膜结构设计

膜结构设计

膜结构的设计一般分为四个步骤，分别为形体设计、初始平衡形状分析、荷载分析和裁剪分析。膜结构的设计从来就不是按部就班，而且一个不断尝试不断实验的过程。

（1）形体设计。形体设计是设计的根本，也是设计的初始，在形体设计的时候，应确定建筑平面的形状、尺寸、三维造型以及建筑平面各控制点的坐标。同时也应确定薄膜材料和施工方案。

（2）初始平衡形状分析。初始平衡形状分析又等同于膜结构找形分析。薄膜材料本身比较特殊，薄膜材料本身是不具有抗压和抗弯强度的，而且，薄膜材料本身的抗剪能力也是十分的差。在膜结构中，为了让薄膜材料可以承受一定的荷载，需要对薄膜材料进行一定的预张拉。对于膜结构而言，整体结构的稳定性都是需要靠膜曲面的曲率变化和其中的预应力来提高。那也就是说，膜曲面的形状的确定是需要在特定的边界条件铁定预应力条件下的一种力学平衡。由于薄膜材料不具备抗压抗弯强度，抗剪强度又很差，所以，在正常使用过程中，在受到风荷载或者雪荷载的影响下，薄膜材料会产生形变，一旦薄膜材料发生了变形就会导致应力重分布，膜结构受到的荷载形式就与之前不同。所以，应该说，膜结构的应力状态是一种变化值，在对膜结构进行力学分析时宜采用几个非线性的方法进行分析。再找形分析中要确保生成的三维空间曲面是形状稳定、应力均匀分布、能抵抗在使用过程中各种可能产生的荷载工况的平衡曲面。

（3）荷载分析。由于薄膜材料自重比较低，比较轻柔，自振频率低，这会导致膜结构之中的在风荷载作用下，非常容易产生风振，破坏薄膜材料，所以要对薄膜材料进行张拉使其有一定的强度储备。但如果薄膜材料张拉过大，对受力构件强度的要求也会变大，无疑是增加了现场施工安装的难度。所以要通过荷载计算来确定张拉时所需要的初始预应力大小。在设计的过程中还应该考虑风荷载，对于会下雪的区域还应该考虑雪荷载[4]。

（4）裁剪分析。之前的各种计算都是在一个三维空间进行的各项计算，包括通过找形分析的初始平衡状态而形成的膜结构，也一般都是三维的不可以展开的空间曲面。但如何实现这个空间曲面的建设，这就需要将二维的薄膜材料进行裁剪，再经过张拉，最后变成所需要的预设的三维空间曲面。这个如何将三维空间曲面裁剪成二维薄膜裁剪的拼接则是整个膜结构工程中最重要的部分。

现阶段，膜结构工程中一般采用动力松弛法、力密度法以及有限元法等来进行荷载分析设计和裁剪分析设计，在设计过程中，要对膜结构主要的构件尺寸进行计算确定，对膜结构的支承结构进行有限元分析，并且对于可靠连接方式也需要进行计算，确定螺栓、焊缝和其他次要构件的尺寸，为实现膜结构的施工提供计算依据。

实际上，膜结构在设计上不仅需要考虑的膜结构的各项计算，在膜结构的方案设计时就需要考虑各种方面的问题，在进行膜结构方案设计阶段时，设计师根据工程经验在了解该项膜结构的跨度，使用时会遇到的荷载工况来进行预判和进行概念设计，大致确定预应力的大小和张拉方式，初步拟定膜片的大小和索的布置，对于关键节点设计的时候，要尽量避免应力集中。一般在考虑膜面和固定构件的形状的时候，要避免积水，造成对膜结构产生积水荷载，增加膜结构设计难度。膜结构在设计过程中，还要考虑薄膜材料和加强构件的运输和吊装，要简化膜于支承的连接节点，不宜设置过于巨大或者复杂的结构造成运输或者现场安装施工造成困难，降低现场施工量。对于膜结构本身，也要要进行耐久性和防火和造型美观的考虑。

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