经典膜结构工程方案展示

法国卡巴里奥收费站CABARIOT-TONNAYINFRANCE高速公路收费站往往被视为只是向驾车者收取费用的工业机器，没有任何吸引力。除了被当作是一种障碍，它们很少被注意过。如果将这些用于现代运输的自动化小岛称之为建筑，不仅会使驾驶者惊奇，也会使大多数的建筑师惊奇。而法国Arteo综合设计事务所和Arcora工程公司并不以为然，他们反问道：“为什么不设计出一个从建筑上值得欣赏的高速公路收费站呢？”法国A837高速公路沿着大西洋边和海滨小镇，在法国西南部Saintes和Rochefort之间的比斯开海湾一线下来。在这条高速路上，Arieo事务所与Arcora公司的建筑师与工程师们，使用深蓝色张拉膜构筑一巨大屋顶，其下覆盖的是Cabariot收费站，它犹如一张巨型的蓝帆。4个设计精致的锥形支撑桅杆吊起屋顶结构，如同大海波浪悬挂在半空中。夜晚在灯光照射下象一艘将要靠岸的航空母舰。Cabariot收费站长152m，最宽处32m；由4个35m高的圆锥形桅杆构成的主支撑，托起中央主梁，通过横穿的流线型梁与周边的空腹梁连接。稳定支撑杆则连接结构边缘和4大桅杆的基座。整个膜材被双重绳套和橡皮带固定在构架上。因为Cabariot座落在海滨，需要通过风洞测试来优化它的稳定性。为防止由此经过的大量汽车排放物对面料的污染，Cabariot采ffi了光滑并可以自洁的膜材。正是因为Cabariot收费站不同寻常的设计,而在1999年获得了由国际织物工业协会组织的国际成就奖项中的设计大奖。膜结构的空间创造--介绍21世纪斯涂加特火车站创作构思THESPACECREATIONMEMBRANESTRUCTURE:ANINTRODUCTIONONSTUTTGARTRAILWAYSTATIONIN21THCENTURY背景德国著名建筑师克里斯多夫·英恩霍文在国际著名结构工程师费赖·奥托配合下设计的斯图加特火车站以其开创性的空间构想在国际投标中获一等奖，德国建筑专业杂志房屋评论：这一革命性的空间创造是继慕尼黑奥林匹克体育场之后最优美的建筑作品。“斯图加特火车站”是德国“21世纪斯图加特工程”中的一项，工程总投资约50亿德国马克。其宗旨是：城市通过铁路设施的现代化获取利润，并要求轨道设施在城市开发中得以完善，从而提供便捷，高速的交通服务，以适应现代人的生活方式和节奏。占地约100hm2，站台长约400m（其中200m延伸到城市的中心绿地--宫殿花园）的斯图加特火车站位于老城的边沿及老火车站博拉茨北侧。克里斯多夫·英恩霍文在查看基地后的构想是：保持宫殿花园的完整性。让轨道从地面消失，为城市创造一个绿色环境的未来空间。于是，一个童话般的构想产生了：“我们做一个火车站在地下，加上一个顶，几个洞，几个点”。创作过程建筑的本质在于它具有个性的发展过程。“WorkInProgress”这个源于英语的概念意旨：为实现最初目标所进行的一系列分析、推敲及完善工作。蛹吐丝形成茧子，最后变成蝴蝶的现象给我们这样的启示：一个自然而精美的形态总是在经过一系列的演变后得以形成的。70年前由建筑师博拉茨设计的老火车站反映了当时的建筑风格和生活状况，21世纪的今天我们尝试一个突破：自然形态与功能的完美组合。寻求一种从内容到形式都有别于常规的新火车站形式--轨道设施移至地下约6米处，以保留一个完整的宫殿花园。为了这个不同寻常的设想，我们进行了各种试验，通过工作模型，电脑模拟，从城市关系，空间形成，能源节约到技术可行性及造价分析，进行了一系列反复的推敲于比较。其论证结果是：这不是一个幻想，可以成为现实。在此，城市建筑、生态与技术得到充分的柔和。这里不只是一个建筑，更是一个艺术品。城市网络火车站犹如城市的窗口，来往的行人都会将此印在记忆里。轨道设施从地面的下移为内城开发及城市的连接提供了一个特殊的机会。这个新的城市部分与已有城市结构的完美结合对于一个持续而有效的城市发展有着决定性的作用。老火车站的塔体及设于四个方向的新火车站的玻璃壳入口，成为火车站及城市的新标志。富有韵律的系列“光眼”构成了一副梦幻般的画面，并作为老城与新城的连接链。这个流畅而开敞的空间使内外连接于一个连续的空间网络，无论从任何角度观看，这一空间都充满令人想象的魁力。造型与结构与结构专家弗赖·奥托及比荣爱博格工程事务所的积极合作是该建筑形式成功的基础。1963年由弗赖·奥托通过肥皂薄膜进行了最小面积受力试验，其结果显示：在没有产生张力的情况下，要形成一个单力支撑的薄膜，必须通过一个孔的组合体方可实现，那就是“光眼”。在火车站的结构构思中，首先想到的便是钢网结构，这一构想要求：“光眼”有一个精确的高度。如同肥皂膜模型所呈现：钢网应与混凝土结合，并形成封闭的骨架，这样构成一个屋顶基础。结构计算的结果是：拉力荷载的悬挂屋顶代替压力荷载的水泥拱顶。这一形状通过模型进行试验，并在悬挂拉力状况下凝固成型。然后旋转180度即成为现在的形态--膜结构“光眼”。这一理想的形状在一连续而适合的边缘条件下发展成型。光眼梦幻般的“光眼”组合在宫殿花园中形成一种特殊的景象。如同悬挂的模型一样，受力是从边缘到中心，然后沿着边缘口传至支撑柱。“光眼”的边缘在结构中具有剪力的功能，弧形的玻璃边框镶嵌于混凝土边棱上。这个从地面突出的“光眼”构成了支撑体系的真正特征，并成为该原型组合体的结构胚胎。光线光线在一个富有韵律的空间里扮演着重要角色。斯图加特火车站的设计将成为新一代火车站的标志。当旅客在大厅里停留时，日光通过拱形玻璃壳均匀地进入大厅。即使在阴天也能得到舒适的光线。我们通过一个1：30的模型进行日光测试。结果显示：平均有5％的日光能直接达到内部。其中直接位于光眼下的部分能获得10~15％的日光。在大约400m长的站台上每60m设有一个“光眼”，外部光线的变化内部也能感觉到。由于两个相邻的站台每隔30m有一个交叉的“光眼”，从而使光线均匀的进入地下站台。当夜幕降临时，位于站台边缘的地面照明通过拱型天顶的反射，也能达到一个明亮的空间效果。能源由于这种膜结构形式，地道中的全年平均气温可控制在+10度左右。在考虑气流的情况下计算出：夏天的气温很少超过+20度，冬天则很少低于0度。由于高差的原因形成地下站台的壁炉效应。由于自然气候的原因，冬夏季将有不同温度的气流进入地下站台，这种冲击气流通过“光眼”在没有人工换气装置的情况下进入地下，其数据是每小时0.7倍的空气交换量（大约300.000m3/h）。在冬天可通过一个自动装置来阻挡低温气流的进入。熊本市公园穹顶，日本PARKDOME,KUMAMOTO,JAPAN,1997建筑及结构工程师：Daiichi-Kobe事务所，Fujita公司空间构成的基本构想是用一个直径125m的圆顶覆盖中心场地，并用不规则的结构覆盖周边自由安排的其他设施。这一构想否定了用一个大结构覆盖整个空间的设想，代之以许多适应内部空间形状的框架，然后使它们成为一个整体，形成一个室内运动场--“一个先进技术与创新观念的完美结合”、“一座利用自然能源的节能建筑”。为此，在设计的早期阶段就决定给予该建筑一个地球上浮云的形象。为实现这个形象，决定在场地中央建造巨大的圆形双层充气膜结构屋顶，不规则的周边部分则用单层框架膜结构覆盖，全部室内空间保持正常压力。因为仅仅屋顶是充气膜结构，所以门窗可自由安排。为保持双层充气膜的厚度和形状。在屋顶中央部位设计了一个简单的锥台状框架，构成充气屋顶的中心环，这也使屋顶中央开口成为可能，对自然通风和采光极为有利。同时在声学上也是有效的。因为开口赋予天花表面一个自然的凸圆面形状，这就将声音朝四周分散，有效地降低了反射波。双层充气膜形成了一个直径107m的、以锥台状框架为中央支撑的“浮云”。在中央的锥台状框架与外围的环形桁架之间，上、下各有48根辐射状的素相连。以带PTEE涂层的玻纤膜覆盖骨架和索，同时，双层膜间充气达30mm汞柱的气压（正常情况下）。这个庞大的外径125m的碟状屋顶被支撑在沿环形桁架的8个点上，每个点由“3-柱”型的组合柱支撑。由于充气膜有索支撑，即使跑气也不会有坠落损害的危险，从预防灾害及撤离的角度看，这种布置也是有利的。这种结构系统被称作“混合充气膜结构”，因为它结合了轮式索结构和充气结构的优点。这个工程是此种结构形式在世界上首次应用。覆盖不规则周边部分的单层膜顶形成了一个简单的格构架结构--用直径350mm的球节点将钢管装配成网格。建造圆屋顶花了大约20个月。建造主体结构的顺序如下：首先，同时立起8根组合柱；环形桁架及锥台状中心环在低位装配；连接上索和膜；连接下索和膜；往膜内注入空气；在环形桁架上安窗框和玻璃（重量大约2400t）；充气膜整体提升至19m高度。在此过程中，“3-柱”组合柱的内柱充当导轨。最后，环形桁架和周边钢筋混凝土结构间连上不规则的单层膜顶。西侧全景双层充气膜上部西侧鸟瞰充气膜内部圆屋顶内景巴里市圣.尼古拉体育场，意大利SANNICOLASTADIUM.BARI,ITALY,1990建筑设计：伦作.皮亚诺事务所Architects:RenzoPianoBuildingWorkshop结构设计：澳为.阿勒普事务所StructuralEngineers:OveArup&Partners该体育场建在巴里市，市为1990在意大利举行的世界杯塞尔建造的八个体育场之一。整体呈椭圆形的观众席是通过现场组合310根新月状的预制钢筋混凝土梁而建成的。上层的观众席被划分成26块巨大的“花瓣”。“花瓣”间的空隙使建筑显得纤秀轻盈，同时留出了人员流动的空间，方便观众进场和退场，保证了观众的安全。计算机模拟试验确保所有座位的视线均不被遮挡。为使观众免受日晒雨淋，实际了一个带PTFE涂层的玻纤膜顶。这个膜顶的主要支撑构件是从上层观众席顶部悬挑出来的箱形梁；次要构件有：膜顶前端的U形桁架、与箱形梁平行的弧形拱肋以及连接弧形拱肋与索的侧向稳定杆。结构体系保证整个膜面处于张拉状态。为避免强风对赛事或观众的造成干扰。设计前作了风洞试验，用几种阿勒普（Arup）的程序作了对比分析。膜顶由26块各自从上层观众席的钢筋混凝土框架延伸出来的大膜构成。26个膜顶之间通过小块拱形膜连为一体，整个膜覆盖面极为13250m2。膜顶悬挑跨度介于14m-27m之间，这些结构实际上是上层观众席的钢筋混凝土框架的直接连续。虽然上层观众席的标高和膜顶的悬挑跨度在体育场的四周上有所变化，但对钢结构加工来说仍有某种某种的重复性和规律性可循。连接悬臂箱形梁端部的一系列“U”形桁架之间纤细的弧形拱肋上。为使这些拱肋尽量细，它们的空间刚度通过两端间的一系列拉杆加以强化。膜的边缘均处理成曲线，以贴合钢质箱形梁。每块膜均在四边连续固定，并通过膜的双向张力和位于拱肋间的膜上索的下压力与下部的拱肋紧密贴合。这些膜上索的设置保证在最恶劣的风载下膜也不会将拱肋扯起。膜被确定为几何意义上的双向等应力场，而每块膜安装是在两个方向上的应力均不超过4080N。体育场全景观众席局部箱形悬臂拱形梁仰视香港大球场，中国HONGKONGSTADIUM,CHINA,1994建筑设计:HOK事务所Architects:Hellmuth,Obata&Kassabaum结构设计：澳为.阿勒普事务所StructuralEngineers:OveArup&Partners工程要求在现有地段上建造一个新的体育场能容纳4000观众，其中5％的面积（达16000m2）在屋顶下，成为一座集运动、会议等多种功能于一体的21世纪的大型露天体育场。建成后的体育场地处狭小的香港岛山谷中，三面环山，越过山顶看去是高耸的大楼，其中包括若干公寓。地段朝北开敞，城市和海港的景观尽收眼底。白天，太阳的漫射光可照亮观众席。夜晚，屋面透出灯光，仿佛发光的贝壳。竞技场地露天，使绿茵得以生长。在这样的自然地形中，膜屋顶的几何形和结构很能打动人心。山谷的东西两面地形较陡，两面大的看台因势利导依山形升起。其屋顶进深40m－55m，以遮盖看台。这种跨度的屋顶如用悬挑结构会导致看台非常笨重。因此，设计师考虑了新的解决方案，即纵向用2