膜结构建筑是以高强度柔性薄膜材料(PVC、PTFE或ETFE等)与钢索、支柱等支撑体系结合,通过预张应力形成稳定曲面空间且能承受一定外荷载的空间结构形式。
膜结构的设想最早可追溯到1917年英国Willian Lanchester应用于野战医院的充气帐篷,1946年美国Walter Bird首次建造了直径15m的充气穹顶,1967年德国F.Otto设计的蒙特利尔展览会西德馆索膜支承膜片结构开启了现代膜结构技术的应用和发展。我国膜结构建筑应用始于1996年前后,此后在各类建筑中得到了迅速发展。
膜结构建筑常见的有三个类型。分别是张拉膜结构、充气膜结构和骨架式膜结构。其中张拉膜结构是依靠膜自身的张拉应力与支撑杆和拉索共同构成机构体系,造型自由,可创造出各种张力自平衡、复杂且生动的空间形式,适用于体育与娱乐性场馆、商场、餐厅等建筑;充气膜结构是通过向膜内充气,使膜面在空气压力作用下形成一定形状,可分为气承式和气囊式两种,气承式充气膜结构是依靠室内外空气压力差来维持膜面形状,气囊式充气膜结构则是通过多个独立的气囊来支撑膜面,常用于体育馆、展览馆、仓库等建筑;骨架式膜结构是以钢骨架、木骨架等为支撑结构,将膜材固定在骨架上形成建筑空间,造型较为简洁,施工相对容易,适用于小型建筑、景观小品等。
膜结构建筑相较于传统建筑,优势还是非常明显的。膜结构建筑材料具有质轻、透光、柔韧姓高等特性,其依靠预应力形态而非材料来保持结构的稳定性,自重比传统建筑结构小得多,可减轻基础负担,且便于运输和安装,且膜材的透光性可为建筑提供所需照度,实现自然采光与人工采光的综合利用,节约能源,同时在夜晚能使膜结构变成光的雕塑,在风荷载或雪荷载作用下会产生变形,通过变形来适应外荷载,可产生很大位移而不发生永久性变形,能有效抵抗荷载;膜结构建筑的雕塑感强,且具有超高的安全性,其独特曲面外形使其具有强烈的雕塑感,膜面通过张力达到自平衡,高低起伏的负高斯膜面使体型较大的结构看上去轻盈地飘浮于天地之间,膜结构建筑是按照各国规范和指南设计的轻型张拉膜结构具有足够的安全性,在地震等水平荷载作用下能保持稳定,且自重轻,意外坍塌时危险性较传统建筑结构小;膜结构的建筑还具有节能环保,施工便捷等多种优势,膜材生产过程中碳排放量相对较低,施工过程简单快捷,减少了建筑垃圾的产生和运输过程中的能耗;同时,膜材良好的隔热性能能降低空调和取暖能耗,膜材裁剪、拼合成型及骨架的钢结构、钢索均在工厂加工制作,现场只需组装,施工周期比传统建筑短。
膜结构建筑应用领域广泛。常见于体育场馆、商业建筑、文化展览建筑、交通建筑和景观建筑等场景。在体育场馆领域内的典型案例,如上海八万人体育场、盘锦体育场等,膜结构可提供巨大的无遮挡可视空间,满足观众的观赛需求,同时其独特的造型也为体育场馆增添了独特的魅力;在商业建筑中,用于商业街、购物中心、商场入口等,轻巧别致的膜结构既能体现现代化风格,又能提供良好的广告标识效果,还可根据需要进行安装移动;在文化展览建筑中,如博物馆、展览馆等,膜结构的透光性和独特造型可为展览营造出独特的氛围,使观众在参观过程中获得更好的体验;在交通建筑中,常见于机场、车站的候机大厅、雨棚等采用膜结构,不仅能满足功能需求,还能为旅客提供舒适的等候环境,同时展现出现代化交通枢纽的形象;在景观建筑中,常见于公园、广场、绿地等场所,膜结构可用于建造景观小品、遮阳棚、休息亭等,为人们提供休闲娱乐的空间,同时美化环境。
膜结构建筑具有长远的发展空间。目前在技术革新方面的举措是2025年气膜馆将推行国家标准,集成智能温控/通风系统提升能效。在跨界融合方面计划扩展至文化领域(气膜音乐厅)、应急医疗(快速部署实验室)。在智慧城市发展中,作为物联网节点,参与环境数据收集与节能管理。膜结构凭借其艺术性与功能性的统一,持续重塑建筑边界,未来将在可持续设计与智慧化应用中发挥更大潜力。