世界上最早的膜结构建筑出现在1970 年大阪世博会,此后膜结构建筑得到了很大的发展。
1975年在美国密执安州庞提亚克兴建了平面尺寸243.9X183m的银色穹顶,这是第一次将气承式膜结构建筑应用于永久性的大型体育馆。其后在北美地区,类似的膜结构就建了9座,其中象美国的明尼阿波利斯和加拿大的温哥华均位于北方地区。虽然象这样的充气结构也发生过几次不愉快的坍塌事故,但是膜结构终于登堂入室,进入永久性建筑的行列。日本在徘徊了10多年之后,也在1988年修建东京后乐园棒球场时采用了气承式膜结构建筑。
1986年以后,在美国建造的大型体育馆就没有采用过空气膜结构建筑,对于有些已建成的体育馆,其膜材将达到保证的使用年限,需改建时也不再考虑采用气承式膜结构。不过由于其造价低廉、安装方便,中小跨度的健身房、网球馆、仓库等,气承式膜结构还是受到欢迎。
位于号称日本雪国的秋田县,最深积雪可达150cm。1990 年建造了天空穹顶体育馆,其外形从球体截取,长边为130m、短边为100m。这座体育馆的设计构思来源于当地著名的雪窑洞,但置身其中又有在户外的感觉。屋盖承重是正交的格构式空间拱系,沿长方向采用空腹拱并设有钢索,沿短方向采用钢管拱。长向钢索被用来对膜面施加张力,同时与骨架在屋面形成V形槽沟,以便于雪滑落。紧贴屋面的钢管拱被用作输送暖风的通道,既起到融雪的作用,也解决了膜面的结露问题。膜材为单层玻璃纤维织物,透光率可达10%,在场中仰望屋顶,给人以通透明亮的感觉。在寒冷地区建造大跨度膜结构,秋田天空穹顶是一一个成功的范例。
在全世界众多的纪念性建筑中,英国所建造的千年穹顶(Millennium Dome)尤为突出。当2000年子夜的钟声敲响时,在伦敦泰晤士河畔五彩缤纷焰火的照耀下,千年穹顶以它银白色的圆顶迎接新的千禧年。这座直径320m、以12 根高山100m的桅杆所支承的圆球形屋顶采用了膜结构建筑。正是这座穹顶集中体现了20世纪建筑技术的精华,用它来迎接新世纪,的确是再恰当不过了。水立方”是世界上最大的膜结构工程,建筑外围采用世界上最先。
进的环保节能ETFE(四氟乙烯膜材料)。2008年北京奥运会标志性建筑物之一。其与国家体育场分列于北京城市中轴线北端的两侧,共同形成相对完整的北京历史文化名城形象。
1970年日本大阪万国博览会中净空尺寸为 140m×83.5m的美国馆是世界上跨度非常大的膜结构,自此以后,膜结构在国外已逐渐应用于体育建筑、商场、展览中心、交通服务设施等大跨度建筑中, 膜结构在世界范围内有了迅猛的发展。
1975年建成的美国庞提亚克的"银色穹顶"气承式空气,膜结构,平面尺寸234.9m×183m;1981年的沙特阿拉伯吉大机场候机大厅悬挂膜结构,占地42万m²;
1988年的汉城奥运会体操馆与击剑馆;2000年的伦敦"千年穹"都以其独特的 膜结构造型及超前的设计,显示了膜结构建筑技术与材料科学的发展水平。
据考证,帐篷是远古时代人类最早的居所,开始完全用天然材料构筑,如用兽皮、树皮等作帷幕,用石材、树干等作支承,逐渐发展为天然合成材料,如棉纱、毛纺、帆布等。现代膜结构则发展为使用钢材、铝合金、木材等作结构件,用精细化工织物膜或氟化物薄膜作为覆盖帷幕。
膜结构发展可概括为两个方面:膜材发展和膜结构体系发展,两者相互依存、互为促进。膜材发展推动膜结构的发展与广泛应用,并促进新的结构体系诞生;反过来,新的膜结构体系和技术发展,促进新型膜材技术的发展与应用。
1 膜材发展概况
膜材主要是随现代精细化工科技的进步而不断发展。早期的膜材,以聚氯乙烯为表面涂层、聚酯纤维为基布的膜材为主,现称C类膜(PVC/PES),建筑与结构受力性能不理想。同时,以玻璃纤维为基布氯丁橡胶为涂层膜和棉纱天然纤维膜亦有较少应用。
1960年代,玻璃纤维织物膜技术得到发展,并在较大范围应用,但表面涂层材料仍为聚乙烯基类(现称为B类膜)。膜材强度较高、模量大、徐变小,但建筑自洁性、耐久性仍不理想。同期,c类膜材制造技术不断进步,结构与建筑特性逐渐改善。
1970年代初,具有优异建筑性能的聚四氟乙烯(化学名FIFE,商品名Teflon,1938)表面涂层材料由NASA研制成功,同时B纱、DE纱玻璃纤维织物膜技术日趋成熟,使得以玻璃纤维为基布PTFE为涂层的现代织物膜材问世,现称A类膜,并开始工程应用[z]。新型聚酯类纤维(Kevla等)不断被研制,氟化物涂层逐渐应用在c类膜。
1980年代,由于航天科技发展与需求,精细化工技术发展,氟化物纤维(PTFE、FEP、PFA等)、碳纤维(CF)、聚酯纤维(PBO、PET等)等织物膜相继研制问世,这些膜材具有高强、高比强、高模量、耐强辐射、耐原子氧化、性态稳定,但目前主要应用于航空航天、半导体电子工业等特殊领域,很少应用在建筑工领域。
A类膜材发展趋势:提高柔韧性、改善制成工艺、使用环保材料、增加性价比。c类膜材发展趋势:研制新型高性能合成纤维、改善基布编织工艺、提高受力稳定性,研制新型环保涂层材料,提高建筑自洁性、耐久性。
新型膜材及其应用技术研究是膜结构发展的基石。氟化物热塑性薄膜(ET-FE、THV、FEP等)、相应织物膜材问世和应用技术的解决,促进了新的膜结构技术的发展。