跨入新世纪的中国, 正在以前所未有的规模和速度, 加快迈向世界先进国家的步伐, 交通建设首当其冲。机场、铁路枢纽、地铁、高速公路收费站等顺应时代发展的系统工程日益成为提升基础建设、改造交通设施中的重要环节。如何将作为新时代发展标志的交通设施建筑以崭新的建筑形象和结构形式, 配以更先进的建筑材料来进行设计和建设则成为建筑师和投资商共同感兴趣的问题。自古至今, 人类使用各种材料兴修建筑, 砖、石、木材、玻璃等一直作为主要的建筑材料。20世纪60年代末, 随着张力结构技术这项独特而且又极为复杂的技术逐渐获得世界范围内的工程界的广泛认可, 并应用于各类建筑, 使得膜材这种耐用性高、能为室内空间提供自然光照明、外表美观、防火性能好而且强度高的材料, 正日益成为永久建筑材料并被应用于实际工程中, 均取得了不凡的效果。1997年竣工并成功举办中华人民共和国第八届全国运动会的上海八万人体育场是中国第一个采用膜材作为永久覆盖材料的建筑。以此为契机, 膜结构逐渐为国内建筑界所了解。如今, 因其将艺术性、实用性、经济性很好的结合在一起, 作为一种建筑创作潮流, 已经被越来越多的应用在体育场馆、展览设施、交通设施、商业等重大工程中, 这种具有新空间概念的结构建筑成为城市新的一大景观, 并受到公众的普遍认可。

“轻”已成为建筑美的一大特点, 是新的建筑技术的体现, 使观众和使用者都从沉重的结构感觉中解放出来。“轻”的表现倾向于向大空间架构方向发展, 用大空间架构来表现轻的感觉成为一种世界流行的趋势。目前, 各国建筑师都采用独特的手法以获取这种轻的效果, 而膜材成为建筑师们的首选材料, 将这一新材料的亮丽质感和整体结构的轻快飘逸完美的结合在一起。张拉膜结构体系的基本组成单元为支承柱, 张拉索及膜材。钢索在周边对膜施加张拉应力形成双曲抛物面的受力状态, 膜片兼有结构受力与建筑屋盖隔断室内外环境的双重功效。张拉膜结构自身重量轻, 仅为钢结构的1/8, 混凝土结构的1/40。膜结构对水平方向作用的地震力与风力有良好的适应性, 结构自身有吸收地震力与风力的机理。

作为一种柔性材料, 其在建筑上的造型变化多端, 是其它材料所不能比拟的, 因此也造就了膜结构不重复, 多变化的特性, 这使撇除以往地位显赫的直线造型成为可能。充分自由的建筑形体塑造力和轻盈、飘逸的动感曲线外观, 既能与周围环境极其自然的融为一体, 又可以在周边大量矩阵建筑空间序列起到“画龙点睛”和“提气醒神”的效果。材料的多系列色彩进一步丰富了建筑的整体造型, 材料的色彩同时具有很好的色牢度和耐久度, 使膜结构建筑完全摆脱了一种单色调枯燥重复, 使得交通建筑更丰富多彩。特别是新出现的金属色泽的面料, 代表了建筑的最新潮流, 建筑表面既保持有金属的质感, 同时又能实现各种金属硬质材料无法实现的造型。

膜结构除了在视觉上、重量上体现出其轻巧度外, 膜材本身的半透明度与混凝土或钢质顶盖的不透明的效果形成了截然不同的效果。后者使活动区域变得昏暗, 使明、暗区之间产生令人不适的明暗反差。膜材的半透明度给人的视觉带来了极大的舒适, 其透光率1021%, 从而提高了免费的日光照明, 节约白天光照能源。穿过膜的光线被完美的散射, 再现了其下空间的真实色彩。膜材的高反射率 (75%左右) 避免了大量的热辐射, 减少了热量的传递, 其遮荫系数为0.12左右, 这在目前市场上高反射率的玻璃材料中也属罕见。

正是膜材半透明这一特性使得膜结构在夜间成为一道亮丽的风景线。通过灯光调控, 膜顶通透发光, 可形成异彩纷呈, 有别与传统建筑的独特夜景效果, 从而具有极强的建筑可识别性和标示性, 其景观效应是任何其他形式的建筑所达不到的。我们可以想象如下的场景:在夜晚, 每个膜结构收费站都构成一个亮点, 通过运动的汽车连接起来, 无疑成为一串最亮的明珠。

从近几年国内诸多膜结构实例来看, 法国法拉利公司生产的PVDF涂层膜材得到了广大业主及建筑师的认同, 使用中取得了良好的效果。从材料本身结构来说, 依靠着生产商发明的预应力专利。法拉利材料布基的高强度纤维的经线和纬线, 在生产和涂层过程中始终受到预张拉, 同时留出更多的空间进行涂层 (见图1) 。通过德国ENKA实验证实, 面料涂层的厚度与面料的寿命直接有关联, 在达到一定的涂层厚度后, 面料的剩余强度在十年内没有任何变化。

近三十年, PVDF被广泛应用在全世界著名建筑的外表覆盖上, 被证明是保护建筑外观, 抗污染, 防老化的有效屏障。在光亮持久性和色牢度上优于其他表面处理 (见图2、图3, 表面使用PVDF涂层的沧州西和黄骅南) 。PVDF涂层的化学组成造就了一个所谓的疏水表面, 雨水会在其表面结成水珠脱落, 于是膜布表面得到了自然清洗, 这样膜布能够保持其最初的仪表, 惰性的特性有助于抵御泥沙和污染。在所有的建筑材料中, PVDF的摩擦系数排在最小之列, 因而它在使用期间能保持清洁诱人的外表。涂有100%PVDF的表面处理具有防止变色;防止白垩化;抗大气暴露 (腐蚀, 由紫外线引起的变质) ;抗霉;持久机械性能抗时间的考验;保持建筑的透光性能等优越性能。

PVDF涂面膜布1982年就被应用于建筑行业, 迄今其应用范围已达数千万平方米, 种种因素表明, 这种膜材料是结实耐用的。膜布在加速风化测试和十几年实地使用测试中表现优良, 测试和实际经验证明, 涂有高纯度PVDF膜材 (所谓不可焊接PVDF涂层膜材) 的平均寿命可长达30年, 甚至更长的时间。迄今为止, 所有的工程实例证明了膜结构的耐久性。

和谐的结构和动态美感来源于设计师和膜结构工程师的密切合作。眩目而壮观的建筑有赖于制造人员、厂商和有经验安装人员的配合。张力膜结构的安装取决于地点、人力和设备的要求。通常情况下, 预先在工厂制成大块膜布并实施实地有效管理, 现场作业时间及整个系统的其它开销就会减少, 这能使建筑及时被遮盖, 室内的装修可尽快展开, 对于较大规模的建筑, 每次安装的膜块可为10001500平米不等。整个安装过程比其它屋面材料可节约工期约7080%, 节约的施工费用亦相当可观。膜结构一旦安装完毕, 在使用期间如无意外事故无需维护, 而常规屋面材料在两年后就需要有维护的必要。

越来越多的建筑师和规划师对于建筑与环境保护的关系表示关注。而膜结构则完全符合环境保护和再生循环原则。特别是前文所提法拉利公司发明了TEXYLOOP专利, 使得膜材在到达其寿命后, 通过专利工艺可以进行完全的分解。从生产线分离的布基和PVC颗粒可以马上直接应用于无纺布的织造工业和塑料加工工业, 从而不造成对环境的污染。

作为欧洲发达国家, 法国的交通发展代表了世界发展的趋势, 法国拥有世界一流的高速列车, 但法国的公共交通设施基本上全部是19世纪建造的, 显得十分陈旧, 与先进的交通工具不相匹配。因此法国国家公共交通部门首先开始了对交通设施的改建。考虑到需要提供给过往旅客更多的接待空间和休闲空间, 使旅客有更舒适的感受, 提供更多的方便 (高速列车与公交、地铁直接相连) 。在比较了各类方案后, 这种半透明屋顶特性提供的室内自然采光和屋顶平面外观视觉美感, 成为首选。自此, 一个个新的膜结构车站开始在整个法国诞生:巴黎里昂高速列车站;欧洲之星高速列车站 (从法国至英国, 跨越整个英吉利海峡) ;法国MASSY-PALAISEAU高速列车站;里昂高速列车站;里昂交通枢纽中心站;法国贝斯特市火车站;法国波帝市火车站;法国Strasbourg公共交通枢纽站。

继此之后, 在法国的其他城市, 新的一轮膜结构交通枢纽正在建造, 欧洲之星高速列车站 (从法国至英国, 跨越整个英吉利海峡) 法国MASSY-PALAISEAU高速列车站, 车站内景同样, 高速交通收费系统也成为一大改造亮点。收费站往往被简单地视为收费机器, 而且是匆匆一过, 所以没有人能够停下来仔细地对建筑进行观赏。卡布里奥收费站却改变了常人的看法, 轻巧的结构, 优美的曲线, 以及蓝色的色调, 当之无愧的为它赢得了欧洲的结构设计大奖。自90年代以来, 膜结构在国内交通设施建设中得到了广泛的应用, 尤以高速公路收费站为多。各类丰富的造型和色彩也越来越多的点缀着陆地交通网络, 成为真正的一道亮丽风景线。

但是由于膜结构行业在国内没有任何资质要求, 质量水平参差不齐, 以次充好, 以假乱真的情况也屡有发生, 严重地也曾发生过结构和膜材被风撕裂吹跨的事故, 因此需要真正重视这一问题, 规范好高速公路收费站的建造。

膜结构作为一种建筑创作潮流, 已经被越来越多的应用在体育场馆、展览设施、交通设施、商业等各类建筑设施等重大工程中, 这种具有新空间概念的结构建筑成为城市新的一大景观, 并受到公众的普遍认可。也将会是用来建筑高速公路收费站的一个亮点。不久的将来就会运用广泛。