膜结构的设计与施工

膜结构建筑的结构计算通常由计算机完成,其复杂型体的整体空间作用和繁杂的抗风计算是从事一般建筑结构设计的工程师难以完成的。国外 各大从事膜结构建筑设计和安装的专业公司,都各自开发了大型的专业软件,但为了控制市场都严格保密。目前国内已经出现的诸如上海八万人体育场等少数膜结构建筑,也都是外国公司设计的。我国自行设计的大型膜结构还很少,国内也尚无成熟的理论计算方法及相应的计算设计程序,制约了膜结构在我国的发展、应用与研究。

传统膜结构的设计主要包括体形设计、找形分 析、荷载分析、裁剪分析等。

体形设计确定建筑平面形状尺寸、三维造型、净空体量,确定各控制点的坐标、结构形式,选用膜材和施工方案。找形分析又称为初始形态分析,主要是寻找并确定一个既满足膜内力平衡条件又接近设计者预想造型的曲面。由于膜材料本身没有抗压和抗弯刚度,抗剪强度也很差,因此其刚度和稳定性需要靠膜曲面的曲率变化和其中预张应力来提高,对膜结构而言,任何时候不存在无应力状态,因此膜曲面形状须满足在一定边界条件、一定预应力条件下的力学平衡,并以此为基准进行荷载分析和裁剪分析。膜结构的荷载一般是风载和雪载,荷载作用下膜材料的变形较大,要计算结构的变形和应力要用几何非线性的方法进行;荷载分析的另一个目的是确定索、膜中初始预张力。在外荷载作用下膜中一个方向应力增加而另一个方向应力减少,要求施加初始张应力满足相当不利荷载作用下应力不致减少到零,即不出现皱褶。剪裁分析是在预应力状态下的曲面形体上寻求合理的裁剪线位置及其分布,然后按照一定的方法将三维曲面展开为二维平面。膜材料轻柔、自振频率很低,风荷载作用下易产生风振,导致膜材料破坏,如果初始预应力施加过高,膜材徐变加大,易老化且强度储备少,对受力构件强度要求也高,增加施工安装难度。

初始预应力要通过荷载计算来确定。经过找形分析而形成的膜结构通常为三维不可展空间曲面,如何通过二维材料的裁剪,张拉形成所需要的三维空间曲面,是整个膜结构工程中的关键问题,是裁剪分析的主要内容。

施工时,应根据膜面的尺寸和施工场地的条件,认真确定膜材的结合位置,以及膜材的捆包、搬运和展开。