浅谈膜结构幕墙关键词：膜结构幕墙，柔性幕墙，艺术幕墙，ETFE，找形摘 要：从国家体育场、游泳馆、体育馆的膜结构幕墙谈起，浅要介绍膜结构幕墙的膜材、结构、荷载、设计、特点一）从‘乌巢’、‘水立方’、国家体育馆谈起新的国家体育场、国家游泳馆、国家体育场的方案二巳确定，称之为‘乌巢’（图1）、‘水立方’（图2），‘潜能的力量’（图12），拟选用膜结构屋顶和幕墙，‘乌巢’和‘水立方’膜结构交相辉映（图3）晶莹剔透（图4）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图1 国家体育场的‘乌巢’方案图2 国家游泳馆的‘水立方’方案图3 ‘乌巢’和‘水立方’两个外围护膜结构交相辉映图4 ‘乌巢’和‘水立方’两个外围护膜结构晶莹剔透 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慧的标志性建筑，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20.4万平方米，建筑面积25.8万平方米，能容纳观众10万人，2006年底建成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图5）图5 体育场——“人民奥运”的聚宝盆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图6） 图6 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图7）、（图8） 图7 膜结构和钢结构内视图8 屋顶全开的 体育场内景图8 体育场内的膜结构全景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唯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乌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（图9），图1 国家游泳中心举行了开工奠基仪式图9 ‘立方体’夜景恬淡迷人这个看似简单的“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，而不是体操馆等其他用途的场馆遥望“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，那么气泡型的膜结构幕墙，使得“水立方”凸显无边的浪漫这种简洁的结构并非是看上去的杂乱无章，是依据“无限等体积肥皂泡陈列几何图形学”，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，切割面之间原有的杆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 图10） 图10 “水立方”气泡型的膜结构内部构造 图11 “水立方”气泡型的膜结构内部效果图 “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9米，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，按展开面积算每平方米86.24公斤。
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）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305米×230米设计的目标是提供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 “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国家体育馆方案二也是采用ETFE膜结构：方案命名为“潜能的力量”体现出建筑的力量和优美，稳健和运动的统一。
采用了ETFE膜结构等先进技术和材料，成为展示我国高新技术成果和创新实力的窗口建筑的造型和使用的建筑材料，使建筑物在白天阳光照耀下，或夜晚透过从四周和屋顶溢出的光线，酷似一颗晶莹的宝石图12国家体育馆方案二（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2.1膜材的分类：用于幕墙的膜材有织物膜材和箔片膜材两大类织物膜材：根据编织不同可分为平织、曲织；根据纤维材质可分为聚酯织物、玻璃织物；根据涂层可分为单边涂层、双边涂层目前织物涂层膜材是主流材料2.2 织物膜材：织物膜材是一种具有高强度、柔韧性好的薄膜材料；是由织物基材（玻璃纤维、聚酯长丝）和涂层（PTEE、PVC）复合而成的涂层织物具有轻质、柔韧、厚度小、重量轻、透光性好；对自然光有反射、吸收和透射能力；它不燃、难燃或阻燃；具有耐久、防火、气密良好等特性；表面景氟素处理（涂覆PVF、EFTF、PVDF）的膜材、自身不发粘、有很好的自洁性能常用织物膜材包括: (1)PVC膜材：聚氯乙烯（PVC）涂层和聚酯纤维基层复合物(图13)(2) PTFE膜材：聚四氟乙烯（PTFE）涂层和玻璃纤维基层复合物图14)(3)加面层的PVC膜材：在PVC膜材表面涂覆聚偏氟乙烯或聚氟乙烯 图13图14力学性能 ：中等强度的PVC膜：其厚度仅0.61mm，但它的拉伸强度相当于钢材的一半 中等强度的PTFE膜：其厚度仅0.8mm，但它的拉伸强度已达到钢材的水平 膜材的弹性模量较低，这有利于膜材形成复杂的曲面造型。
光学性能：膜材料可滤除大部分紫外线，防止内部物品褪色其对自然光的透射率可达 25%，透射光在结构内部产生均匀的漫射光，无阴影，无眩光，具有良好的显色 性，夜晚在周围环境光和内部照明的共同作用下，膜结构表面发出自然柔和的光辉，令人陶醉 声学性能：一般膜结构对于低于60Hz的低频几乎是透明的，对于有特殊吸音要求的结构 可以采用具有FABRASORB装置的膜结构，这种组合比玻璃具有更强的吸音效果 防火性能：膜材料能很好地满足对于防火的需求，具有卓越的阻燃和耐 高温性能，达到法国、德国、美国、日本等多国标准 保温性能：单层膜材料的保温性能与砖墙相同，优于玻璃同其他材料的建筑一样， 膜建筑内部也可以采用其他方式调节其内部温度例如：内部加挂保温层，运用 空调采暖设备等 自洁性能 ：PTFE膜材和经过特殊表面处理的PVC膜材具有很好的自洁性能，雨水会在其表 面聚成水珠流下，使膜材表面得到自然清洗2.3 ETFE箔片膜材：高强度箔片膜材都是由氟塑料制造的，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箔片膜材近年在建筑幕墙和屋顶较多。