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膜結構找形及常見的膜結構形狀

2020-11-14 15:47:16 評論：2 點擊：560

膜結構找形及常見的膜結構形狀

不論是膜結構看臺還是景觀膜結構，既然選擇了膜結構這種建筑結構，那么看中的特點之一就是造型，相對的，膜結構的形狀不僅是為了美觀，更是為了保證膜結構建筑的穩定牢固，所以在設計時的找形就非常重要，膜結構找形技巧及常見的膜結構形狀。

一、膜結構找形原則

1、膜結構找形的重要性

膜結構找形是膜結構設計的起始步驟，在這一過程中，需要綜合考慮建筑的平面、立面要求和建筑功能，以及下部支承條件等因素來確定符合邊界條件和力學平衡要求的曲面形狀。實際上膜結構的設計打破了傳統的“先建筑，后結構”的設計方式，要求建筑師和結構師在方案建議階段便緊密結合在一起，共同確定建筑物的外形。

從力學的角度來看，膜結構的找形問題可以歸結為求解空間曲面的初始平衡問題。這一問題包含了如下幾個重要參數：

（1）結構拓撲關系；

（2）體力和面力；

（3）結構幾何形狀；

（4）幾何邊界條件；

（5）初始預張力的大小和分布。

其中，結構拓撲關系是指不同結構構件之間的連接關系，在計算機有限元模型中，也可以將其理解為結構單元之間的連接關系。體力和面力是指結構自重和外荷載，在找形階段外荷載通常為零。結構幾何形狀是找形階段所要求解的，一般屬于未知量。幾何邊界條件和初始預張力通常由結構工程師根據建筑條件和施工條件等因素來綜合確定，是找形階段的主要自變量。可以說，找形就是尋求以上諸多因素的平衡點。

2、膜結構找形注意事項

（1）曲面的彎曲應在兩個方向上互反，即應為負高斯曲面。張力膜結構受風壓力和風吸力作用，利用方向互反的曲面，可以使膜面在兩個方向上相互制約，有效傳遞外荷載；

（2）避免出現大面積的扁平區域。曲面上出現大面積的扁平區域，意味著曲面的自然剛度低，承受豎向荷載的能力弱，容易積水或積雪；為了增加扁平區域曲面的剛度，需要給曲面施加非常大的預應力，這就會導致作用于邊界構件上的力很大，甚至無法實施；

（3）曲面上的高低起伏宜平緩，避免出現“尖角”。曲率變化過于劇烈會導致應力集中；

（4）合理確定支承點的位置，以保證膜面具有較大的曲率。沿膜主曲率方向的拱高與弦長之比宜大于1：20；

（5）在條件許可的條件下，宜優先選擇柔性邊緣構件（索）和活動式連接方法（如桅桿頂部采用浮動式帽圈、節點用鉸接連接構造），以適應變形、保證膜內應力盡可能均勻，避免在荷載作用下膜材出現應力集中或褶皺；

（6）對于比較重要的膜結構，應在膜材之外布置適當數量的附加拉索對主要支承構件進行固定，以保證結構不會因膜材的破損而倒塌；

（7）支承結構的布置還要考慮具體的施工過程、二次張拉和膜材更換等問題；

（8）單片膜的跨度不宜超過15米，覆蓋面積不宜超過400米；如果超過此限值，應適當增設加強索；

（9）預張力的大小需要預期的形狀和設計荷載來確定。在設計荷載的作用下，應保證結構內部具有維持曲面形狀的拉應力值。預張力過小會導致結構在風荷載的作用下出現較大的振動；預張力過大又會給支承結構（包括基礎）的設計和施工張拉帶來困難。通常對于PVC膜材，預張力水平為1～3kN/m，對于PTFE膜材，預張力水平為3～6kN/m。

二、膜結構常見形狀

膜結構的形態是多種多樣的。從其基本構成來看，絕大多數是由鞍形、傘形、拱支式和脊谷式這四種基本形狀演變而來的。

1、鞍形

鞍形曲面由四個不共面的角點和連接角點的邊緣構件圍合而成，是典型的互反曲面形式，在這四個角點中，通常有兩個對角點為高點，另兩個為低點。鞍形膜結構的邊緣構件可以是混凝土梁或空間鋼桁架，即形成所謂的剛性邊界；也可以采用邊索，通過對其施加較大的預張力形成柔性邊界。由于柔性邊界可以較好地適應膜面的變形，避免膜面在安裝和受荷過程中出現褶皺，因而較為常用。鞍形膜結構的適用跨度較小，一般多用于膜結構小品中。

2、傘形

傘形膜結構也是常見的張拉膜結構形式之一。這種結構形式的特點在于，膜單元的周邊相對位置較低，多固定在剛性邊梁或柔性邊索上；在膜單元的中部設有一個或多個高點，多通過獨立柱、飛柱或懸掛環的支承來實現；整個膜面呈錐形。為了避免在高點附近的膜材內部應力過大，當膜單元跨度較大時，可在高點和邊界支承點之間設置脊索，以改變結構內部的傳力路徑，避免膜材出現應力集中。傘形曲面還可以倒置應用于工程中。

3、拱支式

拱支式膜結構以拱為膜材提供連續的支承點，結構平面多為圓形或近似橢圓形。當跨度較大時，常在中間拱與下部邊緣構件之間布置正交索網。拱支式膜結構多用于封閉式建筑中。

4、脊谷式

脊谷式膜結構是在兩高點之間布置相互平行的脊索、在兩低點之間布置谷索，高低相間，曲面呈波浪形；脊索和谷索之間的膜面形成負高斯曲率曲面。當結構跨度較大或荷載較大時，還可在脊索和谷索之間適當布置一些橫向的加強索。脊谷式膜結構的結構平面多呈矩形。

盡管上述四種基本形式的造型各不相同，但都遵循一個原則，即要通過剛性支承構件或連接件在膜面內形成一系列的高點和低點；這正是互反曲面的基本特征，即互反曲面的邊界不會位于同一平面內。把握了這一原則，在實際設計中就可以根據支承構件的形式（桅桿、拱或吊環）及其對膜的支承方式（點支承或線支承），來選取適當的膜結構造型形式。

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