膜结构

如果让你绘制一座建筑的平面图，

你会从哪里开始？

绝大部分人的答案都是一样的：外墙。

建筑作为人类占据空间的工具，其外墙无疑是限定空间、区别内外重要的一部分。然而你又是否想过：建筑一定要有墙吗？我们不是在讨论黑川纪章提出的介乎于室内外的灰空间，也不是在重温密斯·范凡罗所设计的巴塞罗那展馆漂浮的屋顶下自由的平面。我们所关注的，是一种大家相对陌生的、轻盈而柔软的建筑——气膜建筑。

气膜建筑——“火眼”实验室效果图

和我们已经比较熟悉的骨架式膜结构和张拉式膜结构不同，气膜建筑指的是用特殊的建筑膜材做外壳，配备一套智能化的机电设备在气膜建筑内部提供空气的正压，把建筑主体支撑起来的一种建筑结构系统。

气膜工作原理不仅包括一套完整的气膜建筑系统还包括了照明系统和门禁系统。

1、气膜靠内外气压差来支撑整个建筑。由于材料的柔性和结构固有的有效性和弧形的体形，没有受弯、受扭和受压的构件；

2、内部无需任何框架或梁柱支撑，跨度可以达到110米；

3、随着大气压的升高，其环境含氧量是递增的，因此气膜内外的气压差不仅不会对人体有任何不良的影响，反而会有助于人们从事运动活动或体力工作（通常内外气压差为250Pa，约0.0025个大气压，相当于正常建筑1层与9层的气压差）。

相比骨架式或张拉式膜结构，气膜建筑显然更为宏观、整体，也具有更高的技术要求和更为复杂的维护运转体系。

当前，国内的抗疫形势不容乐观，纵使“魔都”上海也因医疗资源挤兑而不得不紧急筹建一座又一座方舱医院，甚至今日不得不向外省转送大量确诊患者和密切接触者。在这样的背景下，让我们一同回顾2020当代好设计金奖获奖作品——“火眼”实验室，一同领略“膜”法在抗疫中的妙用。

"火眼"实验室：“类生命”的生物核酸实验室

在今年疫情的情况下，我很欣喜能看到通过在气膜结构中同时施加正负压的方法设计出的这款“火眼”实验室（气膜版）。这个气膜结构的聪明之处在于，它可以折叠拆卸、可快速安装，并且由于采用了模块化设计，因此可以将其添加到更大的阵列中。

——当代好设计金奖评审点评

从门口看向“火眼”实验室内部

“火眼”实验室（气膜版）是用于新冠病毒核酸检测的实验室，在病毒快速传播期间，气膜结构的实验室能够实现快速量产、成本较低、方便运输、安装简易、方便储存等多种抗疫需求，大大降低了建设传统建筑的能耗。运用BIM软件进行运营管理，增加建筑体系的智慧化。

现在“火眼”实验室（气膜版）仅用10小时基本建成，21小时投入使用。气膜舱充满气体只需50分钟左右，设备进场后直接组装，每日最高可检测样本量达到100万人份，打造了最新“中国速度”。为突发疫情防控贡献了数百万例新冠检测，及时精准高效的排查将有助于最大限度地缓解社会危机。

“火眼”实验室（气膜版）的同济创新设计团队成员曾经历过2010世博会规划、汶川地震灾后重建、雄安新区规划等国家级重大项目，具备快速集成创新的能力。

“火眼”实验室模型

首先，华大基因团队对接全球需求，提出了可空运、可量产的技术要求，并在前期和同济创新设计团队一起进行了研发迭代和现场搭建。华大基因团队除实验室的建设外，还提供实验室内部高精尖的检测设备、核酸检测试剂等，为全球客户提供一套整体检测解决方案，包括前期实验室规划、设备组装调试、专业技能培养及考核体系、实验室质量管理体系等。

同时，同济大学设计创意学院跨专业跨学科背景的研发团队，基于“设计思维”，以摩尔定律创新理论为指导，以五维BIM模型设计为基础，不断提出新的技术愿景。通过对需求侧的创新理解，特别是用户的需求和市场趋势的准确洞察力，创造性地重新整合了供给侧，找到创造新市场的产品机会缺口。

体育场内搭建的“火眼”实验室

何为“类生命”建筑？

随着2020年初全国抗击疫情形势日益严峻，华大基因董事长汪建提出通过“火眼”实验室一体化建造方案来解决城市检测能力方面的问题，而后设计团队基于新冠病毒检测需求和痛点以及病毒传播特征，通过多轮思维碰撞，产生了气膜版“火眼”实验室的创想。设计团队将“基因—细胞—人”和“人—建筑—城市生命体”的关系比喻成同构的关系，最终得出“类生命建筑”的概念。

“火眼”实验室的概念产生也与“摩尔定律”有关。“摩尔定律”本是指芯片体积越来越小，处理性能反而越来越高。将来的建筑可能不再是钢筋混凝土建造的，而是可移动式的充气膜结构模块化的建筑体系。建造的能耗越来越少，蕴含的智慧度越来越高。建筑体与有机生命体一样，有类似生命体生长的特征，“火眼”实验室借鉴双层细胞膜的仿生构造，创新性地使用了充气拱形结构，是“像生命体一样会呼吸”的气膜建筑，是利用“摩尔定律”打造追求极致的气膜建筑。

“火眼”实验室入口效果图

从研发到投入使用

从2020年2月中旬开始，设计团队就构思了充气膜结构的防护隔离系统，并申请了专利，开发了样品。4月3日，和华大基因合作的“火眼”实验室（气膜版）1.0版本在国家基因库启动了揭幕仪式。而后在短短一个月内，团队夜以继日地将气膜版BSL-2级生物实验室迭代更新出了两版。5月1日，万人通量的3.0版本在哈尔滨建成，并助力哈尔滨及时精准排查新冠病毒。

最具挑战的是6月北京的“火眼”实验室（气膜版）的设计和搭建。当时需求的通量极大，并且从接到需求到项目落地只有两周时间，项目现场情况千变万化。但也正因为最初采用了模块化设计，“火眼”实验室可根据需求灵活调整配置检测通量，仅6天就在北京大兴区建设完成了10万高通量核酸检测实验室。

传统的预制化方案无法满足在一周甚至几天内完成运输、搭建的要求，所以必须有一个能够空运的方案，因此可折叠的气膜实验室应运而生。气膜材料和新风机是一直有的材料和技术，而实验室内部的光交互智能门禁、无接触传递窗、智能舱压控制等智能化系统和MGISP-960自动化样本制备系统等检测医疗设备，都是最先进的高精尖技术。

“火眼”实验室内部空间效果图

或许有人会质疑气膜建筑的安全性：在体育馆这种室内空间搭建当然没有问题，那柔软的气膜能够保证建筑在室外环境中的安全性吗？

其实，这大可不必担心。气膜建筑是采用内外气压差支撑的新型建筑结构，在安全范围内，气膜内部空间的气越大，能够抵御的风荷载，雪荷载的能力也越高，从而气膜建筑产生形变的可能性就越小，也就越安全。气膜建筑的主入口，也可以全面满足人员甚至车辆的进出。所有出入口全部釆用模块设计，并严格遵循规范，牢固、安全。

假若天有不测风云，气膜建筑确实因不可抗拒因素发生意外导致缓慢坍塌，则气膜屋面下降到距地面2米所需的时间不会少于30分钟，保证内部的使用者有足够逃生时间。

高性能，低造价

传统结构建筑，随着跨度的增加，单位面积建造成本会呈几何倍数增加；气膜建筑恰好相反，随着跨度的增大（最大可达180米），单位面积建造费用呈下降趋势。（超过30米跨度时，气膜建筑的建设成本可以比传统建筑降低50%以上。）

搭建中的“火眼”实验室

另一个很关键的创新点是，传统的检测实验室安装复杂，需要专业的人员才能完成，而“火眼”实验室（气膜版）简化了安装流程，只需普通工人利用智能充气泵充气便可搭建成型，大大降低成本、提高效率。如果疫情爆发在城市中心区或者贫困地区，在无法使用大型设备的情况下，人工就可进行搬运和建成。

搭建中的“火眼”实验室内部空间实景

现有的暖通设备一般为工业级，成本高、产能低。而“火眼”实验室创新地使用低成本、产能高的民用级空调及新风机设备来实现BSL-2级实验室要求，减小体量及操作难度，更快速地应对突发的公共卫生事件。

再如，现有传统实验室的给排水系统，需要大型设备来集中处理污水，成本高、场地限制条件大，“火眼”实验室则采用了分布式给排水方案和消杀方法。由此，从生产、物流、人力、安装的时间成本和费用成本都大大节省。

落地实例

2020年我国疫情形势最严峻的阶段，“火眼”实验室相继登陆全国各大城市。7月26日，12个负压硬气膜实验室、15个负压软气膜实验室现身南京国际博览中心11号馆内。在不到一天时间建成后，每日可检测200万份样本，若采用十人混检，则每日可检测约700~800万份样本。

负压软气膜实验室（第二代“火眼”实验室）

灰色硬型帐篷状的硬气膜实验室为第一代“火眼”实验室，单层膜结构；白色软型帐篷状的软气膜实验室为二代“火眼实验室，双层膜结构。相比第一代，第二代“火眼”实验室具有更好的气密性和透光性，内部空间也更为舒适。

整个实验室，分为样本接收区、试剂准备区、样本制备区和扩增区4个区域。“火眼”实验室配备了多种“黑科技”，包括全自动分杯处理系统、高通量自动化病毒核酸提取设备等，能够在快速提高检测效率的同时，降低检测人员感染的风险。

第一代与第二代“火眼”实验室对比

其他可用领域

“火眼”实验室（气膜版）可应用的领域广泛，比如各种智慧空间：负压隔离病房、沉浸式餐厅、展览展厅、会议室、办公室、教室、零售店、民宿等等。甚至可以循环利用已使用过的广告布之类的材料来作为建筑主材，充气形成可持续的智能化灵活空间。

“火眼”实验室内部装置

将来，还可以通过在气膜表面喷筑复合材料，变成混凝土壳体结构，形成永久性建筑或者覆土式壳体结构。这样的建造方法，为未来实现大规模的产品和建筑物定制化提供可能性，也能在将来为救灾和难民提供低精度的快速建房体系。这也正如同母体内的鸡蛋胚胎，在诞生的过程中表面逐渐硬化、变成鸡蛋，也是“类生命”建筑体系一方面的体现。

结语

相信看到这里的你能够认同，建筑，真的不一定要有坚硬的墙。柔软的“火眼”实验室生动地为我们展示了气膜建筑在疫情防控等应对突发事件的独特优势，为我们展现了气膜建筑“以柔克刚”的独特魅力。

无论是传统的墙体，还是柔软的气膜，都是人们围合、限定空间的工具。面对疫情，我们要做的就是选择合适的工具，共同筑起防疫的长城。

愿疫情早日结束！

参考文章：