膜结构的形状确定

 膜结构的形状确定

1.形状确定 的概念

形状确定，或者说找形，是膜结构设计的一步。在这一过程中，需要综合考虑建筑的平面、立面要求和建筑功能以及下部支承条件等因素来确定符合边界条件和力学平衡要求的曲面形状。实际上，膜结构的设计打破了传统的“先建筑，后结构”的设计方式，要求建筑师和结构师在方案建议阶段便紧密结合在一起，共同确定建筑物的外形。

从力学的角度来看，甘肃膜结构的找形问题可以归结为求解空间曲面的初始平衡问题。这一问题包含了如下几个重要参数：①结构拓扑关系；②体力和面力；③结构几何形状；④几何边界条件；⑤初始预张力的大小和分布。其中，结构拓扑关系是指不同结构构件之间的连接关系，在计算机有限元模型中，也可以将其理解为结构单元之间的连接关系。体力和面力是指结构自重和外荷载，在找形阶段外荷载通常为零。结构几何形状是找形阶段所要求解的，一般属于未知量。几何边界条件和初始预张力通常由结构工程师根据建筑条件和施工条件等因素来综合确定，是找形阶段的主要自变量。可以说，找形就是寻求以上诸多因素的平衡点。

2. 形状确定的一般原则

建筑师在构思甘肃张力膜结构的外形时，需注意以下几点：

（1） 曲面的弯曲应在两个方向上互反，即应为负高斯曲面。张力膜结构受风压力和风吸力作用，利用方向互反的曲面，可以使膜面在两个方向上相互制约，有效传递外荷载。

（2） 避免出现大面积的扁平区域。曲面上出现大面积的扁平区域，意味着曲面的自然刚度低，承受竖向荷载的能力弱，容易积水或积雪；为了增加扁平区域曲面的刚度，需要给曲面施加非常大的预应力，这就会导致作用于边界构件上的力很大，甚至无法实施。

（3） 曲面上的高低起伏宜平缓，避免出现“尖角”。曲率变化过于剧烈会导致应力集中。

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在结构体系布置方面，应考虑以下基本原则：

（1）合理确定支承点的位置，以保证膜面具有较大的曲率。沿膜主曲率方向的拱高 f 与弦长 c 之比 f/c宜大于 1/20。

（2）在条件许可的条件下，宜优先选择柔性边缘构件（索）和活动式连接方法（如桅杆顶部采用浮动式帽圈、节点用铰接连接构造），以适应变形、保证膜内应力尽可能均匀，避免在荷载作用下膜材出现应力集中或褶皱。

（3）对于比较重要的膜结构，应在膜材之外布置适当数量的附加拉索对主要支承构件进行固定，以保证结构不会因膜材的破损而倒塌。

（4）支承结构的布置还要考虑具体的施工过程、二次张拉和膜材更换等问题。

（5）单片膜的跨度不宜超过 15 米，覆盖面积不宜超过 400 米；如果超过此限值，应适当增设加强索。

（6）预张力的大小需要预期的形状和设计荷载来确定。在设计荷载的作用下，应保证结构内部具有维持曲面形状的拉应力值。预张力过小会导致结构在风荷载的作用下出现较大的振动；预张力过大又会给支承结构（包括基础）的设计和施工张拉带来困难。通常对于 PVC 膜材，预张力水平为 1～3 kN/ m；对于 PTFE膜材，预张力水平为 3～6 kN/ m。