關于ETFE膜結構建筑——“水立方”的分析

膜結構是一種古老的結構型式，它具有輕盈，纖薄，柔軟的質感，與傳統(tǒng)的混凝土有明顯的區(qū)別，常常能給人以耳目一新的藝術感受。 膜結構屬于柔性材料，膜材本身的受彎剛度幾乎為零，但通過不同的支撐體系可以使薄膜結構承受張力，從而形成具有一定剛度的穩(wěn)定曲 面。膜結構能夠從根本上克服傳統(tǒng)結構在大跨度建筑上實現(xiàn)所遇到的 困難，可建造出巨大，明亮，無遮擋的可視大空間。膜結構突破了傳 統(tǒng)的建筑結構形式，可形成各種自由空間曲面，不重復，多變化。這 也是薄膜結構更具有藝術性的一個原因。例如在上海世博會世博軸膜 屋面正是應用了這種特性，才建出了輕質大跨度的結構。除了這些在建筑結構上的特性，還有以下在物理與在實際生活上的特點。

<1>具有優(yōu)良的力學特性。膜結構的受力為單純受拉，膜材只承受沿 膜面的張力， 因而可充分發(fā)揮材料的受拉性能。    它是跨度重量比最大 的一種結構， 且單位面積的結構自重與造價不會隨跨度的增加而明顯 地增加。

<2>膜結構透光自潔，減少能源消耗，降低維護費用。膜結構是半透 明的織物，透光率一般可達    4％~16％，能夠滿足大跨度建筑在平時 使用時利用自然光的采光要求，    白天幾乎不需要人工照明。但是冬季太陽光對于膜結構屋蓋內部的氣溫升高效應不大，而夏天卻相反，膜結構的室內氣溫比室外高出5—10 度，有時會使人感到明顯的不適。 因此，膜結構多采用反射能力強的淡色材料。

<3>使用范圍廣，可拆卸，易運輸。從氣候條件看，它適用于廣闊的 地域；從規(guī)模上看，可以小到花園小品，大到覆蓋幾萬，幾十萬平方 米的建筑。膜結構可作巡回演出，展覽等臨時建筑，其拆卸和安裝所 需時間短。

在中國有一個膜結構的完美體現(xiàn)——水立方?！八⒎健?是世界上最大的膜結構工程， 除了地面之外， 外表都采用了膜結構———    ETFE 材料，藍色的表面出乎意料的柔軟但又很充實。    “水立方”不僅是一 幢優(yōu)美和復雜的建筑，她還能激發(fā)人們的靈感和熱情，豐富人們的生 活，為人們提供記憶的載體。因此設計中不僅利用水的裝飾作用，同 時還利用其獨特的微觀結構。采用在整個建筑內外層包裹的ETFE 膜（乙烯 -四氟乙烯共聚物）是一種輕質新型材料，具有有效的熱學性能和透光性，可以調節(jié)室內環(huán)境，冬季保溫、夏季散熱，而且還會避 免建筑結構受到游泳中心內部環(huán)境的侵蝕。更神奇的是，如果ETFE 膜有一個破洞，不必更換，只需打上一塊補丁，它便會自行愈合，過 一段時間就會恢復原貌！這種膜結構的保溫隔熱構造不同于普通的 保溫構造方式。 通常，建筑的保溫隔熱通過墻體附加保溫隔熱層來實 現(xiàn)， ETFE 膜結構的保溫構造原理類似于中空玻璃幕墻，熱量從室外 向室內傳遞要經(jīng)過以下過程：室外空氣→外層玻璃外表面→外層玻璃→外層玻璃內表面→中間空氣層→內層玻璃外表面→內層玻璃→內 層玻璃內表面→室內空氣。由于經(jīng)過多層阻隔， 室外的熱空氣經(jīng)過消 耗，從而達到隔熱的效果。相同，當室外空氣溫度低于室內空氣時， 室內溫度較高的空氣傳出室外也會經(jīng)歷相似的過程，    從而有效的減少 了室內熱量想歪散失，從而達到保溫效果。這種材料的運用，明顯可 以使建筑顯得輕盈和通透，這也是其他材料無法媲美的。

而“水立方”結構幾何體的基本模型是基于優(yōu)化改良的多面體 組合建立起來的。 其幾何體是這樣形成的：    首先生成一個比水立方建 筑的的更大的多面體陣列，再把這個陣列圍繞（0,0,0）——(1,1,1) 矢量軸旋轉60°，在多面體陣列中切出    176.5389m× 176.5389m× 29.3789m 立方體的建筑外形。然后在立方體的內部挖去內部使用空 間，這樣便切出了屋蓋和墻體結構。多面體單元在兩個切割平面上切 出的屋蓋結構的上弦、下弦桿件和墻體結構內外表面弦桿，    兩個切割 平面之間的多面體棱邊便為結構的腹桿?！八⒎健?也運用了新型的多面體空間鋼架結構，這種新結構則由復雜的類WP 多面體單元填充的實體減去不需要的空間而得到，基本類WP多面體單元一個角點(即結構中的節(jié)點)上只有四條邊    (即結構 中的桿件 )與之相連 ,而傳統(tǒng)網(wǎng)架一個節(jié)點上至少有6根桿件與之相連 , 角點形式只有三種,一共只有四種邊長，類WP 多面體陣列經(jīng)旋轉、 切割形成結構的屋面和墻面后,與表面上節(jié)點相連的桿件數(shù)最多為6根。這種幾何構成的結構體系當桿件之間鉸接時幾何可變 ,不能承受外荷 載,因此多面體空間剛架結構的桿件之間必須剛接 ,才能形成結構承受 外力，其桿件內力除了與普通網(wǎng)架一樣有軸力外 ,還有雙向彎矩、雙 向剪力和扭矩  ,與剛架桿件相似 ,因此稱之為剛架。