当今非线性的建筑形态逐渐成为人们审美的新取向, 自由、变幻、动态的建筑形象成为人们建筑创作追求的亮点。膜结构建筑形态以其线性、曲面的建筑形态契合了非线性建筑特征, 因此, 膜结构也给建筑师开启了一种新的思考模式。然而, 由于膜结构的特殊性, 国内建筑师对膜结构建筑艺术表现缺少系统的了解, 妨碍了他们对于膜结构的选择。本文将从膜结构中最具建筑艺术表现的三方面即———结构、构造与材料, 阐释其艺术表达形式与特征, 探索创造膜建筑的造型设计手法, 以期对膜结构创作具有借鉴价值。

现代膜结构起源于欧洲, 真正的发展是在德国, 从1955年膜结构的开拓者弗赖·奥托在德国联邦花园展示会上建造出第一座张拉膜结构至今, 随着高新材料的出现和建造工艺的提升, 现已成为一类从结构、连接到材料表达都不同于传统建筑的特殊的、专业性极强的建筑形式;它作为建筑师创意新的源泉, 需要建筑师与结构师密切协作方能充分表达其建筑之美。

膜结构建筑是一种充分展示“力”的作用的建筑。力的作用需要相互平衡才能处于稳定状态, 与其他结构类型建筑不同的是膜结构建筑的这种平衡是一种隐含在其中, 并隐隐凸现的动态的平衡。无论是充气式膜结构建筑通过充气产生的压力, 还是张拉式膜结构建筑膜布中蕴涵的预张力, 都是达成这种平衡的关键。由于膜结构建筑特殊的平衡方式, 使其产生了意想不到的空间效果, 如1967年蒙特利尔博览会德国馆 (见图1) , 其各个支撑部件之间的结合完全是因循“力”的法则而存在的, 刚性和柔性材料结合在同一个平衡体系中, 简化了除了必需的力的构件之外的一切因素。因而, 膜结构建筑给人以轻盈自由的视觉感受, 或许就是由于它兼具刚柔并济的平衡美, 并减少了其他类型建筑赖以稳定其结构和装饰的部件。

膜结构建筑形态, 一方面是对其形式和位置的识别性以及膜结构表现形式和位置内在逻辑辨别性的理性判断, 另一方面是指人对事物的主观认识。在现代膜结构建筑体系中, 膜结构建筑相较与其他类型建筑, 在结构的艺术表达上充分体现了数的逻辑性。

如“水立方”的建筑方案中采用了多面体空间钢架结构和双层ETFE (乙烯—四氟乙烯共聚物) 薄膜围护结构体系, 在设计中屋盖和墙体由类似水泡沫的多边形图案泡泡形式构成。为了达到既有重复性而又能保持一个随机无序的视觉形式, 结构采用不规则多面体空间钢结构, 建筑师与结构工程师通过比较各种角度旋转后生成的结构上弦、下弦以及扶杆种类数量, 最终选择了围绕 (0, 0, 0) ※ (1, 1, 1) 矢量轴旋转60°生成的Weaire-Phelan多面体阵列的形式, 同时保证其视觉效果满足建筑设计造型要求。感性的建筑形式要求自然随机, 实体建造经过科学理性的分析研究, 使施工及造价等方面得以保障, 见表1, 图2, 图3。

膜结构中应用最为广泛张拉式膜结构体系中, 构造节点包括柔性的膜索连接, 柔性索与刚性支撑连接以及膜材之间的连接等, 无疑这些节点细部在膜结构建筑表现中处于一个非常重要地位, 通常, 张拉膜面的索膜连接多出现在膜建筑的高或低点, 因为膜结构是依靠高、低支点的错落布置形成膜面曲线造型。依据膜面上高、低支点的布置方式不同形成的膜曲面大致分两类:锥形曲面和马鞍形曲面。其中锥形曲面的高、低支点分别排布于膜面中部和膜面边缘, 而马鞍形曲面的高、低支点则间隔布于膜面边缘。膜面上高、低支点的空间相对位置不仅决定膜面各点的受力大小, 同时还影响膜面各点的受力大小。这些高点和低点是连接各个结构构件的精华部分, 使整个系统成为相互受力相互作用的整体。节点细部设计要求简洁而精致, 连接关系明确传递力的路线, 细部节点会影响观赏者对于建筑整体的感知, 见表2。

张拉膜结构上的一系列高点或低点呈现膜结构建筑的韵律之美。韵律, 即有节奏的律动, 由一系列相似或重复的建筑部件有机组合存在于膜结构建筑中。膜结构建筑通常以富有规律的支撑结构, 或具有相同形状的膜片塑造建筑的韵律感;而特异的结构支撑形态或凸出于天际线上的轮廓形成韵律展现的焦点, 或通过谷索、脊索、内外边索的张拉作用成形相似或重复的膜单元, 如巴尔的摩6号码头音乐厅 (如图4所示) 和丹佛新国际机场 (见图5) 。

张拉膜结构的建筑形态均为曲面, 其灵活、多变的空间曲面通过平面膜材的设计裁剪后拼接、拟合产生。剪裁之后的膜片拼接可应用焊接、绑扎、缝合等多种形式进行处理。不管使用怎样的拼接方式, 在透光膜面衬映下通过膜片重叠产生的拼接缝都会展现出比较明显的暗条。所以, 设计师在实施剪裁处理的时候, 不仅要思考其结构受力的科学性, 也需要全面使用上述透光性中的差异, 使其变成膜结构室内装饰的关键部分, 以便提升大众对膜结构空间的感知度, 增强屋顶形式及尺度, 提升膜顶形态的可读性, 改变膜结构空间内的光环境。比如伊拉克Medina清真寺院子中遮阳伞 (见图6) , 在膜面的剪裁设计中, 拼缝从四周向中心不断汇聚, 彼此交错后收于柱头。遮阳伞膜面的拼缝图案充分体现了漏斗状造型, 此外也充分诠释出独特的穆斯林装饰特色。

膜材通常是一种透光材料, 其反射率在75%~87%之间, 透射率在13%~28%之间, 所以表面给人的视觉感受为轻质材料。日间光由室外射入室内, 使室内的视觉效果较为轻盈。而当夜晚恰好相反, 光线由室内射向室外时, 使外部形态的质感十分轻盈。因此, 膜结构建筑因光线的变化给人以不同的感受。建筑师还可以根据膜材连接的这一构造方式, 加以巧妙的利用, 强化其艺术表现力, 为丰富的空间视觉体验创造条件。如马来西亚的吉隆坡国家体育中心游泳馆的膜材屋顶 (见图7) , 建筑师设计了几个巨型花朵图案的剪裁方案, 产生了类似于流动水面上飘摇着花瓣的视觉感受, 律动的图案为室内营造了欢乐的氛围, 进而促成了膜面剪裁设计中结构和装饰成果的完美统一。

膜材料作为一种人工材料, 对色彩、图案的选择相对自由, 具有较好的色彩承载能力。随着技术与生产方式的发展, 膜材表面使用的色素越来越多, 且一般耐光、耐高温, 对周围的环境表现友好。此外, 在社会生活中膜结构建筑也同样承担了传播媒介的功能, 建筑师利用其自身的独特特质, 有效的将建筑形态与媒体相结合, 创造了独特的表现力。膜材可印染涂敷的工艺将膜结构建筑本体直接作为传播媒介, 成为传递信息的符号。如马德里火车站大爆炸纪念堂 (如图8所示) 建筑外部使用弯曲的玻璃砖建造成圆筒形, 内部采用ETFE材料围合成圆筒形状, 膜表面涂绘有大量的文字, 这些文字记载了马德里火车站大爆炸中逝者的信息。此刻, 膜材成了文化的载体, 传达出建筑的现实纪念意义。

膜结构建筑形态的艺术表达, 应当是基于“理性”思维方法之上的结构、构造与材料三方面的艺术表现, 本文分析膜结构建筑形态中艺术表现要素的目的是揭示膜结构建筑造型语言中可以得到遵循的设计手法, 真正把“理性科学”与形态表现的感性认识手段作为建筑艺术表达的途径, 最终实现膜结构建筑自然美、技术美与建筑艺术的完美结合。