膜结构建筑艺术浅析.docx
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膜结构建筑艺术浅析
西安建筑科技大学
研究生课程考试试卷
考试科目：
建筑创作中的结构构思解析
课程编码：
021118
任课教师：
胡冗冗
考试时间:
2012.4.16
学号：
1102841222
学生姓名：
宋汶凯
题号
成绩
总成绩
学分
1
2
3
4
5
6
阅卷人签字
7
8
9
试题总页数
10
膜结构建筑艺术浅析
摘要：
近几十年来，建筑材料与技术的发展日新月异，随着新材料、新技术的出现，建筑结构与形态也在不断更新，在众多的结构形式中，膜结构以其独有的结构形态与艺术魅力在当今建筑界大放异彩，大到奥运场馆、世博场馆，小到街道小品，人们随处可以见到膜结构建筑的身影，膜结构以其变化多端的姿态，受条件限制较小等优点，越来越受到业界人士以及普通大众的青睐。
本文将以独特的视角对膜结构作以简要的介绍，对其结构形态与建筑艺术之间的关系做了一些有益的分析与探索。
希望能为膜结构在建筑设计中的应用提供有益的参考。
关键词：
膜结构自然美艺术美技术美
Abstract:
Inrecentdecades,thedevelopmentofconstructionmaterialsandtechnologyissofast,withtheadventofnewmaterials,newtechnologies,buildingstructureandmorphologyalsoconstantlyupdated.Inmanystructuralforms,themembranestructure,withitsuniquemorphologyandartcharm,becomepopularityintoday'sconstructionindustry,fromtheOlympicvenues,theExpovenue,tothestreetskit,peoplecanseethethemembranestructureeverywhere.Membranestructure,withitschangingshape,lessrestrictedbyconditions,moreandmorepeopleintheindustryandthegeneralpublicofallagesacceptthisstructure.Thisarticlewillbeauniqueperspectiveonthemembranestructurefromabriefintroductiontosomeusefulanalysisandexplorationoftherelationshipbetweenthemorphologyandarchitecture.Ihopetoprovideausefulreferencefortheapplicationofthemembranestructureinthearchitecturedesign.
Keywords:
membranestructure,beautyofnature,beautyofart,beautyoftechnology
膜结构简介：
随着材料技术的不断发展，建筑形式日趋多样化与复杂化，可以说材料技术在某种程度上对建筑设计起着或制约或促进的作用，膜结构建筑（MenbraneStructures）是近几十年发展起来的一种采用新型材料的全新结构形式,是以膜材为主体并与钢结构及钢索共同组成的全新的结构体系,并于20世纪后期成为国际上大跨度空间建筑及景观建筑的主要形式之一,具有强烈的时代感和代表性。
它是集建筑学、结构力学、精细化工、材料科学、计算机技术等为一体的多学科交叉应用工程,具有很高的技术含量和艺术感染力,实用性强、应用领域广泛,其发展潜力巨大,将成为21世纪空间结构的发展主流。
膜结构的发展和纺织工业的发展息息相关。
20世纪由于化纤工业和玻纤工业的发展，大大拓展了纺织工业的应用领域。
由于玻纤和一些合成纤维具有强度高、疏水性好、耐腐蚀、防霉等特性，用其织成的织物再经适当的聚合物涂层处理后，可进一步提高其性能和功能，可以广泛地应用于一些大型建筑的屋顶。
这种经过特殊处理的纺织材料，一般称之为膜结构纺织材料或膜材料。
下图为世界上最大的膜结构建筑——沙特吉大机场候机厅，其建筑面积达42万平方米。
国际上大约在20实际60年代后期~70年代初期开始出现膜结构建筑群，至今已使用30多年，目前人保持完好。
这说明膜结构建筑的使用寿命，可以超过三十年，即可以达到永久性建筑的要求。
沙特吉大机场候机厅，图片来源：
建筑采用膜结构纺织材料做屋顶有很多优点。
涂层织物与砖、瓦、水泥、钢材等传统建筑材料相比，重量要轻的多，用膜结构材料制作的屋顶，重量仅及传统建筑材料制作的1/30.因此，膜结构建筑可大大节约支撑结构和加强材料，降低造价。
另外，可以只用于建造大跨度建筑，世界上最大膜结构建筑的跨度可以达到200米，这是砖瓦、水泥等传统建筑无法达到的。
因此，膜结构建筑对于建造大型公共场所、设备库房、材料仓库、展览厅、体育场、机场、候车室等特别是用，已成为这些建筑的首选材料之一。
此外，膜结构建筑可以利用膜材料所具有的透明度，在白天节约照明用电；膜结构材料的建筑物还能较好的承受地震等破坏力。
与常规结构材料相比，织物建造的屋顶比较轻巧，很容易取下移置别处；当织物有磨损、损坏时，修复也很方便。
采用膜结构材料制作屋顶，可以为建筑师们的奇思妙想提供条件，为城市创造美好的建筑环境。
膜结构建筑分类：
1、骨架式膜结构（FrameSupportedStructure）
大阪博览会火鸟馆。
图片来源：
以钢材或是木材构成屋顶骨架后，在其上方张拉膜材的构造形式，其下部支撑结构稳定性高。
因屋顶造型比较单纯，开口部不易受限制，且经济效益高等特点，广泛使用与任何大、小规模的空间。
膜材也完全可以支撑在平面或空间结构上，如拱、网壳等，其材料可选用钢、木或铝合金。
像日本大阪博览会火鸟馆采用了钢结构的空间拱系，而位于同一地区的大馆穹顶，178mX157m卵形平面上以双向胶合木拱支撑着双层膜面。
在这些建筑中，由于骨架体系自平衡，膜体仅为辅助物，膜体自身的强大结构作用发挥不足，建筑的造型一般取决于支撑构架的造型。
2、
张拉式膜结构（TensionSuspensionStructure）
以膜材、钢索及支柱构成，利用钢索与支柱在膜材中导入张力以达安定
张拉式膜结构，图片来源：
形式，除了可实践具创意，创新且美观的造型外，也是最能展现膜结构精神的构造形式。
近年来，大型跨距空间也多采用以钢索与压杆构成的钢索网来支撑上部膜材的形式。
因施工精度要求高，结构性能强，且具有丰富的表现力，所以造价略高于骨架式膜结构。
3、充气式膜结构（PneumaticStructure）
日本东京巨蛋，图片来源
充气式膜结构分为气撑式和气肋式膜结构两种。
气撑式膜结构是将膜材固定于屋顶结构周边，利用送风系统让室内气压上升到一定压力后，使屋顶内外产生压力差，以抵抗外力。
因利用气压来支撑，及钢索作为辅助材料，无需任何梁，柱支撑，气撑式膜结构可得更大的空间，施工快捷，吗经济效益高，但需维持进行24小时送风机运转，在持续运行及机器维护费用上的成本较高。
气肋式膜结构，是由充气后具有拱形支撑能力并用膜肋分隔的独立密闭仓构成的屋盖体系。
它与气撑式相比的优越性是室内为常压气体环境。
4、组合式膜结构（CombinedMembraneStructure）
组合式膜结构通常在自身稳定的桁架体系上划分成若干个单元，每个单元上
布置张拉式膜结构单元，膜单元之间在受力上基本是相互独立的，可以认为是多个简单张拉式膜结构单体的物理组合，受力的复杂性介于张拉式膜结构与骨架式膜结构之间，这种体系在目
组合式膜结构,图片来源:
前膜结构体育场设计中也有较广泛的应用。
膜结构建筑的设计艺术：
膜结构建筑作为一种完全有别于传统建筑的新型建筑形式，其特殊之处在于膜结构本身的美学根源，即材料与技术和艺术的完美融合。
膜结构与众多大跨度结构一样，具有本身不可掩饰的结构美与材料美，因此膜结构为建筑设计带来的不仅仅是结构方面可以满足超大的跨度，也为建筑美学方面带来的前所未有的艺术改革与震撼人心的效果。
那些千姿百态的膜结构建筑，其由曲线、曲面塑造的形态比起司空见惯的矩形建筑来更生动活泼，既飘逸自然又刚劲有力。
膜结构建筑所表达的建筑语言特征呈现明显的“理性技术表现”的倾向，充满张力，成自然曲线的变幻膜体以及特有的大跨度自由空间，给人强大的艺术感染力。
膜结构强大的艺术表现力的深层内涵在于它艺术的真实性。
膜结构的美建立在自然美与技术美的结合上，其结合点是“力”。
FreiOtto说过，了解存在于自然之中的生成过程，人工的完成这种过程乃设计之道。
正是出于这种对于自然的崇拜与研究，FreiOtto创造性的发展了帐篷式建筑，并推动20世纪的膜结构建筑朝着更宽更广的方向发展。
膜结构建筑的造型缘于这种自然的灵感。
肥皂泡,图片来源:
唯物主义美学认为美是客观事物本身的属性，膜结构建筑形态恰恰是从自然事物的这一规律中寻找到的，Otto在膜结构的研究和形成过程中借鉴了许多自然现象，如水滴、昆虫、树枝、眼球、气泡等等，从而膜结构建筑的结构技术之美中孕育着自然美。
“膜结构建筑的灵魂是预张力”的论述，一语道破了膜结构建筑美的内涵所在。
建筑艺术是一种造型艺术，建筑美主要体现在造型上，造型设计以往都被称作“艺术”，按照美学思想的不同被分为不同的风格和流派。
但是富勒却“试图超越所有风格，超越设计师的个性化语言，而把它当成一种科学，即可以依据理性的原则进行的一种操作”。
这就是50年代富勒提出的“设计科学”的思想，又叫“形态学”，这同“理性技术表现”的提法是一致的。
在膜结构中，“找形”成为决定建筑艺术美的重要设计内容，必须由建筑师、结构工程师共同完成，打破了传统的“先建筑、后结构”的做法。
这正体现了“理性技术表现”的思想，使技术逻辑、结构语言成为了膜结构建筑艺术美的主要表现。
在这里结构与建筑、技术与艺术得到了完美的结合和高度的统一。
在膜结构中，自然美、技术美和艺术美，表现为自然美蕴含在技术美中，技术美又成为了艺术美的主要体现。
这三个层次上的美有机的结合构成了膜结构建筑之美。
膜结构建筑通过其合理的结构体系来表达建筑的体量与空间，当然结构本身就是造型。
所以膜结构建筑的美是建立在合理的结构体系基础上的技术美的体现：
另外一方面，膜结构建筑中结构本身也表达着一种艺术美：
合理的力流和结构架构所体现的造型的艺术美学。
结构成为技术美学和艺术美学的结合点。
膜结构建筑有力的推动了建筑设计方法的革新，改变了先建筑、后结构的设计方法，确定从整体出发的设计观念。
膜结构建筑技术性强，涉及到先进的设计手段、结构形式、材料、节点构造和施工技术，膜结构的外形是由对其施加的预应力所决定的，不同的预应力将对应不同的外形。
不定的形状与形状的确定是膜结构建筑设计最为重要的一个过程。
对于气撑式膜结构来说，充气之后的曲面主要是圆球面或圆柱面，可能没有太多的选择余地。
而对于以索或骨架支撑的膜结构，其曲面就可以随着建筑师的想象力而任意变化。
一般结构的建筑物，其形状往往是由建筑师确定的，膜结构则不同，首先它的变形比一般结构要大一些，其次它的形状是在施工过程中逐步形成的，有一个形状确定的问题，需要结构工程师的参与。
为了寻求合理的几何外形，这个过程通过计算机的几次迭代，就可确定膜结构的初始形状。
膜结构因其较强的材料非线性、几何非线性、风敏感性和大变形效应而完全有别于一般结构，一个典型的膜结构设计过程主要分为：
找形分析（Form-Finding）、荷载分析（Load-analysis）、裁剪分析（Patterning）三个步骤:
1）找形分析（Form-Finding）
找形分析又称为初始形态分析，主要内容是寻找并确定一个满足膜内力平衡条件同时又接近设计者预想造型的曲面。
膜结构找形分析又多种理论及方法，早期，人们用肥皂膜法和物理模型法；随着理论研究的深入和计算机的应用，找形方法越来越多，目前，较为成熟的方法主要有：
有限元法、力密度法、等应力法和动力松弛法。
2）荷载分析（Load-Analysis）
荷载分析主要是由找形确定的曲面形式在各种外荷载作用下其变形、膜内力的求解，从而进行安全性评价和结构选材选型。
这一过程主要包含结构静力分析和和风动力分析。
目前，较为成熟的静力分析方法主要是非线性有限元法，非线性有限元法理论考虑几何非线性和皱折影响，把膜材当成各向异性的弹性材料，所得结果基本满足工程需要。
风动力分析由于屋面形态的千变万化，体型系数难以确定，大部分安全系数高的结构都需经风洞实验才能确定。
3）裁剪分析（Patterning）
典型的用几何模型法得到的裁剪分析，图片来源；《从膜结构建筑看建筑技术和艺术的结合》
裁剪分析是膜结构设计中的一个关键步骤，就是在考虑预应力的施加分区、膜材的性能、幅宽及单元的剖分策略的前提下，寻找合适的裁剪线位置及其分布，确定裁剪式样，计算二维膜材的裁剪下料图的整个过程。
裁剪分析方法主要有：
物理模型法、几何模型法、平衡模型法。
膜结构建筑造型的美学特征：
整个自然界包括人类自身，都具有和谐、完整、统一、又不失单调这样的本质属性，反映在人类的思维意识中就会形成一种美学的判断标准：
即富有变化又富有秩序的形式能够引起人们的美感。
通过合理的技术手段表达建筑的自然美和艺术美是膜结构建筑的宗旨。
也源于这种美学的基本观念，膜结构建筑的美学特征归纳为以下几点：
1）曲线与曲面：
中国的传统审美不同于西方的严格几何学意义上的美学标准，中国的传统美学认为拓扑的造型比几何的造型更加适合自然。
现在也有越来越多的西方人士注重中国的传统哲学，试图从这一方面寻找建筑美学的新的发展方向，无疑膜结构建筑的探索成为这个方向的重要力量。
膜结构的曲线和曲面表达，图片来源：
膜结构建筑不同于其他建筑之处在于其结构体系的不同以及由此带来的曲线、曲面所表达的空间和造型效果。
其基于拉力传力体系的结构体系使得整个膜结构建筑的形象变得轻盈而飘逸，在膜结构建筑的设计建造中合理利用这个特性可以达到良好的视觉效果，同时也能与环境很好的融合，如德国的Muich奥林匹克中心的设计就是充分利用膜结构建筑的曲线、曲面的造型效果而取得良好的视觉效果和整体的与环境积极配合，是一个成功的例子。
2）平衡与稳定
平衡与稳定是事物适应客观世界的必然结果，因此平衡与稳定也是建筑造型的重要方法与目标，是自然美的体现。
奈尔维说：
“稳定是最带技术性的，最基本的结构性质。
”通过运用合理的建筑结构手段获得的稳定有利于取得良好的艺术效果。
膜结构建筑的美一方面体现在它的轻巧和以曲线、曲面所表达的全新的建筑形式，另一方面膜结构建筑的艺术性体现在有预张力体现的力的平衡上，这种平衡就是膜结构建筑设计需要体现的，符合力学的平衡成为膜结构建筑造型的基础，这种平衡包括各个视觉要素之间的力感的平衡，也包括结构的形式与空间体量的平衡。
而膜结构建筑的稳定是建立在这种平衡基础上的，这种稳定包括建筑本身
的稳定，也包括建筑在环境中的稳定。
对称是一种很好的体现平衡与稳定的方式，如Otto设计的德国联邦园艺博览会音乐台。
但是平衡与稳定并不意味着对称；庞大是稳定的最好的表现方式，但是膜结构建筑却用轻巧的形式去
巴尔的摩6号音乐厅，图片来源
创造这种美感，成为一种动态的平衡与稳定，形式也相当优美。
如巴尔的摩6号码头音乐厅。
3）韵律与节奏
韵律是指在视觉上引起的律动的效果，诸如造型、色彩等各种形式要素，在组织上合乎某种规律时所给与视觉和心理上的节奏感觉。
膜结构的韵律美，图片来源
膜结构建筑基于合理受力基础的简单基本单元的重负能取得很好的艺术效果，尤其在一些大型的项目中，如沙特阿拉伯的利雅德皇家体育场。
但是这种艺术效果的取得也不仅仅是造型上的简单的重复，这其中包括对力学、美学、施工等的全方面的综合考虑的结果。
同时在一些项目中也不可以一位单调的重复，膜结构建筑的另外一个特点是自由，尤其在其基本单元的体量上，因此在简单的连续的重复上进行一些可以的变化也会取得很好的艺术效果。
4）比例与尺度
世博轴的膜结构，图片来源
比例与尺度一直是建筑美学的研究的重要因素，在膜结构建筑中也是一样。
但是膜结构建筑由于其轻巧的屋顶体系消除了人们的压抑感，粗壮有力的支撑增加了人们的安全感，屋面的轻快与支撑的强壮形成了鲜明的对比，买这种在尺度上的夸张表现受到非常好的艺术效果，另外膜结构建筑创造的大空间也与其结构形式很好的对应，大而轻巧是对其的最多的评价。
所以膜结构建筑所体现出来的不同于传统的比例与尺度上的美感：
比例关系需要和采用的结构形势相对应，结构与建筑的比例与尺度有共同的语言表述特征。
5）精确与优化
建筑技术美主要体现在结构美，结构美学也就是结构形式的没学问题。
结构形式的没学问题主要体现在合理的受力强调理性逻辑和明确的几何形式即强调形式逻辑。
膜结构建筑美学的另外一个基础是建立在经过精确计算的结构美上的，这种计算包括对膜结构建筑的受力分析，也包括外形的计算机模拟分析，结构语言和技术逻辑成为膜结构建筑的表现手段；通过最少的材料来围合最大空间的一种结构形式，符合自然的内在的规律和选择结果，因此从这种意义上来说，膜结构建筑的美学评价也是建立在精确、经济、优化的标准的基础上的。
膜结构精确的结构节点，图片来源：
膜结构的精确与优化也体现在材料的应用上，尤其是膜材料，其透光性能更成为艺术表现的常用手段。
结语;
本文对膜结构、膜结构建筑的类型以及膜结构建筑的艺术性做了简要的介绍和分析。
膜结构的造型是自由而无限的，只要基于基本体系的合理的创造可以达到预想的效果。
建筑师对结构技术的合理运用是膜结构建筑成败的关键。
建筑师首先要了解的不仅仅是场地和文脉，在膜结构建筑设计中，设计师还需要了解建筑的可能的组成形式和结构应用形式，只有这样才能很好的完成一个合理的膜结构建筑方案。
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