力和適應(yīng)各種功能的結(jié)構(gòu)已被全世界所接受。
二、膜結(jié)構(gòu)的發(fā)展
1961 年一篇名為《Tent》的文章在AIA雜志的二、四月份刊上發(fā)表，Otto教授給所有人揭示了膜結(jié)構(gòu)的重要性。他寫道：“房屋不能也不應(yīng)該是我們必須擠進(jìn)去才能進(jìn)入其中的剛體。相反，伴隨我們的應(yīng)該是生動的、變化的環(huán)境?！監(jiān)tto教授還指出，通過對極小化的結(jié)構(gòu)形態(tài)的研究，他和他的同事發(fā)現(xiàn)，此形態(tài)是存在于這個有機世界中的，他正試圖賦于膜結(jié)構(gòu)。他接下來寫道：“帳篷建筑是古老的，三萬年前就有帳篷建筑。除了這古老的習(xí)俗外，帳篷建筑是微不足道的。正確的建造帳篷建筑有極大的困難。事實上這是所有建筑施工當(dāng)中最難的一個領(lǐng)域?！庇捎贠tto教授的講演和指導(dǎo)，膜結(jié)構(gòu)的知識得以在許多國家快速地散布開來。他和他的小組于1965年出版了《Spannweiten》這本書，他們從建筑的角度研究并發(fā)展了現(xiàn)代的膜結(jié)構(gòu)。這本書引起了全世界的關(guān)注。在輕型結(jié)構(gòu)所工作的Otto做了許多工作，代表著現(xiàn)代膜結(jié)構(gòu)的起點。他們的技術(shù)和思想反映在蒙特利爾67年萬國博覽會上，這個建筑物對膜結(jié)構(gòu)的世界有著廣泛的影響，確實是其發(fā)展里程上劃時代的一筆。
在大阪舉行的日本70年萬國博覽會開始對膜結(jié)構(gòu)有了需求。許多日本建筑師向用膜這種新材料來創(chuàng)造新空間發(fā)起了挑戰(zhàn)。大阪博覽會也為發(fā)掘膜結(jié)構(gòu)的潛力提供了極好的機會。為安全起見，這個結(jié)構(gòu)裝備了一個系統(tǒng)以保證屋蓋在漏氣時不與觀眾席或場地接觸。這個想法成為膜結(jié)構(gòu)設(shè)計的一個轉(zhuǎn)折點，使充氣膜成為可能。
七十年代，Geiger Berger公司發(fā)展了充氣膜。隨之而來的是PTFE涂層的玻璃纖維膜作為新的膜材而發(fā)展起來，導(dǎo)致許多巨型膜結(jié)構(gòu)在美國的出現(xiàn)。隨著Milligan學(xué)院的Steve Lacy戰(zhàn)地醫(yī)院（1974）和Santa Clara大學(xué)的Thomas E. Leavey活動中心 (1976)的建成，大規(guī)模的充氣膜開始興建。在美國還涌現(xiàn)了一批能容納許多觀眾的多功能的適應(yīng)各種天氣情況的體育館。1970年的Silver穹頂—— 擁有八萬個席位的低矢高穹頂在Pontiac城建成。這些大跨度建筑表明膜結(jié)構(gòu)的一個優(yōu)點，即大空間不再是黑暗而壓迫感的，這些穹頂還能經(jīng)濟地跨越大空間。就此而言，大阪博覽會美國館是膜結(jié)構(gòu)發(fā)展歷的里程碑。
八十年代，美國有7個充氣膜。但1983 年在 Indianapolis建成Hoosier穹頂之后停止了建新的充氣穹頂。為克服諸如經(jīng)常地發(fā)生結(jié)構(gòu)事故、持續(xù)充氣帶來的高成本、控制氣壓的復(fù)雜性、空間封閉性等問題，開始了探索新的結(jié)構(gòu)形式。在北美洲，膜結(jié)構(gòu)作為永久性建筑開發(fā)了新的功能。比如1980年的佛羅里達(dá)大學(xué) StephenC.O’Connel中心，1984年的Lindsay公園體育中心，1989年的San Diego解放中心，1990年的公園露天劇場等均是完美外形與創(chuàng)新結(jié)構(gòu)的結(jié)合。一系列購物商場也建成了。
八十年代末期，由Buckminster Fuller最初設(shè)想的張拉整體穹頂作為能覆蓋大空間的新的結(jié)構(gòu)形式而引入。這種索-桿組合結(jié)構(gòu)開始代替早期的充氣穹頂。1986年圣奧林匹克國家體育中心的體操館和擊劍館是由Geiger公司設(shè)計的。緊接著是Weidlinger公司設(shè)計的1988年的 Illinois州立大學(xué)Redbird體育場、1989年的Thunder穹頂、1992年的佐治亞穹頂都采用了這種結(jié)構(gòu)體系。美國開拓了自己的道路來覆蓋大空間。
八十年代全球有名的建筑師開始在許多歐州國家設(shè)計膜結(jié)構(gòu)并改進(jìn)了設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。美國的膜結(jié)構(gòu)容易相似，而歐州的工程更具個人主義。1985年Schlumberger大學(xué)研究中心是歐洲第一個擁有膜結(jié)構(gòu)的研究中心，被稱作“新鮮的光空間”，采用索-膜的組合結(jié)構(gòu)。膜結(jié)構(gòu)中有基本的鋼框架，但又用到索的組合。1989年，Nuage Leger膜結(jié)構(gòu)建在巴黎的Grande Arche中，使得這種結(jié)構(gòu)體系在全世界范圍內(nèi)都成了引人注目的中心。足球場上跨越觀眾席的傳統(tǒng)屋頂容易使下面的空間變黑，而在歐洲建的膜結(jié)構(gòu)卻不會如此。1990年羅馬奧林匹克體育場的膜結(jié)構(gòu)從受壓環(huán)的空間框架上懸掛下來，既輕盈又美觀，成為跨越觀眾席的屋頂最常用的模型。1990年Renzo Piano設(shè)計的San Nicola體育場應(yīng)用膜結(jié)構(gòu)與混凝土的組合，1993年Gottlieb Daimler體育場輕便美觀，與相應(yīng)的結(jié)構(gòu)比較取得了更大的合理性和經(jīng)濟性。PVC涂層的聚酯纖維膜主要用于歐州早期的膜結(jié)構(gòu)，而PTFE涂層的玻璃纖維膜開始得到更大的應(yīng)用。Frei Otto曾抱怨在膜結(jié)構(gòu)中有太多的限制，但新的造型由于不同的結(jié)構(gòu)體系而得到發(fā)揮，結(jié)構(gòu)規(guī)模也越來越大。
在日本，1970年大阪博覽會后膜結(jié)構(gòu)沒有太多的發(fā)展，許多膜結(jié)構(gòu)的建造是支承在框架上。日本位于季風(fēng)帶，人們還不習(xí)慣于設(shè)計懸掛屋蓋，導(dǎo)致人們選擇傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式。但是八十年代末期，日本開始舉行膜結(jié)構(gòu)設(shè)計大賽，許多建筑師參加并競相設(shè)計，于是日本的優(yōu)秀膜結(jié)構(gòu)開始普及。日本2002年世界杯足球賽十個體育場中有六個是膜結(jié)構(gòu)（新瀉體育場、鹿島茨城足球場、琦玉體育場、靜岡Ogasayama體育場、大阪長居田徑場、大分穹頂）。韓國2002年世界杯足球賽十個體育場中有五個采用膜結(jié)構(gòu)（漢城體育場、仁川體育場、大邱體育場、釜山體育場、濟洲西歸浦體育場）。中國長懸臂（懸挑跨度 ）體育場中19個里有10個采用膜結(jié)構(gòu)，有香港大體育場、上海八萬人體育場、上海虹口足球場、廣州黃埔體育場、浙江義烏體育場、青島頤中體育場、武漢體育中心、威海體育中心、煙臺體育場、鄭州航海體育場。當(dāng)今時代，世界各國是相互影響的，結(jié)構(gòu)設(shè)計更趨于規(guī)范而一致了。
三、結(jié)構(gòu)設(shè)計在膜結(jié)構(gòu)中的作用
利用薄的膜材進(jìn)行設(shè)計以達(dá)到安全而合理是結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵，一個只熟悉傳統(tǒng)建筑的建筑師來設(shè)計膜結(jié)構(gòu)就很難理解和表達(dá)膜材所特有的性能。因此，在膜結(jié)構(gòu)發(fā)展之初，結(jié)構(gòu)設(shè)計師比建筑設(shè)計師的作用還大。
美國Geiger Berger公司在膜結(jié)構(gòu)設(shè)計是先驅(qū)，留下了許多作品。發(fā)展了充氣膜和張拉整體索穹頂，加上新膜材的使用，使其處于世界最前沿。其主要負(fù)責(zé)人David Geiger創(chuàng)造了第一個索穹頂結(jié)構(gòu)—圣奧林匹克的體操館和擊劍館，可惜因疲勞過度于1989年去世。Horst Berger參與了1989年San Diego解放中心、1994年Denver國際機場旅客集散中心等工程。Weidlinger公司又成功地運用超張拉整體穹頂覆蓋大空間。Birdair公司負(fù)責(zé)建造了英國千年穹頂、上海八萬人體育場、亞特蘭大佐治亞穹頂、沙特阿拉伯利雅得體育場、紅鳥體育場、羅馬的奧林匹克體育館等工程，Skyspan公司則建造了世界上（320m高）的Arabian Tower旅館、Gottlieb Deimler體育場等工程。
日本結(jié)構(gòu)設(shè)計師也推動了膜結(jié)構(gòu)的發(fā)展。日建設(shè)計部和竹中工務(wù)店設(shè)計部設(shè)計的東京穹頂（1988）和鹿島建設(shè)設(shè)計部設(shè)計的Akita Skydome (1990)、Izumo穹頂(1992)都適應(yīng)了日本的氣候。太陽工業(yè)株式會社發(fā)展了許多膜結(jié)構(gòu)的技術(shù)，包括結(jié)構(gòu)設(shè)計、建筑設(shè)計和施工，奠定了其作為專業(yè)技術(shù)公司為結(jié)構(gòu)設(shè)計師和建筑設(shè)計師提供支持的地位。膜結(jié)構(gòu)在日本廣泛應(yīng)用，建筑師在設(shè)計中更靈活，膜在整個建筑表現(xiàn)上占有重要地位。日本的膜結(jié)構(gòu)設(shè)計正在由結(jié)構(gòu)設(shè)計向建筑設(shè)計轉(zhuǎn)變。
歐洲的膜結(jié)構(gòu)設(shè)計始于Frei Otto領(lǐng)導(dǎo)下的輕型結(jié)構(gòu)所并拓展了膜結(jié)構(gòu)的范圍。隨著膜結(jié)構(gòu)的逐漸應(yīng)用，一批結(jié)構(gòu)設(shè)計事務(wù)所活躍起來。Ove Arup 公司是二十世紀(jì)最有名的設(shè)計事務(wù)所中的一個，設(shè)計了許多獨特的結(jié)構(gòu)，成為膜結(jié)構(gòu)設(shè)計領(lǐng)域的領(lǐng)頭羊，參與了歐洲主要膜結(jié)構(gòu)如Schlumberger 大學(xué)研究中心和San Nicola體育館等工程。Schlaich Bergerman公司也設(shè)計了許多膜結(jié)構(gòu)的設(shè)計，并以輕巧而， Gottlieb Daimler體育館和Gerry Weber中心法院（1994）尤其表明了其獨特的設(shè)計方法，其輕快的設(shè)計體現(xiàn)了膜結(jié)構(gòu)的基本特性。還必須指出，Ingenieurplanung Leichtbau公司也是一家專門的膜結(jié)構(gòu)公司，以1992年的Seville博覽會德國館為代表，但其負(fù)責(zé)人Harald Muhlberger在94年死于交通事故。
中國較早的專業(yè)膜結(jié)構(gòu)公司有北京市光翌空間膜技術(shù)工程有限公司，代表作品有杭州游泳館、廣州黃埔體育場、深圳大學(xué)體育場、威海體育中心、海南博鰲亞洲經(jīng)濟論壇主會場、鄭州航海體育場等。北京紐曼帝萊蒙膜建筑技術(shù)有限公司也是一家較早的專業(yè)膜結(jié)構(gòu)公司，工程有浙江義烏體育場、青島頤中體育場、煙臺體育場等。此后，又有一批膜結(jié)構(gòu)公司如雨后春筍般涌現(xiàn)出來，但與國外相比還存在較大差距。
四、結(jié)構(gòu)體系和膜材
膜結(jié)構(gòu)建筑是指利用膜材特性而建起來的建筑。支承膜結(jié)構(gòu)的可以是框架，也可以是索。如果用膜本身作為結(jié)構(gòu)材料，則該材料有限的強度決定了該結(jié)構(gòu)只能是小尺寸的。在大型結(jié)構(gòu)中膜必須用某種方法加強一下，或與其他構(gòu)件組合。但是膜材與別的屋面材料不同，一般來說，膜形成曲面，且膜材能抗拉，但不能抗壓或抗彎。膜結(jié)構(gòu)要用合理和正確的方法來張拉。在持續(xù)均勻的張拉下，整個結(jié)構(gòu)的剛度增加了。膜材的徐變特性使在任意的張拉狀態(tài)下也會隨時間的推移漸漸地趨向等張力狀態(tài)。因此從開始就設(shè)計一個等張力形態(tài)會有更大的穩(wěn)定性。
人們曾害怕膜結(jié)構(gòu)形態(tài)僅由力學(xué)來確定，而缺乏美學(xué)的考慮。但即使是由力學(xué)確定的曲面，其邊界條件也不是無限制的，而必須由設(shè)計確定，其形態(tài)必須用索或鋼構(gòu)來賦予。具有框架的膜結(jié)構(gòu)，膜被拉到鋼、木或鋼筋混凝土上，這個方法使習(xí)慣于傳統(tǒng)建筑設(shè)計的建筑師在實現(xiàn)膜建筑上相對容易些。充氣膜結(jié)構(gòu)的想法最初是由氣球而來。第一個構(gòu)思用于該結(jié)構(gòu)的人可能是英國的F.W. Lanchester。1917年他用充氣膜建成一個戰(zhàn)地醫(yī)院而獲得專利。但該結(jié)構(gòu)用于實際中的是1946年建于美國的Radar穹頂。W.W Bird建造了許多充氣膜結(jié)構(gòu)并對膜結(jié)構(gòu)的發(fā)展做出了卓越的貢獻(xiàn)。1967年在Stuttgart召開了 IASS全球討論會，使充氣膜結(jié)構(gòu)在全世界范圍廣泛流傳。對充氣膜結(jié)構(gòu)提出了許多建議，這些都有助于制定這類結(jié)構(gòu)的規(guī)范。
從古代開始就有游牧民的圓頂帳篷，現(xiàn)在又發(fā)明了合成纖維或玻璃纖維。最近能增進(jìn)膜的耐久性、防火性和防水性的涂層又得到發(fā)展，因此膜結(jié)構(gòu)就能如同傳統(tǒng)建筑一樣持久、安全。膜結(jié)構(gòu)又具有透光性、輕質(zhì)、適于各種框架以跨越大空間的特點。但一片簡單的膜材就能覆蓋一個原來用傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)方法或材料才能實現(xiàn)的空間，也意味著膜結(jié)構(gòu)有諸如隔音、隔熱和撕裂強度等問題，要知道膜結(jié)構(gòu)也不是萬能的。下面是膜材發(fā)展的年表：
1933年——PVC（工業(yè)化）
1938年——PTFE
1947年——聚酯纖維（工業(yè)化）
1972年——涂覆PTFE的玻璃纖維
早年的膜材是可折疊的，但PTFE涂層的玻璃纖維膜象其他建材一樣不折疊或打開，是永久性的建筑材料，具有不燃性、大強度和耐久性，與PVC相比它又具有自潔性，不易弄臟。這種材料的發(fā)展開辟了膜結(jié)構(gòu)新的可能。與耐久性好的不銹鋼一樣成為一種永久性建筑材料，這是個劃時代的發(fā)展。用該種材料建成的建筑物，特別是大的體育場，在七十年代開始廣泛地建造。最初人們擔(dān)心玻璃纖維是不耐久的，到一定時間會不完整，但用氟聚合物加強的這種膜材經(jīng)過24年的時間仍保持足夠的強度。另一種膜材是PVC涂層的合成纖維膜，成本低，又易折疊，也有較大的市場，但有耐久性和表面易臟等問題。
膜結(jié)構(gòu)一般用基于容許單位應(yīng)力的設(shè)計方法。膜材的安全系數(shù)一般取4.0，這個值是令人滿意的，因為它考慮了膜材可能引起的強度退化。從低成本的角度看，這個安全系數(shù)可能是人們能接受的最低值。過去一些膜建筑的事故表明膜材的撕裂導(dǎo)致結(jié)構(gòu)垮掉往往是一些結(jié)構(gòu)計算并沒有考慮進(jìn)去的局部因素導(dǎo)致撕裂。因此膜結(jié)構(gòu)的安全很大程度上取決于設(shè)計細(xì)節(jié)。
五、膜結(jié)構(gòu)事故案例
因強風(fēng)引起的一個可開合膜結(jié)構(gòu)事故
由于風(fēng)荷載估計偏低、膜材的安全系數(shù)設(shè)定偏低、以及沒有正確的裁剪等原因使得強風(fēng)損壞了膜材，撕開的裂縫摧毀了整個屋蓋。
因暴雨引起的一個索膜結(jié)構(gòu)事故
由于采用了低矢跨比（比較平坦）的膜單元，因暴雨產(chǎn)生積水導(dǎo)致膜面大面積破損。
因強風(fēng)引起的一個充氣膜事故
由于強風(fēng)中膜表面劇烈地振動，碰到硬物從而損壞了膜材，不能維持內(nèi)壓，屋蓋損壞。
因積雪引起的一個充氣膜事故
由于積雪時內(nèi)壓控制失效，屋蓋形狀不能恢復(fù)，最終導(dǎo)致坍塌。
此外，許多事故發(fā)生在小規(guī)模結(jié)構(gòu)中。特別是充氣膜，經(jīng)常由于不能控制氣壓而發(fā)生事故。與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比，膜結(jié)構(gòu)還沒有碰到很多的事故。但膜結(jié)構(gòu)的設(shè)計必須有各種可能下的充足考慮。因經(jīng)濟性優(yōu)先，而過低估計荷載和材料安全系數(shù)、對結(jié)構(gòu)特性認(rèn)識不充分、不合理使用膜材、不合理的膜材連接依然很多，還有節(jié)點構(gòu)造上不合理的使用均可導(dǎo)致事故發(fā)生。
六、展望
膜結(jié)構(gòu)的未來發(fā)展方向是什么？使膜結(jié)構(gòu)成為永久性建筑的同時，膜結(jié)構(gòu)的臨時性也是重要的主題。還有施工方法的改進(jìn)，使膜材能定期地更換也是一個重要的任務(wù)。人們對膜材和施工方法以及高強度、抗撕裂性能、耐久性、隔熱、隔音和彈性特性有不同的需求。除非我們努力滿足這些要求，否則膜結(jié)構(gòu)建筑的發(fā)展必將受到阻礙。
膜結(jié)構(gòu)建筑的特點之一就是擁有一個明亮的內(nèi)部空間。膜材能通過光線就是其透光性。玻璃能通過光線，能傳熱，膜材的透光性也如此。希望將來膜材的透光率可根據(jù)設(shè)計要求自由調(diào)節(jié)。膠片也是一種有潛力的材料，但因缺乏強度和抗火性而難以利用。高度透明的膜材正在得到發(fā)展，如果能達(dá)到一定程度則膜結(jié)構(gòu)建筑又將寫下新的一頁。使用這種材料來形成一個封閉空間時將會產(chǎn)生什么樣的熱負(fù)荷？相應(yīng)的施工方法和力學(xué)系統(tǒng)有什么樣的修改？熱輻射的問題怎么辦？與玻璃相比透明的膜屋面是有吸引力的，因為膜需要很少的輔助構(gòu)件，還能形成曲面。進(jìn)一步發(fā)展膜材就必須解決上述問題。
對膜材表面的去污性我們能做些什么？尤其是PVC涂層上的灰塵會影響膜結(jié)構(gòu)的形象。已經(jīng)采取諸如在表面上涂氟這樣的辦法，但依然對灰塵無威懾力。膜材不像玻璃易清潔，灰塵會降低膜結(jié)構(gòu)的魅力。這是個急需解決的問題，影響到膜結(jié)構(gòu)作為永久性建筑在未來的發(fā)展。
膜結(jié)構(gòu)以不同的方式在世界各地得到應(yīng)用，人們已認(rèn)識到它們的優(yōu)點。由于膜材的輕質(zhì)與耐久性，很多時候它們用來覆蓋大空間。與其它類型結(jié)構(gòu)的組合如果利用了各自的優(yōu)點就能創(chuàng)造出更大的空間，也為發(fā)展新的膜結(jié)構(gòu)建筑提供了可能。與不同的索結(jié)構(gòu)組合也是可能的，因為膜材有很好的變形特性。膜材表面用索加強是膜結(jié)構(gòu)發(fā)展的一個方向，這種情況下膜材不僅僅是覆蓋屋面的材料，與索結(jié)構(gòu)的組合也利用了膜材的強度。最近人們才認(rèn)識到利用膜結(jié)構(gòu)來建造普通建筑物，也具有其他類型結(jié)構(gòu)無法表現(xiàn)的、獨特的性能。膜結(jié)構(gòu)的設(shè)計、工程人員都應(yīng)該為膜結(jié)構(gòu)的發(fā)展貢獻(xiàn)力量。此外，還需要國際間的交流和團(tuán)結(jié)來促進(jìn)膜結(jié)構(gòu)的發(fā)展。
1967年蒙特利爾的萬國博覽會德國館是由德國的Frei Otto教授設(shè)計的，在建筑上有廣泛的國際影響。膜結(jié)構(gòu)以其輕質(zhì)、薄而柔軟的特性大大不同于當(dāng)時在建筑中常見的鋼結(jié)構(gòu)。由曲面形成的大空間由于膜材的透光性而變得無比明亮，這種空間在建筑中是沒有先例的。
現(xiàn)代膜結(jié)構(gòu)最初是在德國發(fā)展起來的，其基本特點、力學(xué)特性、設(shè)計方法和其作為結(jié)構(gòu)體系的潛力也是在德國得到研究的。在此基礎(chǔ)上，這些最初被稱作“帳篷結(jié)構(gòu)”的東西作為現(xiàn)代建筑的有機組成部分被逐漸認(rèn)識。設(shè)計精良的膜結(jié)構(gòu)在世界各地建造，膜結(jié)構(gòu)經(jīng)歷了一個復(fù)興時期。如今，它們作為獨特的有著無限潛力和適應(yīng)各種功能的結(jié)構(gòu)已被全世界所接受。
二、膜結(jié)構(gòu)的發(fā)展
1961 年一篇名為《Tent》的文章在AIA雜志的二、四月份刊上發(fā)表，Otto教授給所有人揭示了膜結(jié)構(gòu)的重要性。他寫道：“房屋不能也不應(yīng)該是我們必須擠進(jìn)去才能進(jìn)入其中的剛體。相反，伴隨我們的應(yīng)該是生動的、變化的環(huán)境?！監(jiān)tto教授還指出，通過對極小化的結(jié)構(gòu)形態(tài)的研究，他和他的同事發(fā)現(xiàn)，此形態(tài)是存在于這個有機世界中的，他正試圖賦于膜結(jié)構(gòu)。他接下來寫道：“帳篷建筑是古老的，三萬年前就有帳篷建筑。除了這古老的習(xí)俗外，帳篷建筑是微不足道的。正確的建造帳篷建筑有極大的困難。事實上這是所有建筑施工當(dāng)中最難的一個領(lǐng)域?！庇捎贠tto教授的講演和指導(dǎo)，膜結(jié)構(gòu)的知識得以在許多國家快速地散布開來。他和他的小組于1965年出版了《Spannweiten》這本書，他們從建筑的角度研究并發(fā)展了現(xiàn)代的膜結(jié)構(gòu)。這本書引起了全世界的關(guān)注。在輕型結(jié)構(gòu)所工作的Otto做了許多工作，代表著現(xiàn)代膜結(jié)構(gòu)的起點。他們的技術(shù)和思想反映在蒙特利爾67年萬國博覽會上，這個建筑物對膜結(jié)構(gòu)的世界有著廣泛的影響，確實是其發(fā)展里程上劃時代的一筆。
在大阪舉行的日本70年萬國博覽會開始對膜結(jié)構(gòu)有了需求。許多日本建筑師向用膜這種新材料來創(chuàng)造新空間發(fā)起了挑戰(zhàn)。大阪博覽會也為發(fā)掘膜結(jié)構(gòu)的潛力提供了極好的機會。為安全起見，這個結(jié)構(gòu)裝備了一個系統(tǒng)以保證屋蓋在漏氣時不與觀眾席或場地接觸。這個想法成為膜結(jié)構(gòu)設(shè)計的一個轉(zhuǎn)折點，使充氣膜成為可能。
七十年代，Geiger Berger公司發(fā)展了充氣膜。隨之而來的是PTFE涂層的玻璃纖維膜作為新的膜材而發(fā)展起來，導(dǎo)致許多巨型膜結(jié)構(gòu)在美國的出現(xiàn)。隨著Milligan學(xué)院的Steve Lacy戰(zhàn)地醫(yī)院（1974）和Santa Clara大學(xué)的Thomas E. Leavey活動中心 (1976)的建成，大規(guī)模的充氣膜開始興建。在美國還涌現(xiàn)了一批能容納許多觀眾的多功能的適應(yīng)各種天氣情況的體育館。1970年的Silver穹頂—— 擁有八萬個席位的低矢高穹頂在Pontiac城建成。這些大跨度建筑表明膜結(jié)構(gòu)的一個優(yōu)點，即大空間不再是黑暗而壓迫感的，這些穹頂還能經(jīng)濟地跨越大空間。就此而言，大阪博覽會美國館是膜結(jié)構(gòu)發(fā)展歷的里程碑。
八十年代，美國有7個充氣膜。但1983 年在 Indianapolis建成Hoosier穹頂之后停止了建新的充氣穹頂。為克服諸如經(jīng)常地發(fā)生結(jié)構(gòu)事故、持續(xù)充氣帶來的高成本、控制氣壓的復(fù)雜性、空間封閉性等問題，開始了探索新的結(jié)構(gòu)形式。在北美洲，膜結(jié)構(gòu)作為永久性建筑開發(fā)了新的功能。比如1980年的佛羅里達(dá)大學(xué) StephenC.O’Connel中心，1984年的Lindsay公園體育中心，1989年的San Diego解放中心，1990年的公園露天劇場等均是完美外形與創(chuàng)新結(jié)構(gòu)的結(jié)合。一系列購物商場也建成了。
八十年代末期，由Buckminster Fuller最初設(shè)想的張拉整體穹頂作為能覆蓋大空間的新的結(jié)構(gòu)形式而引入。這種索-桿組合結(jié)構(gòu)開始代替早期的充氣穹頂。1986年圣奧林匹克國家體育中心的體操館和擊劍館是由Geiger公司設(shè)計的。緊接著是Weidlinger公司設(shè)計的1988年的 Illinois州立大學(xué)Redbird體育場、1989年的Thunder穹頂、1992年的佐治亞穹頂都采用了這種結(jié)構(gòu)體系。美國開拓了自己的道路來覆蓋大空間。
八十年代全球有名的建筑師開始在許多歐州國家設(shè)計膜結(jié)構(gòu)并改進(jìn)了設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。美國的膜結(jié)構(gòu)容易相似，而歐州的工程更具個人主義。1985年Schlumberger大學(xué)研究中心是歐洲第一個擁有膜結(jié)構(gòu)的研究中心，被稱作“新鮮的光空間”，采用索-膜的組合結(jié)構(gòu)。膜結(jié)構(gòu)中有基本的鋼框架，但又用到索的組合。1989年，Nuage Leger膜結(jié)構(gòu)建在巴黎的Grande Arche中，使得這種結(jié)構(gòu)體系在全世界范圍內(nèi)都成了引人注目的中心。足球場上跨越觀眾席的傳統(tǒng)屋頂容易使下面的空間變黑，而在歐洲建的膜結(jié)構(gòu)卻不會如此。1990年羅馬奧林匹克體育場的膜結(jié)構(gòu)從受壓環(huán)的空間框架上懸掛下來，既輕盈又美觀，成為跨越觀眾席的屋頂最常用的模型。1990年Renzo Piano設(shè)計的San Nicola體育場應(yīng)用膜結(jié)構(gòu)與混凝土的組合，1993年Gottlieb Daimler體育場輕便美觀，與相應(yīng)的結(jié)構(gòu)比較取得了更大的合理性和經(jīng)濟性。PVC涂層的聚酯纖維膜主要用于歐州早期的膜結(jié)構(gòu)，而PTFE涂層的玻璃纖維膜開始得到更大的應(yīng)用。Frei Otto曾抱怨在膜結(jié)構(gòu)中有太多的限制，但新的造型由于不同的結(jié)構(gòu)體系而得到發(fā)揮，結(jié)構(gòu)規(guī)模也越來越大。
在日本，1970年大阪博覽會后膜結(jié)構(gòu)沒有太多的發(fā)展，許多膜結(jié)構(gòu)的建造是支承在框架上。日本位于季風(fēng)帶，人們還不習(xí)慣于設(shè)計懸掛屋蓋，導(dǎo)致人們選擇傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式。但是八十年代末期，日本開始舉行膜結(jié)構(gòu)設(shè)計大賽，許多建筑師參加并競相設(shè)計，于是日本的優(yōu)秀膜結(jié)構(gòu)開始普及。日本2002年世界杯足球賽十個體育場中有六個是膜結(jié)構(gòu)（新瀉體育場、鹿島茨城足球場、琦玉體育場、靜岡Ogasayama體育場、大阪長居田徑場、大分穹頂）。韓國2002年世界杯足球賽十個體育場中有五個采用膜結(jié)構(gòu)（漢城體育場、仁川體育場、大邱體育場、釜山體育場、濟洲西歸浦體育場）。中國長懸臂（懸挑跨度 ）體育場中19個里有10個采用膜結(jié)構(gòu)，有香港大體育場、上海八萬人體育場、上海虹口足球場、廣州黃埔體育場、浙江義烏體育場、青島頤中體育場、武漢體育中心、威海體育中心、煙臺體育場、鄭州航海體育場。當(dāng)今時代，世界各國是相互影響的，結(jié)構(gòu)設(shè)計更趨于規(guī)范而一致了。
三、結(jié)構(gòu)設(shè)計在膜結(jié)構(gòu)中的作用
利用薄的膜材進(jìn)行設(shè)計以達(dá)到安全而合理是結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵，一個只熟悉傳統(tǒng)建筑的建筑師來設(shè)計膜結(jié)構(gòu)就很難理解和表達(dá)膜材所特有的性能。因此，在膜結(jié)構(gòu)發(fā)展之初，結(jié)構(gòu)設(shè)計師比建筑設(shè)計師的作用還大。
美國Geiger Berger公司在膜結(jié)構(gòu)設(shè)計是先驅(qū)，留下了許多作品。發(fā)展了充氣膜和張拉整體索穹頂，加上新膜材的使用，使其處于世界最前沿。其主要負(fù)責(zé)人David Geiger創(chuàng)造了第一個索穹頂結(jié)構(gòu)—圣奧林匹克的體操館和擊劍館，可惜因疲勞過度于1989年去世。Horst Berger參與了1989年San Diego解放中心、1994年Denver國際機場旅客集散中心等工程。Weidlinger公司又成功地運用超張拉整體穹頂覆蓋大空間。Birdair公司負(fù)責(zé)建造了英國千年穹頂、上海八萬人體育場、亞特蘭大佐治亞穹頂、沙特阿拉伯利雅得體育場、紅鳥體育場、羅馬的奧林匹克體育館等工程，Skyspan公司則建造了世界上（320m高）的Arabian Tower旅館、Gottlieb Deimler體育場等工程。
日本結(jié)構(gòu)設(shè)計師也推動了膜結(jié)構(gòu)的發(fā)展。日建設(shè)計部和竹中工務(wù)店設(shè)計部設(shè)計的東京穹頂（1988）和鹿島建設(shè)設(shè)計部設(shè)計的Akita Skydome (1990)、Izumo穹頂(1992)都適應(yīng)了日本的氣候。太陽工業(yè)株式會社發(fā)展了許多膜結(jié)構(gòu)的技術(shù)，包括結(jié)構(gòu)設(shè)計、建筑設(shè)計和施工，奠定了其作為專業(yè)技術(shù)公司為結(jié)構(gòu)設(shè)計師和建筑設(shè)計師提供支持的地位。膜結(jié)構(gòu)在日本廣泛應(yīng)用，建筑師在設(shè)計中更靈活，膜在整個建筑表現(xiàn)上占有重要地位。日本的膜結(jié)構(gòu)設(shè)計正在由結(jié)構(gòu)設(shè)計向建筑設(shè)計轉(zhuǎn)變。
歐洲的膜結(jié)構(gòu)設(shè)計始于Frei Otto領(lǐng)導(dǎo)下的輕型結(jié)構(gòu)所并拓展了膜結(jié)構(gòu)的范圍。隨著膜結(jié)構(gòu)的逐漸應(yīng)用，一批結(jié)構(gòu)設(shè)計事務(wù)所活躍起來。Ove Arup 公司是二十世紀(jì)最有名的設(shè)計事務(wù)所中的一個，設(shè)計了許多獨特的結(jié)構(gòu)，成為膜結(jié)構(gòu)設(shè)計領(lǐng)域的領(lǐng)頭羊，參與了歐洲主要膜結(jié)構(gòu)如Schlumberger 大學(xué)研究中心和San Nicola體育館等工程。Schlaich Bergerman公司也設(shè)計了許多膜結(jié)構(gòu)的設(shè)計，并以輕巧而， Gottlieb Daimler體育館和Gerry Weber中心法院（1994）尤其表明了其獨特的設(shè)計方法，其輕快的設(shè)計體現(xiàn)了膜結(jié)構(gòu)的基本特性。還必須指出，Ingenieurplanung Leichtbau公司也是一家專門的膜結(jié)構(gòu)公司，以1992年的Seville博覽會德國館為代表，但其負(fù)責(zé)人Harald Muhlberger在94年死于交通事故。
中國較早的專業(yè)膜結(jié)構(gòu)公司有北京市光翌空間膜技術(shù)工程有限公司，代表作品有杭州游泳館、廣州黃埔體育場、深圳大學(xué)體育場、威海體育中心、海南博鰲亞洲經(jīng)濟論壇主會場、鄭州航海體育場等。北京紐曼帝萊蒙膜建筑技術(shù)有限公司也是一家較早的專業(yè)膜結(jié)構(gòu)公司，工程有浙江義烏體育場、青島頤中體育場、煙臺體育場等。此后，又有一批膜結(jié)構(gòu)公司如雨后春筍般涌現(xiàn)出來，但與國外相比還存在較大差距。
四、結(jié)構(gòu)體系和膜材
膜結(jié)構(gòu)建筑是指利用膜材特性而建起來的建筑。支承膜結(jié)構(gòu)的可以是框架，也可以是索。如果用膜本身作為結(jié)構(gòu)材料，則該材料有限的強度決定了該結(jié)構(gòu)只能是小尺寸的。在大型結(jié)構(gòu)中膜必須用某種方法加強一下，或與其他構(gòu)件組合。但是膜材與別的屋面材料不同，一般來說，膜形成曲面，且膜材能抗拉，但不能抗壓或抗彎。膜結(jié)構(gòu)要用合理和正確的方法來張拉。在持續(xù)均勻的張拉下，整個結(jié)構(gòu)的剛度增加了。膜材的徐變特性使在任意的張拉狀態(tài)下也會隨時間的推移漸漸地趨向等張力狀態(tài)。因此從開始就設(shè)計一個等張力形態(tài)會有更大的穩(wěn)定性。
人們曾害怕膜結(jié)構(gòu)形態(tài)僅由力學(xué)來確定，而缺乏美學(xué)的考慮。但即使是由力學(xué)確定的曲面，其邊界條件也不是無限制的，而必須由設(shè)計確定，其形態(tài)必須用索或鋼構(gòu)來賦予。具有框架的膜結(jié)構(gòu)，膜被拉到鋼、木或鋼筋混凝土上，這個方法使習(xí)慣于傳統(tǒng)建筑設(shè)計的建筑師在實現(xiàn)膜建筑上相對容易些。充氣膜結(jié)構(gòu)的想法最初是由氣球而來。第一個構(gòu)思用于該結(jié)構(gòu)的人可能是英國的F.W. Lanchester。1917年他用充氣膜建成一個戰(zhàn)地醫(yī)院而獲得專利。但該結(jié)構(gòu)用于實際中的是1946年建于美國的Radar穹頂。W.W Bird建造了許多充氣膜結(jié)構(gòu)并對膜結(jié)構(gòu)的發(fā)展做出了卓越的貢獻(xiàn)。1967年在Stuttgart召開了 IASS全球討論會，使充氣膜結(jié)構(gòu)在全世界范圍廣泛流傳。對充氣膜結(jié)構(gòu)提出了許多建議，這些都有助于制定這類結(jié)構(gòu)的規(guī)范。
從古代開始就有游牧民的圓頂帳篷，現(xiàn)在又發(fā)明了合成纖維或玻璃纖維。最近能增進(jìn)膜的耐久性、防火性和防水性的涂層又得到發(fā)展，因此膜結(jié)構(gòu)就能如同傳統(tǒng)建筑一樣持久、安全。膜結(jié)構(gòu)又具有透光性、輕質(zhì)、適于各種框架以跨越大空間的特點。但一片簡單的膜材就能覆蓋一個原來用傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)方法或材料才能實現(xiàn)的空間，也意味著膜結(jié)構(gòu)有諸如隔音、隔熱和撕裂強度等問題，要知道膜結(jié)構(gòu)也不是萬能的。下面是膜材發(fā)展的年表：
1933年——PVC（工業(yè)化）
1938年——PTFE
1947年——聚酯纖維（工業(yè)化）
1972年——涂覆PTFE的玻璃纖維
早年的膜材是可折疊的，但PTFE涂層的玻璃纖維膜象其他建材一樣不折疊或打開，是永久性的建筑材料，具有不燃性、大強度和耐久性，與PVC相比它又具有自潔性，不易弄臟。這種材料的發(fā)展開辟了膜結(jié)構(gòu)新的可能。與耐久性好的不銹鋼一樣成為一種永久性建筑材料，這是個劃時代的發(fā)展。用該種材料建成的建筑物，特別是大的體育場，在七十年代開始廣泛地建造。最初人們擔(dān)心玻璃纖維是不耐久的，到一定時間會不完整，但用氟聚合物加強的這種膜材經(jīng)過24年的時間仍保持足夠的強度。另一種膜材是PVC涂層的合成纖維膜，成本低，又易折疊，也有較大的市場，但有耐久性和表面易臟等問題。
膜結(jié)構(gòu)一般用基于容許單位應(yīng)力的設(shè)計方法。膜材的安全系數(shù)一般取4.0，這個值是令人滿意的，因為它考慮了膜材可能引起的強度退化。從低成本的角度看，這個安全系數(shù)可能是人們能接受的最低值。過去一些膜建筑的事故表明膜材的撕裂導(dǎo)致結(jié)構(gòu)垮掉往往是一些結(jié)構(gòu)計算并沒有考慮進(jìn)去的局部因素導(dǎo)致撕裂。因此膜結(jié)構(gòu)的安全很大程度上取決于設(shè)計細(xì)節(jié)。
五、膜結(jié)構(gòu)事故案例
因強風(fēng)引起的一個可開合膜結(jié)構(gòu)事故
由于風(fēng)荷載估計偏低、膜材的安全系數(shù)設(shè)定偏低、以及沒有正確的裁剪等原因使得強風(fēng)損壞了膜材，撕開的裂縫摧毀了整個屋蓋。
因暴雨引起的一個索膜結(jié)構(gòu)事故
由于采用了低矢跨比（比較平坦）的膜單元，因暴雨產(chǎn)生積水導(dǎo)致膜面大面積破損。
因強風(fēng)引起的一個充氣膜事故
由于強風(fēng)中膜表面劇烈地振動，碰到硬物從而損壞了膜材，不能維持內(nèi)壓，屋蓋損壞。
因積雪引起的一個充氣膜事故
由于積雪時內(nèi)壓控制失效，屋蓋形狀不能恢復(fù)，最終導(dǎo)致坍塌。
此外，許多事故發(fā)生在小規(guī)模結(jié)構(gòu)中。特別是充氣膜，經(jīng)常由于不能控制氣壓而發(fā)生事故。與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比，膜結(jié)構(gòu)還沒有碰到很多的事故。但膜結(jié)構(gòu)的設(shè)計必須有各種可能下的充足考慮。因經(jīng)濟性優(yōu)先，而過低估計荷載和材料安全系數(shù)、對結(jié)構(gòu)特性認(rèn)識不充分、不合理使用膜材、不合理的膜材連接依然很多，還有節(jié)點構(gòu)造上不合理的使用均可導(dǎo)致事故發(fā)生。
六、展望
膜結(jié)構(gòu)的未來發(fā)展方向是什么？使膜結(jié)構(gòu)成為永久性建筑的同時，膜結(jié)構(gòu)的臨時性也是重要的主題。還有施工方法的改進(jìn)，使膜材能定期地更換也是一個重要的任務(wù)。人們對膜材和施工方法以及高強度、抗撕裂性能、耐久性、隔熱、隔音和彈性特性有不同的需求。除非我們努力滿足這些要求，否則膜結(jié)構(gòu)建筑的發(fā)展必將受到阻礙。
膜結(jié)構(gòu)建筑的特點之一就是擁有一個明亮的內(nèi)部空間。膜材能通過光線就是其透光性。玻璃能通過光線，能傳熱，膜材的透光性也如此。希望將來膜材的透光率可根據(jù)設(shè)計要求自由調(diào)節(jié)。膠片也是一種有潛力的材料，但因缺乏強度和抗火性而難以利用。高度透明的膜材正在得到發(fā)展，如果能達(dá)到一定程度則膜結(jié)構(gòu)建筑又將寫下新的一頁。使用這種材料來形成一個封閉空間時將會產(chǎn)生什么樣的熱負(fù)荷？相應(yīng)的施工方法和力學(xué)系統(tǒng)有什么樣的修改？熱輻射的問題怎么辦？與玻璃相比透明的膜屋面是有吸引力的，因為膜需要很少的輔助構(gòu)件，還能形成曲面。進(jìn)一步發(fā)展膜材就必須解決上述問題。
對膜材表面的去污性我們能做些什么？尤其是PVC涂層上的灰塵會影響膜結(jié)構(gòu)的形象。已經(jīng)采取諸如在表面上涂氟這樣的辦法，但依然對灰塵無威懾力。膜材不像玻璃易清潔，灰塵會降低膜結(jié)構(gòu)的魅力。這是個急需解決的問題，影響到膜結(jié)構(gòu)作為永久性建筑在未來的發(fā)展。
膜結(jié)構(gòu)以不同的方式在世界各地得到應(yīng)用，人們已認(rèn)識到它們的優(yōu)點。由于膜材的輕質(zhì)與耐久性，很多時候它們用來覆蓋大空間。與其它類型結(jié)構(gòu)的組合如果利用了各自的優(yōu)點就能創(chuàng)造出更大的空間，也為發(fā)展新的膜結(jié)構(gòu)建筑提供了可能。與不同的索結(jié)構(gòu)組合也是可能的，因為膜材有很好的變形特性。膜材表面用索加強是膜結(jié)構(gòu)發(fā)展的一個方向，這種情況下膜材不僅僅是覆蓋屋面的材料，與索結(jié)構(gòu)的組合也利用了膜材的強度。最近人們才認(rèn)識到利用膜結(jié)構(gòu)來建造普通建筑物，也具有其他類型結(jié)構(gòu)無法表現(xiàn)的、獨特的性能。膜結(jié)構(gòu)的設(shè)計、工程人員都應(yīng)該為膜結(jié)構(gòu)的發(fā)展貢獻(xiàn)力量。此外，還需要國際間的交流和團(tuán)結(jié)來促進(jìn)膜結(jié)構(gòu)的發(fā)展。