Sachverhalt:
A. Mit Beschluss vom 21. März 2007 erteilte die Bausektion der Stadt Zürich der Sunrise Communications AG die Bewilligung für die Erstellung einer Mobilfunkbasisstation (UMTS) auf dem Gebäude Im Heuried 51 (Kat.-Nr. WD5495) in Zürich.
Die Mitglieder der Stockwerkeigentümergemeinschaft X._ erhoben gegen die Baubewilliung Rekurs an die Baurekurskommission I des Kantons Zürich. Diese hiess das Rechtsmittel teilweise gut und änderte den Beschluss der Bausektion in Bezug auf gewisse Abnahmemessungen. Im Übrigen wies sie den Rekurs ab. Eine von den Mitgliedern der Stockwerkeigentümergemeinschaft X._ gegen diesen Entscheid erhobene Beschwerde wies das Verwaltungsgericht des Kantons Zürich mit Entscheid vom 11. August 2010 ab.
B. Mit Beschwerde in öffentlich-rechtlichen Angelegenheiten an das Bundesgericht vom 1. Oktober 2010 beantragen die Mitglieder der Stockwerkeigentümergemeinschaft X._, der Entscheid des Verwaltungsgerichts sei aufzuheben und die Baubewilligung zu verweigern. Eventualiter sei die Angelegenheit zur neuen Beurteilung an die Bausektion der Stadt Zürich zurückzuweisen.
Das Verwaltungsgericht des Kantons Zürich und die Bausektion der Stadt Zürich beantragen in ihrer jeweiligen Vernehmlassung die Abweisung der Beschwerde, soweit darauf einzutreten sei. Die Beschwerdegegnerin schliesst auf Abweisung der Beschwerde. In ihrer Stellungnahme dazu halten die Beschwerdeführer im Wesentlichen an ihren Anträgen und Rechtsauffassungen fest.
Mit Präsidialverfügung vom 29. Oktober 2010 hat das Bundesgericht der Beschwerde die aufschiebende Wirkung beigelegt.
Erwägungen:
1. 1.1 Beim angefochtenen Entscheid handelt es sich um einen kantonal letztinstanzlichen Entscheid über die Baubewilligung für eine Mobilfunkanlage, welcher der Beschwerde in öffentlich-rechtlichen Angelegenheiten unterliegt (Art. 82 ff. BGG). Die Beschwerdeführer wohnen unbestrittenermassen innerhalb des Perimeters, in dem die Strahlung noch 10 % des Anlagegrenzwerts beträgt. Sie sind deshalb gemäss der bundesgerichtlichen Rechtsprechung grundsätzlich zur Beschwerde legitimiert (Art. 89 Abs. 1 lit. b und c BGG; BGE 128 II 168 E. 2 S. 169 ff. mit Hinweisen). Auf die Beschwerde ist deshalb einzutreten.
1.2 Der rechtserhebliche Sachverhalt geht aus den Akten hinreichend hervor. Auf die Durchführung eines Augenscheins kann daher verzichtet werden.
2. 2.1 Die Beschwerdeführer rügen, das Verwaltungsgericht habe § 238 Abs. 1 des Gesetzes des Kantons Zürich vom 7. September 1975 über die Raumplanung und das öffentliche Baurecht (LS 700.1; im Folgenden: PBG) willkürlich angewendet (Art. 9 BV). Sie machen im Wesentlichen geltend, es lägen spezielle Verhältnisse vor, weshalb die Antenne nicht als ausreichend eingeordnet bezeichnet werden könne. Das betroffene Quartier und die involvierte Häuserzeile seien wertvolle Vertreter eines ausgeprägten 1940er-Jahre-Heimatstils mit holzgerahmten Stubenfenstern und Balkonen mit Holzbrüstungen. Das Haus Im Heuried 51 weise zahlreiche Elemente der quartiertypischen ursprünglichen Gestaltung im Heimat- oder Landistil auf und sei weitgehend in der ursprünglichen Form erhalten geblieben. Das Haus wirke am unteren Eingang der Strasse zugleich unauffällig und identitätsstiftend. Die Antenne störe das charakteristische Bild der Quartierbebauung und sei im Verhältnis zum bestehenden Gebäude überdimensioniert. Das Verwaltungsgericht hätte die ungenügende Einordnung bereits auf den eingereichten Fotomontagen erkennen können. Trotzdem habe es keinen Augenschein vorgenommen. In Bezug auf die Einordnung der Antenne habe es sich deshalb willkürlich verhalten.
2.2 Im angefochtenen Entscheid wird ausgeführt, das Standortgebäude weise keine besondere architektonische Qualität auf. Es liege in einem gut durchgrünten Quartier mit zumeist dreigeschossigen, unprätentiös gestalteten Satteldachbauten und mittelgrossen Kubaturen. In der beurteilungsrelevanten Nähe zum Baugrundstück gebe es keine Schutzobjekte. Die Antenne trete aufgrund ihrer zurückhaltenden Ausgestaltung und einer Höhe von rund 5 m nicht auffällig in Erscheinung. Die technische Ausstattung befinde sich mit Ausnahme der Richtfunkantennen im Dachgeschoss des Standortgebäudes. Es könne nicht gesagt werden, dass ein offensichtliches Missverhältnis zur Höhe des Standortgebäudes vorliege. Die Baubewilligung sei zudem mit der Auflage verbunden, die neuen Bauteile unauffällig zu gestalten.
2.3 Die Beschwerdeführer kritisieren zwar, dass das Verwaltungsgericht keinen Augenschein vorgenommen hat. Sie machen jedoch keine Verletzung des rechtlichen Gehörs geltend (Art. 29 Abs. 2 BV), sondern rügen lediglich die willkürliche Anwendung von § 238 Abs. 1 PBG. Der angefochtene Entscheid ist in diesem Punkt somit lediglich unter dem Gesichtswinkel der Frage der Einordnung zu prüfen.
Gemäss § 238 Abs. 1 PBG sind Bauten, Anlagen und Umschwung für sich und in ihrem Zusammenhang mit der baulichen und landschaftlichen Umgebung im Ganzen und in ihren einzelnen Teilen so zu gestalten, dass eine befriedigende Gesamtwirkung erreicht wird; diese Anforderung gilt auch für Materialien und Farben.
Nach den Bauplänen macht die Antenne auf dem relativ grossen Standortgebäude keinen wuchtigen Eindruck. Die ebenfalls den Akten beiliegenden Fotos lassen zudem den Schluss zu, dass nicht von speziellen Verhältnissen gesprochen werden kann. Vielmehr bestätigen die Fotos die Beschreibung der Vorinstanz, wonach die Umgebung von unprätentiös gestalteten Satteldachbauten und mittelgrossen Kubaturen geprägt ist. Schliesslich ist unstreitig, dass keine Schutzobjekte beeinträchtigt werden. Die von den Beschwerdeführern verwendete, dem Spezialinventar Wohnsiedlungen des Hochbaudepartements der Stadt Zürich entnommene Formulierung eines "ausgeprägten 1940er-Jahre-Heimatstils mit holzgerahmten Stubenfenstern und Balkonen mit Holzbrüstungen", bezieht sich auf zwei Häuser, die in einiger Entfernung des Standortgebäudes liegen. Insgesamt erweist sich die Beurteilung der Vorinstanz, es könne von einer befriedigenden Einordnung ausgegangen werden, nicht als willkürlich. Die betreffende Rüge der Beschwerdeführer ist unbegründet.
3. 3.1 Die Beschwerdeführer behaupten, die von der geplanten Antenne ausgehende elektromagnetische Strahlung wirke sich schädlich auf die bestehende Fledermauspopulation aus. Dabei gehe es nicht primär um den thermischen Effekt, sondern vor allem um die Störung der auf Ultraschall basierenden Orientierung der Fledermäuse. Die Beschwerdeführer verweisen auf ein Gutachten von Dr. Ingo Rieger vom 18. April 2007 sowie auf drei Fachpublikationen (BARRY NICHOLLS/PAUL A. RACEY, Bats Avoid Radar Installations: Could Electromagnetic Fields Deter Bats from Colliding with Wind Turbines?, PLoS ONE, 14. März 2007, doi:10.1371/journal.pone.0000297, «http://www.plosone.org» [besucht am 11. April 2011]; dieselben, The Aversive Effect of Electromagnetic Radiation on Foraging Bats - A Possible Means of Discouraging Bats from Approaching Wind Turbines, PLoS ONE, 16. Juli 2009, doi:10.1371/journal.pone.0006246, «http://www.plosone.org» [besucht am 11. April 2011]; Richard A. Holland/Joseph L. Kirschvink/Thomas G. Doak/Martin Wikelski, Bats Use Magnetite to Detect the Earth's Magnetic Field, PLoS ONE, 27. Februar 2008, doi:10.1371/journal.pone.0001676, «http://www.plosone.org» [besucht am 11. April 2011]). Einheimische Fledermausarten stünden unter Schutz und es sei willkürlich zu behaupten, dass mit den vorhandenen naturwissenschaftlichen Erkenntnissen keine Gefährdung belegt werden könne. Da die störende Wirkung der Mobilfunkantenne auf Fledermäuse nicht von der Verordnung vom 23. Dezember 1999 über den Schutz vor nichtionisierender Strahlung (NISV; SR 814.710) erfasst werde, komme das umweltschutzrechtliche Vorsorgeprinzip zur Anwendung. Danach greife vorliegend eine Beweislastumkehr Platz, weshalb die fehlende Schädlichkeit bzw. Lästigkeit zu beweisen sei. Die Vorinstanz habe dies verkannt und das Vorsorgeprinzip verletzt.
3.2 Die NISV soll Menschen vor schädlicher oder lästiger nichtionisierender Strahlung schützen (Art. 1 NISV). Dementsprechend gelten die von der Verordnung festgelegten Immissionsgrenzwerte überall, wo sich Menschen aufhalten können (Art. 13 Abs. 1 NISV); die vorsorglichen Emissionsbegrenzungen der NISV (Anlagegrenzwerte) sind an Orten mit empfindlicher Nutzung i.S.v. Art. 3 Abs. 3 NISV einzuhalten, namentlich in Räumen, in denen sich Personen regelmässig während längerer Zeit aufhalten (lit. a). Die Immissions- und Anlagegrenzwerte der Verordnung sind somit auf den Schutz von Menschen und nicht von Tieren zugeschnitten. Auch wenn zutreffen sollte, dass Tiere auf nichtionisierende Strahlung nicht empfindlicher reagieren als der Mensch, so ist zu beachten, dass Vögel und Fledermäuse von den Immissions- und Anlagegrenzwerten der NISV nicht erfasst werden, da sie sich im gesamten Luftraum aufhalten können. Es ist deshalb davon auszugehen, dass die NISV keine abschliessende Regelung für den Schutz von Fledermäusen (und Vögeln) gegen nichtionisierende Strahlung enthält (Urteil 1C_338/2007 vom 24. April 2008 E. 3, in: URP 2008 S. 369).
3.3 Für die Beurteilung der schädlichen oder lästigen Einwirkungen legt der Bundesrat durch Verordnung Immissionsgrenzwerte fest (Art. 13 Abs. 1 USG [SR 814.01]). Fehlt wie vorliegend eine entsprechende abschliessende Regelung, so ist im Einzelfall zu klären, ob die Immissionen schädlich oder lästig sind (Art. 12 Abs. 2 USG). Die Einzelfallbeurteilung hat sich an die materiellen Grundsätze für die verordnungsmässige Festsetzung der Immissionsgrenzwerte zu halten (Art. 13-15 USG). Danach sind die Immissionsgrenzwerte so festzulegen, dass nach dem Stand der Wissenschaft oder der Erfahrung Immissionen unterhalb dieser Werte Menschen, Tiere und Pflanzen, ihre Lebensgemeinschaft und Lebensräume nicht gefährden und die Bevölkerung in ihrem Wohlbefinden nicht erheblich stören (Art. 14 lit. a und b USG). Die Anforderungen nach Art. 14 USG gelten zwar vorab für Luftverunreinigungen, sie sind jedoch auch auf die Einwirkung von Strahlen anzuwenden, weil sie allgemeine Regeln wiedergeben (BGE 124 II 219 E. 7a S. 230 mit Hinweis).
3.4 Das BAFU führt in seiner Vernehmlassung aus, bezüglich der Auswirkungen von hochfrequenter nichtionisierender Strahlung auf Fledermäuse seien ihm nur die beiden von den Beschwerdeführern zitierten Untersuchungen von Nicholls und Racey bekannt. Die Forscher seien der Frage nachgegangen, ob Fledermäuse mit Radarstrahlung von Windkraftanlagen ferngehalten werden können, weil es in der Praxis immer wieder zu Kollisionen von Fledermäusen mit Windrotoren komme. In den beiden Studien sei festgestellt worden, dass bei Exposition mit Radarstrahlung die Aktivität der Fledermäuse signifikant reduziert war. Entgegen der Meinung der Beschwerdeführer liessen sich diese Erkenntnisse über Radarstrahlung jedoch nicht auf Mobilfunkstrahlung übertragen, da sich die Signalmerkmale physikalisch sehr stark unterscheiden. Im Gegensatz zu Radarstrahlung mit ihrem typischen Wechsel zwischen sehr kurzen Pulsen und längeren Pausen, in denen das reflektierte Signal empfangen werde, weise die Strahlung einer UMTS-Basisstation eher ein "rauschförmiges" Signal auf. Dem Gutachten Rieger, welches das Merkmal der Pulsung vollständig vernachlässigt und somit zum Schluss gelangt, eine Übertragung der Studienergebnisse von Nicholls und Racey erscheine zulässig, ist gemäss den Ausführungen des BAFU deshalb nicht zu folgen. Auch die Studie von Holland et al. sei nicht als zielführend, da sie den Versuch betreffe, mit einem einzelnen magnetischen Puls von 0.1 Millisekunden Dauer und einer Stärke von über 0.1 Tesla die Orientierung der Fledermäuse am statischen Erdmagnetfeld zu beeinflussen. Zwar gebe es laut dem deutschen Bundesamt für Strahlenschutz aus der Bevölkerung vereinzelte Meldungen über Störungen von Fledermäusen durch elektromagnetische Felder von Mobiltelefonen oder Basisstationen und in seinem Review-Bericht über die Auswirkungen der Strahlung von Mobilfunkbasisstationen auf Wildtiere erwähne auch Balmori eine eigene solche Beobachtung (Alfonso Balmori, Electromagnetic pollution from phone masts. Effects on wildlife, Pathophysiology 2009, S. 191 ff., doi:10.1016/j.pathophys.2009.01.007). Gegen einen erheblichen negativen Einfluss von Mobilfunkstrahlung auf Fledermäuse spreche jedoch die Tatsache, dass die Fledermauspopulationen in den letzten 15 bis 20 Jahren, in denen der Mobilfunk flächendeckend ausgebaut worden sei, nicht zurückgegangen sei.
3.5 Nach den Ausführungen des BAFU bestand mangels wissenschaftlich zuverlässiger Hinweise auf eine Gefährdung kein Anlass für das Verwaltungsgericht, konkrete Massnahmen wie die Herabsetzung der Strahlungsintensität oder die Verweigerung der Baubewilligung anzuordnen. Nichts anderes ergibt sich im Übrigen aufgrund der Unterschutzstellung von Fledermäusen, auf welche sich die Beschwerdeführer berufen (vgl. dazu das Übereinkommen vom 19. September 1979 über die Erhaltung der europäischen wildlebenden Pflanzen und Tiere und ihrer natürlichen Lebensräume [SR 0.455], Anhang II und III, sowie die Verordnung vom 16. Januar 1991 über den Natur- und Heimatschutz [NHV; SR 451.1], Anhang 3). Der Artenschutz und der damit zusammenhängende Biotopschutz kommen von vornherein nur zum Tragen, wenn eine Beeinträchtigung droht (vgl. Art. 18 ff. NHG, insbes. Art. 18 Abs. 1ter NHG, sowie Art. 14 und 20 NHV; vgl. auch BGE 118 Ib 485). Eine derartige Beeinträchtigung durch Mobilfunkstrahlung vermögen die Beschwerdeführer auch nicht mit dem zusammen mit der Replik eingereichten Jahresbericht 2004 der Fledermaus-Gruppe Rheinfall nachzuweisen. Der Bericht betrifft lediglich ein kleines Gebiet und stellt zudem gar keine Beziehung zum Bau von Mobilfunkantennen her. Es ist auch nicht überzeugend, wenn die Beschwerdeführer in ihrer Replik vorbringen, das BAFU habe sich nicht mit der Hypothese von Nicholls und Racey auseinandergesetzt, wonach die bei einem Versuch festgestellte Reduktion der Aktivität der Fledermäuse eine Folge thermischer Induktion und erhöhten Hyperthermie-Risikos sein könnte. Wie sich der zitierten Zusammenfassung zur Studie von 2007 entnehmen lässt, handelt es sich dabei eben lediglich um eine Hypothese. Auch die Aussage des BAFU, die Studie von Holland et al. sei wegen der unterschiedlichen Versuchsanordnung nicht auf Mobilfunkstrahlung übertragbar, vermögen die Beschwerdeführer nicht überzeugend in Zweifel zu ziehen.
3.6 Unabhängig von der bestehenden Umweltbelastung sind Emissionen im Rahmen der Vorsorge zudem so weit zu begrenzen, als dies technisch und betrieblich möglich und wirtschaftlich tragbar ist (Art. 11 Abs. 2 USG). Für die Mobilfunkstrahlung ist allerdings zu berücksichtigen, dass diese keine unerwünschte Begleiterscheinung des Betriebs ist (im Gegensatz zu Luftschadstoffen, Lärm oder den elektrischen und magnetischen Feldern einer Hochspannungsleitung), sondern eigentlicher Zweck der Anlage. Jede Begrenzung der Mobilfunkstrahlung wirkt sich deshalb auf Kapazität und Qualität der Mobilfunkversorgung aus, bzw. hat zur Folge, dass es weiterer Antennenstandorte bedarf, um die Versorgung sicherzustellen. Die von der NISV vorsorglich angeordneten Anlagegrenzwerte müssen nur an Orten mit empfindlicher Nutzung eingehalten werden, was in der Regel durch die Wahl eines günstigen Standorts und die Anpassung der Antennenhöhe und -abstrahlrichtung erreicht werden kann, ohne die Leistung der Antennen übermässig zu reduzieren. Diese Vorgehensweise würde verunmöglicht, wenn vorsorgliche Emissionsbegrenzungen im gesamten, Vögeln und Fledermäusen zugänglichen Luftraum eingehalten werden müssten. Es ist deshalb nicht angezeigt, über die NISV hinausgehende, vorsorgliche Emissionsbegrenzungen anzuordnen (Urteil 1C_338/2007 vom 24. April 2008 E. 4.3, in: URP 2008 S. 369; zur Frage der Berücksichtigung lediglich vorläufiger wissenschaftlicher oder erfahrungsbasierter Befunde im Rahmen von Art. 11 Abs. 2 USG vgl. Urteil 1C_118/2010 vom 20. Oktober 2010 E. 4.2.3 mit Hinweisen).
3.7 Zusammenfassend ergibt sich, dass die Kritik, welche die Beschwerdeführer im Zusammenhang mit behaupteten schädlichen Effekten elektromagnetischer Strahlung auf Fledermäuse am Urteil des Verwaltungsgerichts üben, unbegründet ist.
4. Die Beschwerde ist abzuweisen. Diesem Ausgang des Verfahrens entsprechend sind die Gerichtskosten den unterliegenden Beschwerdeführern aufzuerlegen (Art. 66 Abs. 1 BGG). Sie haben der obsiegenden, anwaltlich vertretenen Beschwerdegegnerin eine dem Aufwand entsprechende Parteientschädigung zu bezahlen (Art. 68 Abs. 2 BGG).
Demnach erkennt das Bundesgericht:
1. Die Beschwerde wird abgewiesen.
2. Die Gerichtskosten von Fr. 3'000.-- werden den Beschwerdeführern auferlegt.
3. Die Beschwerdeführer haben die Beschwerdegegnerin für das bundesgerichtliche Verfahren mit Fr. 1'500.-- zu entschädigen.
4. Dieses Urteil wird den Parteien, der Bausektion der Stadt Zürich, dem Verwaltungsgericht des Kantons Zürich, 1. Abteilung, 1. Kammer, und dem Bundesamt für Umwelt schriftlich mitgeteilt.
Lausanne, 12. April 2011
Im Namen der I. öffentlich-rechtlichen Abteilung
des Schweizerischen Bundesgerichts
Der Präsident: Der Gerichtsschreiber:
Fonjallaz Dold