1研究背景
1.1气候环境
西北地区，沙漠光布，植被稀疏，多风多沙。地处内陆，为典型的大陆性气候，夏季炎热，冬季严寒，全年降水量稀少，终年干旱。以甘肃省嘉峪关市为例，嘉峪关有天下第一雄关之称，是古代丝绸之路的交通要冲。嘉峪关市位于贺兰山以西，深居内陆，属温带大陆性荒漠气候，昼夜温差和全年温差较大。年日照3000小时，日照率接近70%。全年多风沙，春季、冬季为沙尘暴高发季节。针对这一气候特点，嘉峪关地区的建筑应有良好的防风防沙性能，保温性能好，以应对昼夜较大的温差。
1.2气膜建筑
气膜建筑是利用一种特殊的膜材料作为建筑的躯壳，依靠膜材料内外的气压差将建筑撑起。气膜建筑结构紧凑稳定，内部不需要梁、柱等结构构体。气膜材料的弹性模量很低，其拉伸强度很高，相当于钢材的70％，出色的力学性能保障了其能承受较大的载荷，不易发生弯曲变形，抗风和抗震能力强，可抵御12级台风。气模建筑的保温是利用气枕层与传统保温层相结合的方法，采用中空保温系统，其热交换热阻较大，具有良好的保温性能。气膜材料的成本低，建筑的总造价约为传统建筑造价的30％，且其施工期短，在2个月左右，施工快捷便利。气膜建筑防火性能优越，其难燃烧级可达到B1级难燃烧标准，可满足居民居住的日常防火安全。气膜建筑的施工过程中无建筑垃圾的产生，现场没有噪音，无环境污染。气膜建筑作为一种新型的环保建筑，它的优势和价值会使各个领域有长远的进步和发展，其出色的环保性和节能性使其在多领域、多方面广泛应用。
1.3应用性
结合甘肃省嘉峪关地区气候特点与气膜建筑的优越性，在嘉峪关这一气候较为恶劣，昼夜温差较大，气候干旱多风沙的地区，应用气膜建筑，可以很好的解决这一类问题。利用气膜建筑优越的保温性能和防风性能，可以在西北地区营造冬暖夏凉的室内环境。且气膜建筑，由于其材料的特殊性，在遭遇严重沙尘暴情况使得气膜建筑意外倒塌，其屋顶面下降到距离地面两米距离的时间也在30分钟以上，保证了足够的逃生时间。
2设计思路
建筑的设计依据嘉峪关当地的气候特点，在原有的气膜建筑的基础上进行改良，外加风力发电装置、太阳能热发电装置、气膜建筑底部外护围墙、天窗等。通过气膜建筑底部外护围墙，可以使气膜建筑进行固定，增强其抗风性能，并减少与外界的热桥效应，其与天窗的共同配合，保障的室内环境的清洁。通过风力发电装置和太阳能热发电装置，依靠当地多风、太阳光照时间长且强度高的特点，使建筑达到“自发电，低供给”，减少对外界能源的使用，达到节能减排的效果。
图一 气膜建筑整体视图1
图二 气膜建筑整体示意图2
图三 气膜建筑整体示意图3
图四 气膜建筑整体示意图5
2.1底部固定
依据嘉峪关地区多风多沙的气候特点，在底部固定时，对气膜底部外缘，使用一周高为0.5米的墙体进行维护，将气膜建筑的底部，固定在墙体的内面层。通过这一方式的固定，可以起到以下几点作用。
（1）气膜建筑底部的固定。
保障其在大风环境下，风力的冲击发生在外部的墙体上。建筑的底层不受影响和破坏，使得建筑整体稳定，增加建筑的抗风能力。
（2）防沙、尘土等固体硬屑粒作用。
嘉峪关地区风力较大，地面上的尘土、沙粒、碎屑等固体颗粒会随风吹起，硬屑粒表面较为尖锐，以对气膜建筑的表层材料进行损坏，影响建筑的保温和挡风等性能，使得气膜建筑的使用寿命周期缩短。因此，在气膜建筑底部进行一周墙体的防护，可以解决以上问题，使气膜建筑不受大风环境下固体硬屑粒的影响。
（3）保证气膜建筑底部良好的密封性，减少室内外的热桥效应。
由于气膜建筑的特殊性，其底部需要进行固定和密封，通过再加一周外墙维护的方法，可以对其底部进行良好的密封和固定，其有效保障了气膜建筑室内外的相对独立，大大降低了气膜建筑底部与外界环境之间的热量交换，减少了热桥效应。且在气膜建筑底层外部进行墙体维护，也可以解决因底部密封不周而导致尘土进入室内的现象，使室内环境不受外界环境因素的影响，保证室内环境的清洁。
图五 底部固定结构图
1为底部外围墙
2为底部气膜
3为粘合材料，其位于底部气膜与外圈围墙之间，其作用为将气膜和外圈围墙进行粘合，使得气膜与外墙紧紧贴合，防止其间出现间隙而产生热桥效应，同时也保证了在底部气膜上拧入螺钉后，还能有良好的气密性。
4为螺钉，其直接穿透气膜旋入外圈围墙，其作用为增加底部气膜与外墙的牢固性，与3粘合材料相互配合，保证了气膜建筑底部的稳固与密封。
图六 底部固定视图1
图七 底部固定视图2
2.2照明系统
考虑到嘉峪关地区全年日照时间较长，日照率较高，可充分满足气膜建筑内白天的照明需求。在接受可见光位置上，做了如下设计。
图八 透明材料分布图
图示中1为透明材料，其可以透过太阳光线，且1可以进行拉伸移动，其作用与窗户类似。
将透明材料设计为此形状的原因在于：
（1）结合气膜建筑的形状及太阳光线与水平面的角度，将其形状设计为圆弧条状，其可接收大部分太阳照射到建筑上的可见光，采用此设计其对建筑的照明效果要强于普通窗户。
（2）依据嘉峪关当地的气候特点，其多风沙，采用普通的窗户，在开窗时，空气中混有的尘土等固体硬屑粒会吹入到室内。采用此种形状，可以依靠气膜建筑本身所具有的外形特点，对风力进行缓和冲击，使尘土等固体硬屑粒附着在气膜建筑的表层，随后脱落，不会进入室内，有效缓解了因当地气候特点而导致室内多尘土的现象，保障了室内环境的清洁。
透明材料位置位于气膜建筑屋顶面的南半部分，考虑到日照时间足够长，透明材料其不与太阳光线垂直，可见光透过透明材料到达室内。气膜建筑的内膜具有很高的反射率，光线到达内膜后，由于反射作用和满射作用，使光线均匀满布在整个空间，达到室内的照明强度需求。
设计的透明材料的位置不与太阳光线垂直的原因在于：
（1）嘉峪关地区的太阳日照时长较长，其日照率较高，通过以上所述的透明材料的分布方式和接收太阳光线的角度，足以满足气膜建筑室内的照明需求。
（2）由于当地的太阳辐射强度较强，夏天时温度较高，较为干旱，若采用垂直于太阳光线的透明材料分布，会使室内发生严重的温室效应，导致屋内温度急剧升高，室内温度超过室外温度，使人体发生不适，引起中暑等现象。冬天时，通过透明材料的可见光进入气膜建筑室内，能够满足室内照明和部分供暖需求。
2.3发电系统
2.3.1风力发电
考虑到嘉峪关地区多风的气候特点，采用在气膜建筑屋顶面进行风力发电装置的布置。风力发电装置的布置如图，其分布在气膜建筑屋顶面的北半部分（阴面）。
在每年的春冬两季是嘉峪关地区的多风时期，通过风力发电装置，可以将掠过屋顶面的风力带动风力发电装置的翅片进行周转运动，翅片带动发电装置内部的发电机组工作，从而产生电流。收集得到的电流进行直接利用或储存，从而减少气膜建筑的用电压力，达到低能耗、节能减排的效果。
安装风力发电装置，其翅片对风有一阻力，可以对风力进行缓冲，使风速降低，减少大风天气对气膜建筑屋顶的破坏，保障了气膜建筑在大风天气下良好的适应性。
图九 风力发电装置简示图1
图十 风力发电简示图2
1为翅片
2为滚轴
3为支撑柱，其一端固定翅片和滚轴，一端与气膜建筑的屋顶面相接，其支撑固定作用。
图十一 风力发电装置分布图1
图十二 风力发电装置分布图2
图十三 风力发电装置分布图3
2.3.2太阳能热发电
嘉峪关地区的年日照时长在3000小时左右，日照时间长，日照率较高，可利用的太阳能资源丰富，在此处安置太阳能热发电装置，可以极好的利用此处的太阳能资源，收集到的太阳能，进行转换，可以供给用电器用电，日用热水等。
在气膜建筑屋顶面与太阳光线垂直处安装太阳能热发电设备，通过太阳能热发电设备的聚光器将太阳能进行聚集，使低密度的太阳能转变为高密度，此时聚集的太阳能量具有很高的内能，可将太阳能收集装置中的水进行加热，使其变为蒸汽，蒸汽通过热力循环过程，带动发动机运转，进行发电。同时，被集聚的太阳能加热的热水，可以供给气膜建筑的热水使用，提高了太阳能的转换效率。
图十四 太阳能热发电设备简图
1为太阳能热发电设备聚光器，其有一定的弧度，目的在于提高对太阳能的吸收率。
2为储水管，1中聚光器所收集的内能传递到2中的水中，将水进行加热。
3为输水管，其将加热的水输送到太阳能热发电设备的发电装置中和建筑内用热水处。
4为聚光器的切线，其方向与太阳光线方向垂直，保证了聚光器对太阳光线的接受率。
图十五 太阳能热发电设备视图1
图十六 太阳能热发电设备视图2
图十七 太阳能热发电设备视图3
图十八 太阳能热发电设备视图4
3创新性
3.1创新点
（1）因地制宜
依据嘉峪关当地气候特点，将气膜建筑进行改良，使其更加适应当地的环境。
（2）低能耗
通过发电系统的作用，借助外界清洁能源，进行发电和热水供给，减少的对传统能源的依赖和使用。
（3）稳固性
在传统的气膜建筑的基础上，加设的底部维护外墙和固定装置，使得建筑抗风沙能力增强。
（4）通风改良
进行了天窗的设计，改变了已有的传统窗，天窗的设计保证了室内良好的照明环境，并且应对传统窗户在通风时室内易多灰尘的现象进行了改良。
3.2发电系统的优点
（1）结合嘉峪关地区多风、日照充足这一特点，设计风力发电装置和太阳能热发电装置，因地制宜，两发电系统相辅相成，将可利用的外界资源达到充分利用，对气膜建筑内进行电力和热水供应，极大提高了能源的利用率和转换率，使气膜建筑达到低能耗、经济的效果。
（2）两发电系统利用风能和太阳能，均为无污染清洁可再生能源，发电系统工作时也不会产生污染物，低碳环保。
（3）风力发电系统的翅片，在一定程度上减缓了风速，从而对气膜建筑的屋顶面起到了一定的保护作用，增强了建筑的稳定性。
（4）目前关于风力和太阳能热发电装置的研究成熟，有关收集和转换设备制备都已十分完善。
参考文献
[1]中国气象数据网
[2]太阳能热发电系统的研究现状综述
[3]基于系统考虑的建筑节能设想
