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膜結(jié)構(gòu)找形及常見的膜結(jié)構(gòu)形狀

2020-11-14 15:47:16 評論：2 點擊：560

膜結(jié)構(gòu)找形及常見的膜結(jié)構(gòu)形狀

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

一、膜結(jié)構(gòu)找形原則

1、膜結(jié)構(gòu)找形的重要性

膜結(jié)構(gòu)找形是膜結(jié)構(gòu)設(shè)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(xué)平衡要求的曲面形狀。實際上膜結(jié)構(gòu)的設(shè)計打破了傳統(tǒng)的“先建筑，后結(jié)構(gòu)”的設(shè)計方式，要求建筑師和結(jié)構(gòu)師在方案建議階段便緊密結(jié)合在一起，共同確定建筑物的外形。

從力學(xué)的角度來看，膜結(jié)構(gòu)的找形問題可以歸結(jié)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(shù)：

（1）結(jié)構(gòu)拓?fù)潢P(guān)系；

（2）體力和面力；

（3）結(jié)構(gòu)幾何形狀；

（4）幾何邊界條件；

（5）初始預(yù)張力的大小和分布。

其中，結(jié)構(gòu)拓?fù)潢P(guān)系是指不同結(jié)構(gòu)構(gòu)件之間的連接關(guān)系，在計算機有限元模型中，也可以將其理解為結(jié)構(gòu)單元之間的連接關(guān)系。體力和面力是指結(jié)構(gòu)自重和外荷載，在找形階段外荷載通常為零。結(jié)構(gòu)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(yù)張力通常由結(jié)構(gòu)工程師根據(jù)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(jié)構(gòu)找形注意事項

（1）曲面的彎曲應(yīng)在兩個方向上互反，即應(yīng)為負(fù)高斯曲面。張力膜結(jié)構(gòu)受風(fēng)壓力和風(fēng)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(xiàn)大面積的扁平區(qū)域。曲面上出現(xiàn)大面積的扁平區(qū)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(qū)域曲面的剛度，需要給曲面施加非常大的預(yù)應(yīng)力，這就會導(dǎo)致作用于邊界構(gòu)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(xiàn)“尖角”。曲率變化過于劇烈會導(dǎo)致應(yīng)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(yōu)先選擇柔性邊緣構(gòu)件（索）和活動式連接方法（如桅桿頂部采用浮動式帽圈、節(jié)點用鉸接連接構(gòu)造），以適應(yīng)變形、保證膜內(nèi)應(yīng)力盡可能均勻，避免在荷載作用下膜材出現(xiàn)應(yīng)力集中或褶皺；

（6）對于比較重要的膜結(jié)構(gòu)，應(yīng)在膜材之外布置適當(dāng)數(shù)量的附加拉索對主要支承構(gòu)件進(jìn)行固定，以保證結(jié)構(gòu)不會因膜材的破損而倒塌；

（7）支承結(jié)構(gòu)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(yīng)適當(dāng)增設(shè)加強索；

（9）預(yù)張力的大小需要預(yù)期的形狀和設(shè)計荷載來確定。在設(shè)計荷載的作用下，應(yīng)保證結(jié)構(gòu)內(nèi)部具有維持曲面形狀的拉應(yīng)力值。預(yù)張力過小會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載的作用下出現(xiàn)較大的振動；預(yù)張力過大又會給支承結(jié)構(gòu)（包括基礎(chǔ)）的設(shè)計和施工張拉帶來困難。通常對于PVC膜材，預(yù)張力水平為1～3kN/m，對于PTFE膜材，預(yù)張力水平為3～6kN/m。

二、膜結(jié)構(gòu)常見形狀

膜結(jié)構(gòu)的形態(tài)是多種多樣的。從其基本構(gòu)成來看，絕大多數(shù)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(gòu)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(jié)構(gòu)的邊緣構(gòu)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(yù)張力形成柔性邊界。由于柔性邊界可以較好地適應(yīng)膜面的變形，避免膜面在安裝和受荷過程中出現(xiàn)褶皺，因而較為常用。鞍形膜結(jié)構(gòu)的適用跨度較小，一般多用于膜結(jié)構(gòu)小品中。

2、傘形

傘形膜結(jié)構(gòu)也是常見的張拉膜結(jié)構(gòu)形式之一。這種結(jié)構(gòu)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(shè)有一個或多個高點，多通過獨立柱、飛柱或懸掛環(huán)的支承來實現(xiàn)；整個膜面呈錐形。為了避免在高點附近的膜材內(nèi)部應(yīng)力過大，當(dāng)膜單元跨度較大時，可在高點和邊界支承點之間設(shè)置脊索，以改變結(jié)構(gòu)內(nèi)部的傳力路徑，避免膜材出現(xiàn)應(yīng)力集中。傘形曲面還可以倒置應(yīng)用于工程中。

3、拱支式

拱支式膜結(jié)構(gòu)以拱為膜材提供連續(xù)的支承點，結(jié)構(gòu)平面多為圓形或近似橢圓形。當(dāng)跨度較大時，常在中間拱與下部邊緣構(gòu)件之間布置正交索網(wǎng)。拱支式膜結(jié)構(gòu)多用于封閉式建筑中。

4、脊谷式

脊谷式膜結(jié)構(gòu)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(fù)高斯曲率曲面。當(dāng)結(jié)構(gòu)跨度較大或荷載較大時，還可在脊索和谷索之間適當(dāng)布置一些橫向的加強索。脊谷式膜結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)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(gòu)件或連接件在膜面內(nèi)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(nèi)。把握了這一原則，在實際設(shè)計中就可以根據(jù)支承構(gòu)件的形式（桅桿、拱或吊環(huán)）及其對膜的支承方式（點支承或線支承），來選取適當(dāng)?shù)哪そY(jié)構(gòu)造型形式。

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