轻型建筑与膜结构的发展及膜结构材料的特质

轻型建筑与膜结构的发展 

轻型建筑结构优化理论的源头可追溯至 19 世纪，物理学家詹姆斯・克拉克・麦克斯韦与结构优化专家 A・G・米尔率先奠定了该学科基础。此后，弗雷・奥托对轻型建筑概念展开系统研究，将遵循减少材料用量原则设计的建筑定义为轻型建筑。

所谓 “轻型”，即能承受较大荷载却自身质量较轻的物体，从本质上讲，轻型建筑旨在利用尽可能少且轻质的表皮材料来降低建筑负载。其构建逻辑为：构建形式催生结构，结构又自主塑造外部表皮形态，这种建造方式在古老游牧时代的原始帐篷中早有体现。当时以游牧为生的人们，为满足长途搬运帐篷的需求，已然意识到减轻结构重量的重要性。然而，进入定居时代后，建筑耐久性需求超越了轻便性，砖石与黏土等材料建造的永久性建筑兴起，致使轻型建筑发展陷入停滞。直至 1937 年，由 Le Corbusier 设计的巴黎世博会展览中心落成，这座具有里程碑意义的膜结构建筑重现原始帐篷的设计理念，标志着由膜材与钢结构组合而成的全新建筑结构体系正式开启了新征程。 

膜结构作为建筑结构领域的新兴力量，自诞生起便极具时代特色与代表性。相较于传统建筑结构，它更像是建筑学、结构力学、精细化工、材料科学与计算机技术等多学科融合的结晶。膜结构由高性能、高强度织物（如玻璃纤维布）与加强构件（钢架、钢梁或钢索等）构成，通过施加特定预应力，赋予柔性构件一定刚度，从而实现大跨度空间的覆盖。凭借材料自洁性、合理造价、施工周期短、可覆盖大跨度空间以及造型自由等诸多优势，膜结构自 20 世纪 70 年代起迎来迅猛发展与广泛应用，无论是体育场、露天剧场、机场大厅、展览中心的屋顶等大跨度空间，还是交通站台、建筑小品、音乐广场等小跨度场景，都能看到它的身影，著名的蒙特利尔世博会德国馆、慕尼黑奥林匹克体育场便是其中典范。

膜结构建筑的类生命性

带来亲生物体验的建筑 

膜结构建筑是轻型建筑中极具代表性的建筑类型之一。1964 年，德国心理学家埃里希・弗洛姆首次提出亲生物性概念，指出人类天然会被有生命的事物吸引，产生不自觉的心理痴迷。膜结构凭借柔软、弹性的特质获取自身刚度，这使其在建筑外形与结构模式上天然具备生命感与流动感，拥有独特的亲生物性。 

充满生命律动感的建筑 

膜结构建筑的类生命性不仅体现在建构过程，在结构模型与外形上也有所彰显。其一大显著特点是生命周期相对短暂，从建造、运营到最终消亡，迭代周期类似生命体。这种短暂性也意味着膜结构建筑具有可修改与可变的特性。以气膜版火眼实验室为例，设计者引入 “摩尔定律” 阐释建筑理念。“摩尔定律” 原指芯片体积缩小的同时处理性能提升，被引申到建筑领域后，预示未来建筑或不再局限于钢筋混凝土，而是发展为可移动式充气膜结构模块化体系，实现建造能耗降低、智慧程度提升，具备类似生命体生长的特征。气膜火眼实验室借鉴双层细胞膜的仿生构造，创新采用充气拱形结构，成为 “像生命体一样会呼吸” 的气膜建筑，是运用 “摩尔定律” 打造的极致之作。