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国家体育场膜结构设计

随着材料的发展，在帐篷结构所用的覆盖材料逐步发展演变，生成了各种大跨度结构，其中使用有机树脂类材料作覆盖材料的建筑，成为膜结构建筑。膜结构也随着有机树脂材料的发展而发展，形成现代膜结构。

中国建筑设计研究院 2008-04-22 邱涧冰

膜结构建筑的发展和特点

人类使用的帐篷结构即是膜结构的前身。在龙骨上覆盖上柔软的毡布或动物的毛皮就构成了原始的帐篷类结构，蒙古包、雨伞均是这类结构形式。它体现了这种结构的特点：充分利用材料的特性制造出轻盈、透光、有一定跨度、易于安装、拆卸和搬运。随着材料的发展，在帐篷结构所用的覆盖材料逐步发展演变，生成了各种大跨度结构，其中使用有机树脂类材料作覆盖材料的建筑，成为膜结构建筑。膜结构也随着有机树脂材料的发展而发展，形成现代膜结构。

现代膜结构最初是在德国发展起来的，其基本特点、力学特性、设计方法和其作为结构体系的潜力也是在德国得到研究的。膜结构建筑在20世纪50年代开始出现，到70－80年代开始迅猛发展。一般认为1970年日本大阪举行的万国博览会上的美国馆是膜结构建筑历史上的一个里程碑。

膜结构属于柔性结构,具有轻质、薄而柔软的特性，在建筑造型上能创造出新颖独特的形式，与传统的刚性结构有很大的不同。由于膜材的透光性使膜结构的内部形成明亮的空间，单位面积内相对较轻的重量使其能轻易地跨越较大距离，形成完整的大空间，其结构形式具有很强的适应能力。可应用于体育场馆、展览馆、会议厅、机场候机厅等对大空间有需求的建筑和街景小品等构筑物。

各种类型的膜结构形式在受力分析、设计构造、制作安装等方面难易程度有很大不同，应用上也不尽相同，但它们有如下共同特点：造型丰富、优美；充分利用自然光源，减少能源消耗；自重轻；施工速度快；使用安全可靠；日常维护费用小，经济效益明显；易做成可拆卸结构，易于运输，可用作巡回演出、展览等；使用范围广，从气候条件看，它适用于从阿拉斯加到沙特这样广阔的地域；从规模上看，可以小到单人帐蓬、花园小品，大到覆盖几万、几十万平方米的建筑。

国家体育场膜结构设计情况简介

国家体育场的屋面由钢结构和膜结构共同组成。它们为体育场的场内看台区域和场外的各层观众的集散大厅提供了遮挡风雨的功能。在白天，膜结构的透光性使比赛场内有足够的亮度又避免产生强烈的阴影，平滑过渡的膜面在看台上空形成了一个平滑的、略有弧度的膜结构吊顶，遮挡了钢结构内繁杂的结构构件和设备管线，使观众的注意力能更关注于场内的比赛之中。膜结构吊顶材料的吸声特性也有助于改善场内的声学环境。

国家体育场的膜结构由两部分构成，上层镶嵌在主体钢结构上层钢梁区格之间的ETFE膜结构和下层悬挂在主体钢结构下层钢梁下面的PTFE膜结构吊顶。

国家体育场外层ETFE膜结构采用单层的ETFE膜结构。它是不同大小的板块镶嵌在上层钢梁构成的格构内而不是覆在钢结构的外表面，和钢结构一起组成国家体育场的屋顶维护结构和外立面的一部分。透明的ETFE膜和钢结构形成强烈的对比，突出了钢结构的雄伟。同时尽可能地为体育场增加光线的透过，使场地内在白天能有足够的光照。ETFE膜结构的设计是国家体育场设计中的一个突出特点之一。

PTFE膜结构的构造做法与ETFE不同，PTFE做成独立的单元，悬挂在下层钢结构的下侧，并经过一个圆滑的过渡，结束在看台的后边缘。PTFE膜结构的作用是在体育场内形成一个均匀的顶棚。这个顶棚既起到遮挡钢结构内纷乱复杂的设备管线，使投影在场地内的阴影均匀，为电视转播制造出良好的视觉效果；半透明的PTFE膜又不至于由于膜材的透光率太低而使场地内阴影区的光比过大；同时，内层PTFE膜材选择的是具有吸声功能的膜材，为场内创造良好的声学效果。因此国家体育场的PTFE膜结构也被称作PTFE声学吊顶。

设计的基本原则

在国家体育场的膜结构设计中，有一些设计的基本原则，这些原则构成了膜结构设计的要素存在并被努力遵守。

二分之一旋转对称：国家体育场的钢结构由24组主钢结构、次钢结构和立面大楼梯钢结构组成。其中主结构呈四分之一对称；次钢结构和立面大楼梯钢结构呈二分之一旋转对称。总体上，钢结构和膜结构呈二分之一旋转对称。即对于所有膜结构板块，均有两块完全一样。这不止适用于钢结构和ETFE和PTFE膜结构的板块形状，也适用于膜结构板块内的布置。

天沟：天沟是ETFE膜结构的边缘支撑构件，也是膜结构和钢结构之间的连接构件；也是收集膜结构排水的构件，同时也是屋面检修的检修通道。天沟宽320mm，高200mm，垂直于钢结构梁的侧壁，由钢板制成。

天沟后退950mm：天沟的底面距离钢结构上缘950mm，同时ETFE膜结构的最高点尽量不高于钢结构的外表面以突出钢结构的外观。在中标的膜结构承包商进行ETFE膜结构深化设计时，ETFE膜结构优化为延钢结构曲面上的平膜方案。新的优化方案进一步突出钢结构的外观。

拱式结构、索：拱式支撑结构ETFE膜结构板块的中心处于板块的最高点，膜下面的拱和膜表面的压索也使ETFE膜结构的跨度大为减低，达到ETFE合理的单元尺寸，对膜结构承受风荷载、雪荷载等受力和雨水的顺利排出有利。在膜结构承包商的ETFE膜结构优化方案中，拱形的膜结构改为平板式膜结构，拱式支撑结构改为梁式支撑，梁和在膜内的索共同将所受的力传递给主结构。

立面和屋顶的划分：由于体育场的屋顶通过一个光滑的曲线向立面过渡，形成一个肩部区域，钢结构在肩部分割出来的梁空形成的板块处在这个光滑的曲面上，其形状、大小也不尽相同。判断肩部板块是属于立面板块还是屋面板块的方法是依据以下原则：以屋面的水平投影的最外缘线作垂直面，与肩部板块相切。垂直面将每一个肩部板块分成上下两部分。然后对每个板块进行判断，将上下两部分的面积进行比较，上面部分的面积大于下面部分的板块属于屋面板块；上面部分面积小于下面部分的面积的板块属于立面板块。所有屋面板块均覆盖ETFE膜结构。

26度线：肩部区域的屋面板块的坡度变化剧烈，并不是所有的板块都适合将雨水进行收集。考虑到雨水斗的实际安装条件和坡度变化对雨水实际收集的效果的影响以及雨水斗设置对整体建筑外观视觉效果的影响，以肩部钢结构坡度为26度处做一条连续的分界线，这条线被称为26度线。在26度线以里的区域的雨水通过雨水斗进行有组织排水；以外区域为无组织排水。由于存在仅有极少部分被26度线划在有组织排水区域而排水量非常少，设置雨水斗比较浪费且排水效果不明显的板块，最终对26度线进行了少量的手工调整，将这些板块划入无组织排水的区域。为了保证在屋顶上活动人员的安全，在钢结构表面设置屋面安全防护系统，屋面安全防护系统的截止点被设置在肩部26度线内一米的位置。

上下板块对齐：主体钢结构上下钢结构的中心线处在一个垂直面内。膜结构的ETFE和PTFE的板块也是上下对齐。由于ETFE在梁空处；PTFE在梁下，以钢结构的中心线分开，因此ETFE板块和PTFE板块的形状相似，PTFE的面积稍大于ETFE板块。（PTFE肩部与ETFE板块不同）PTFE和ETFE的支撑结构上下对齐，对应的支撑结构处在一个垂直面上。

平滑的PTFE膜结构表面：PTFE膜结构位于下层钢结构的下表面以下600mm的位置，是一个连续平滑的曲面，并收于看台的后边缘。PTFE膜结构依据钢结构的中心线的垂直面被分成大小不同的板块。

100mm宽分缝：依据国家体育场热舒适度CFD的模拟计算结果，PTFE膜结构的板块之间被要求保持宽度100mm的缝隙以满足体育场内的热舒适度要求。

设计中的一些问题

清洁：对于具有透光性能的材料，保证其透光性是维护的重要工作之一，国家体育场使用的PTFE和ETFE材料本身具有良好的自洁性，在膜材表面不易沾上灰尘，在降雨时落在表面的灰尘在雨水的冲刷下会很容易被清洁。因此在国家体育场的外层ETFE膜结构采用自然降雨进行清洁；对于内层的PTFE声学膜，因为有外层ETFE的保护，不会遭受雨水的侵淋；同时其表面布满微小网眼不宜采用水清洗的方法，因此PTFE吸声膜采用吸尘的清洁方式。

防鸟：与以往的建筑材料不同，鸟类在ETFE膜材表面的活动会损坏ETFE膜材；两层膜结构之间有开口，使鸟类可以很容易的飞进去，鸟类的排泄物及死亡鸟类的尸体会增加对PTFE和ETFE膜材的污染，增加清洁的难度；在两层膜之间的鸟可能会因为场内观众的噪声受惊，产生混乱向上飞而破坏ETFE膜。因此如何防止鸟类对膜表面的破坏是一个课题。根据膜材料厂家的资料和在欧洲的实际工程经验，ETFE膜材对于鸟类不是透明的，鸟类会在飞行中规避膜材；由于膜材表面的光滑程度很高，鸟类一般不会在膜材中间停留，而选择在膜材的边缘停留，因此欧洲的一些膜结构建筑在膜材的边缘放置防鸟线来防止鸟类的停留。对于国家体育场，在两层膜结构之间的间距有12米，巨大的开口无法用物质手段将内部完全封闭，因此只有采取措施防止鸟类飞近体育场才是有效的方法。在机场使用的驱鸟声纳就是一种较好的驱鸟手段，这种设备在欧洲的膜结构建筑中也有使用的实例。

焰火：从膜材的防火性能上说ETFE膜材是难燃的材料，但是由于其融化温度较低，因此应尽量避免使焰火接触到膜材表面而破坏膜材。焰火的燃放可以采用高空燃放的焰火或者采用冷烟花等形式，避免对膜结构的破坏。