材料与细部专辑｜程艳春&张锦斌：气膜材料

摘要：在现代建筑与艺术装置的交汇处，材料与技术的创新正不断拓展设计的边界。气膜材料，作为一种轻质、高强、透光且造型灵活的新型材料，逐渐从传统的建筑辅助角色跃升为设计中的核心元素。本文以北京CBD泰康美术馆内的“母体”装置为例，探讨了气膜材料在复杂城市环境中的创新应用

在现代建筑与艺术装置的交汇处，材料与技术的创新正不断拓展设计的边界。气膜材料，作为一种轻质、高强、透光且造型灵活的新型材料，逐渐从传统的建筑辅助角色跃升为设计中的核心元素。本文以北京CBD泰康美术馆内的“母体”装置为例，探讨了气膜材料在复杂城市环境中的创新应用。

通过建筑师程艳春与结构工程师张锦斌的紧密合作，这一装置不仅突破了空间限制与承重挑战，还以独特的三层气膜结构创造了一个悬浮于空中的可进入式空间，赋予观众一种回归母体般的柔软体验。作为全球首次实现的双层气膜载人结构，“母体”不仅展现了气膜材料的巨大潜力，也为未来建筑与艺术装置的设计提供了全新的可能性。

本期为您奉上的是程艳春与张锦斌，对“母体——TA们的共享客厅”装置中使用的气膜材料的深度剖析，揭示气膜材料在建筑美学与功能性上的深远意义。

非常感谢 CPLUS将以下内容授权gooood发行。更多关于他们请点击文末“阅读原文”。

作者：程艳春（建筑师）/ CPLUS X 张锦斌（结构工程师）/LAVA

“母体——TA们的共享客厅”：泰康美术馆空间装置 / CPLUS

项目完成效果，点击蓝色链接查看

“母体”装置概览 ©朱雨蒙

气膜材料是指一种由特殊材料制成的、能够通过气体压力维持结构形状的膜材料。也是一种具有优异性能的高分子材料，因其轻质、强度高、耐腐蚀、良好的气密性和透气性等特点，广泛应用于建筑工程、空气过滤、航天航空、包装材料、医疗行业、运动装备、交通运输等多个领域。膜材料在建筑上的应用越来越广泛，主要因其轻质、高强度、透光性好及造型灵活、快速施工等特点，在全球范围内被广泛应用于各种建筑类型。

以前，建筑界在很大程度上膜材料视为劣质建筑材料，在全尺寸建筑应用中并不实用。但随着技术创新推动材料能力向前发展，膜材料现在被逐渐认真对待，成为建筑师整体设计的组成部分。这些膜材料中使用最广泛的一种是称为 ETFE（乙烯四氟乙烯）的氟基塑料。比如2008 年北京奥运会的体育场管“水立方”，膜材料进入了公众视野，建筑师们现在正在意识到这是一种新的美学，并可以取代更昂贵的透明和半透明材料。其它的膜材料著名应用案例有慕尼黑奥林匹克体育场 (Munich Olympic Stadium)、The Shed、The Eden Project、安联体育场、2015年的蛇形画廊等等。

采用膜结构著名建筑案例：水立方（左上）；慕尼黑体育场（右上）；The Shed艺术中心（左中）；伊甸园计划（右中）；安联体育场（左下）；2015年蛇形画廊（右下）© flickr user garrettziegler, Licensed under CC BY-NC-ND 2.0 / Sandro Halank, Wikimedia Commons, CC BY-SA 4.0 / Iwan Baan / flickr user timparkinson, Licensed under CC BY 2.0 / flickr user manusascorner, Licensed under CC BY / Iwan Baan

本次通过膜材料实现的“母体”装置，位于北京CBD地区的泰康美术馆，周围遍布着超高层建筑。在这样的城市环境特点里，置入什么样的空间装置，带给人怎样的体验，是建筑师设计之前首先要回答的问题。城市的空间让人产生疏离感，而建筑师程艳春想在CBD里创造一个与人的身体、情感、记忆能够产生联系并可以近距离接触的场所。与CBD周边大多玻璃幕墙与钢筋混凝土围合的建筑感受不同，“母体”希望提供一个柔软的，像回到母亲子宫内一样的知觉感受，让人从日常的空间中剥离，能够重新感受空间与生命的联系。

草图 © CPLUS

装置所在的空间主要有三个局限，一是地面狭长面积不大，但竖向上有15m的高度，如何利用高度解放地面是其中的一个挑战。二是对承重结构的限制，由于是办公楼中的空间，地面不能承受超大荷载，只能利用现有预留的悬挂吊点来解决。三是现场的施工界面与材料的运输，不能在室内有大的施工动作，并且材料运输通道不允许有大的构件进去。

“母体”装置制造的空间紧张感 ©朱雨蒙

按照效果和室内环境的要求，首要的细节是结构应具备透明或者色彩变化的能力。其次，材料需要满足上人的要求，必须能够承载行人荷载。再次，现场的吊载和工程条件有限，无法实施大规模的钢结构框架或者其他钢结构设施。鉴于以上充分思考，膜材料结构便成了建筑师和结构工程师一起主要考虑的方向，“母体”采用带聚酯纤维加强的PVC膜进行膜结构部分的实施。

“母体”装置内部 ©朱雨蒙

“母体——TA们的共享客厅”：泰康美术馆空间装置 / CPLUS

项目完成效果，点击蓝色链接查看

泰康母体艺术装置

的结构设计原理

宏观的结构概念是利用气膜结构的自身刚度形成空间，然后利用拉索和气膜结构表面拉应力“摇篮”形成吊挂，最后通过一组空间钢桁架转换至原建筑的结构体系内。在设计中有两个最重要的要素，分别为双层和多层气膜的设置、悬挂及关键结构的设计。

模型照片 © CPLUS

02 多层气膜

传统的气膜结构只有两种方式，一种是形成不可进入的气舱，实际上仅仅是仅供展示的艺术装置；另一种是需要经过气闸室来进入气膜内部，这个闸室是保证气室内部气压高于外部的一个关键设计。本项目采用的方案与这两种方法完全不同。

工厂记录：气枕样品 ©LAVA

本次泰康装置的结构设计中，整体气膜结构被设计为利用三层膜材组成两个主要的气舱，包括内侧的结构气舱和外侧的构造气舱。结构工程师利用椭球形的双层气膜结构形成了可进入的舱体，确保球内外的气压联通，无需设置压力过渡的气闸。结构气舱中外侧的气膜在内外约0.3倍大气压压差的状态下会形成向外的充盈，内侧的气膜则会在同样的压力下向内坍缩，内外间通过拉片来阻止内膜坍缩的趋势。同时通过在内外膜之间设置封闭的环空口，形成出入口和设备安装通道。

工厂记录：选品与研究 ©LAVA

最终选用的三种膜材料 ©CPLUS

这一组复杂的设计中涉及到两个关键的力学原理，其一是内外表皮的压强一致，但面积不同带来总压力不同，向外远远大于向内，因而形成饱满的外形，其二是气膜的单元内部在气压之下，形成上下表面均受拉的状态，但在受拉中，外表面的拉应力平衡了部分受弯形成的表面压力，克服了可能形成的弯曲，跨越一段距离从而形成空间，在三维上，构成了一个完整的“室”。

典型的气囊单元 © LAVA

气膜宏观结构的成立与气囊的实际照片 © LAVA

内侧双层气膜解决了结构气舱的问题，外层的构造气舱解决美观和安装校正的问题，为了弥补由于设置拉片而造成的表面不连续圆滑，不可进入的最外层稳压气舱形成均匀的受气压膨胀的圆滑表面，最外层气膜除个别点位外，不与内侧气膜设置拉片连接，在充入的低压气压下遮蔽了起伏的表面并隐藏了为安装悬挂吊索而设置的吊点锚件。

“母体”一次打样样品，现场记录 ©LAVA

“母体”一次打样样品，现场记录：工厂里的闲暇一刻 ©LAVA

“母体”一次打样样品材料细部，现场记录 ©LAVA

“母体”二次打样样品，现场记录 © CPLUS

这是迄今为止，世界上所有的大型气膜中首次使用的结构形式，是绝无仅有的设计。

“母体”装置外观与内部 ©朱雨蒙

悬挂设计

多层气膜结构形成联通大气的气腔，但悬挂在空中则需要更复杂的应力考虑。这是因为悬挂的吊点处会形成集中荷载，集中荷载会破坏表面气压形成的张拉效应，造成不美观的褶皱或者凸起，带来潜在的安全隐患。

利用Grasshope参数化结构找型 © LAVA

结构解决方案 © LAVA

结构的完成状况展示 © LAVA

吊点与经纬线的关系 © LAVA

为了消除这种影响美观和安全的要素，结构工程师利用考虑了内部结构刚度的图形几何来从根本上解决问题。考虑膜材特性，指定力的传递路径，沿着椭球的切割剖面的切线方向设置拉索，让膜仅仅承受面内的拉应力，不承担面外的拉力，多吊点协同工作，整体形成悬挂的吊篮，确保在整个应力线以下的范围内尽可能均匀的分散拉应力，消除掉应力集中的问题。切线拉索的设置还需要减少竖向荷载带来的向内的弯矩，因此索之间应当保持钝角，而不是平行或彼此靠近的内倾。

工厂记录：产品验收 ©LAVA

悬挂的钢结构据此进行深化设计，在切线与屋面吊顶间找到恰当的位置设置吊点，将索内的拉力分解为水平桁架内力和最终去往屋面吊具的竖向分量。

“母体”入口 ©朱雨蒙

结构数据

球体自重1.2吨，长宽高为11.7X7.2X8.0m，双层膜间600mm，充入130m3约3.0kpa的空气，球体最低点距地面2.2m，结构层外膜厚0.6mm，内膜0.75mm，设计活荷载400kg(5点集中荷载不利布置)或0.5kn/m2，上人区域面积12m2。

气膜结构放样详图 © LAVA

来自现场

的挑战

现场遇到的第一个困难是美术馆中庭里原有的灯架，灯架距地面10米高。我们一开始以为这个灯架是可以很轻易地被拆掉，但是事实上由于工期以及后期难以恢复的原因而无法拆除。所以我们不得不改变桁架的形态，从原有的板式平面桁架改为在中间留有一个中空的部分的空间桁架。

第二个困难来自美术馆仅有的10 个吊点（叫EHP可升降的吊点）。每一个吊点能够承受500kg的荷载，但实际上真正试验中，吊点还有很多细节需要被关注到。首先是它是成组出现的，就是它都是两个点同步，并不能单单点控制。另外，当吊点的承载力在350公斤时就设备会停止工作并发出警告，需要强制给出指令它才能继续工作。为了摸清楚这些设备的性能和整体的控制关系，前期组织了几次试验进行反复的核对。

安装现场记录 © LAVA

第三个问题是关于装置本身的，最初的设计没有想到需要定时给装置补充空气。在初步设计的时候，气压的大小实际上没有一个基准，结构工程师按照气膜能承受的最大气压进行设计，大概是5kpa，但实际上运行中，这么巨大的结构和这么大的气压无法做到完全气密，即便是焊接完美，膜材料本身也有气体散逸的特性，因此需要设置控制最大压力同时建立恒压，简单的说，就是要有一组监控气压的装置，同时该装置要和充气机构联动，当气压下降后，需要自动补气，维持在一个正常的压力水平内。此外这个恒压装置其实还有很多别的意义，比如初步安装之后的展厅内温度其实是很低的，但这种低温是由于美术馆的空调系统带来的，此时的气压也偏低，但如果空调停止工作，温度升高，空气会膨胀，气球会把自己慢慢变大，撑的到非常极限的程度，感受会觉得不安全。采取了自动补气装置后，整个装置能够有很大的弹性去承受气压和温度的变化。

第四个问题是是关于货运的，这个项目的运输也是创下了很多极限。在所有一切前期工作都非常顺利的情形下，在开展前三天无法将1.2吨的气膜结构送进货梯内，这几乎成为了摧毁全部努力的最后一篑。将一个如此重量且不能使用重型设备的“既重又脆还软”的装置送入展厅，结构工程师的唯一办法就是不断的打包，将一个椭球打包成最后的一个豆腐块，利用吊车和叉车，在保护下进行一次次的翻转和折叠，当最终将气膜送入展厅之后，“我们叠完了这个世界上最重的被子”。

安装现场记录 © LAVA

设计之初，工程师就敏锐的意识到，“母体”可能是双层气膜结构的创新应用案例的一次突破性的实践，因为这个项目的要求，在已经发展的非常好的膜结构世界里，增加了一个大的不确定性，就是载人。载人就意味着对差错的允许度为零，同时必须考虑人本身不仅仅是荷载，人还有各种物理需求、心理活动甚至是感情。

第一个要控制的就是强度，普通结构的强度保证，满足安全需要即可，但载人之后，安全性的要求就被提高到至高的地位。结构工程师从设计之初，就将膜结构、索、钢结构、以及和原结构的连接进行了逆向的逐层分析，确保每个环节都有多重保险。膜结构实际上是三层，确保即便扎破内层，也不会跌出；索结构每个点的拉应力极限是481kg，设置了16个点，也就是总承载力7.7t，在每个拉点上都有超过400%的保证；钢结构的承载力也是类似的设计，约200%的保证，钢结构的保证率比膜结构低一些，这是因为钢结构的技术更成熟，更受控，因此无需太高的保证率，然后是原结构连接的部分，最后做了额外4道钢索的加强，确保即便EHP全部失效，装置也不会失去稳定。

其次是要控制装置的变形，通过最佳的充气气压，确保当有人在装置内部活动时，结构的变形不至于过大，使人无法顺利的离开或者进入。在整个设计和制作的过程中，关于气压其实无迹可寻，无法建立一套类似于强度的分析理论进行逐层确认，因此只能通过一系列的现场调试来找到最佳的状态。此外，在局部位置还增设了内部的气垫，方便分散压力，使人不至于由于自身重量无法在气膜内站立。

最后是控制整个结构的摆动，结构工程师师在设计之初设定了分向的拉绳，精确的设置每一根拉绳沿着球面的切向方向，并围绕着气膜中心对称，设计完成后还进行了小尺度打样模型的验证，确保结构的摆幅非常小，使人在内部活动时，不至于由于横向摆动的原因而跌倒。

除了这些科学引导下的难度挑战外，这个工程还有一个跳跃性的革新。我们日常所见遇到的都是什么样的膜结构？主要是单层膜，或者是很少一些双层膜结构。单层结构主要是张拉受力，而双层结构主要是形成一些空间或者玩具，普通人没有机会能进入一个双层结构的内部，更不会有一个机会看到这个双层的断面。而“母体”的结构特点实现了一个大创新，利用在恒温恒压的情况下形成这样一个椭球体的形状，使人能够不经过气压变化的空间就进入膜结构的内部，而且实际上还是悬浮在空中的。这种通过实验性地探索双层气膜，也让我们有机会探索这种气膜结构的进一步的应用空间，一些重要的物理特性可能会指导更多的设计师、工程师完成更有挑战性的设计。

此外，充气结构很容易实现球形、椭球或者圆柱的形态，而其他结构要完成这些形态需要客服很大的施工难度。这些我们实践中观察到的细节，也许也已经被工程师和科学家注意到了，目前膜结构也广泛的应用在展览建筑、体育建筑、井下作业的矿山工程等等场景中。从结构工程师的角度来看，膜结构所具备的轻盈、强度、高效的搭建、耐候和耐久性，以及独特的观赏性，应当可以在更广阔的领域内发展。