膜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

膜結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)一般分為四個(gè)步驟，分別為形體設(shè)計(jì)、初始平衡形狀分析、荷載分析和裁剪分析。膜結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)從來(lái)就不是按部就班，而且一個(gè)不斷嘗試不斷實(shí)驗(yàn)的過(guò)程。

（1）形體設(shè)計(jì)。形體設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)的根本，也是設(shè)計(jì)的初始，在形體設(shè)計(jì)的時(shí)候，應(yīng)確定建筑平面的形狀、尺寸、三維造型以及建筑平面各控制點(diǎn)的坐標(biāo)。同時(shí)也應(yīng)確定薄膜材料和施工方案。

（2）初始平衡形狀分析。初始平衡形狀分析又等同于膜結(jié)構(gòu)找形分析。薄膜材料本身比較特殊，薄膜材料本身是不具有抗壓和抗彎強(qiáng)度的，而且，薄膜材料本身的抗剪能力也是十分的差。在膜結(jié)構(gòu)中，為了讓薄膜材料可以承受一定的荷載，需要對(duì)薄膜材料進(jìn)行一定的預(yù)張拉。對(duì)于膜結(jié)構(gòu)而言，整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性都是需要靠膜曲面的曲率變化和其中的預(yù)應(yīng)力來(lái)提高。那也就是說(shuō)，膜曲面的形狀的確定是需要在特定的邊界條件鐵定預(yù)應(yīng)力條件下的一種力學(xué)平衡。由于薄膜材料不具備抗壓抗彎強(qiáng)度，抗剪強(qiáng)度又很差，所以，在正常使用過(guò)程中，在受到風(fēng)荷載或者雪荷載的影響下，薄膜材料會(huì)產(chǎn)生形變，一旦薄膜材料發(fā)生了變形就會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力重分布，膜結(jié)構(gòu)受到的荷載形式就與之前不同。所以，應(yīng)該說(shuō)，膜結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)是一種變化值，在對(duì)膜結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)分析時(shí)宜采用幾個(gè)非線(xiàn)性的方法進(jìn)行分析。再找形分析中要確保生成的三維空間曲面是形狀穩(wěn)定、應(yīng)力均勻分布、能抵抗在使用過(guò)程中各種可能產(chǎn)生的荷載工況的平衡曲面。

（3）荷載分析。由于薄膜材料自重比較低，比較輕柔，自振頻率低，這會(huì)導(dǎo)致膜結(jié)構(gòu)之中的在風(fēng)荷載作用下，非常容易產(chǎn)生風(fēng)振，破壞薄膜材料，所以要對(duì)薄膜材料進(jìn)行張拉使其有一定的強(qiáng)度儲(chǔ)備。但如果薄膜材料張拉過(guò)大，對(duì)受力構(gòu)件強(qiáng)度的要求也會(huì)變大，無(wú)疑是增加了現(xiàn)場(chǎng)施工安裝的難度。所以要通過(guò)荷載計(jì)算來(lái)確定張拉時(shí)所需要的初始預(yù)應(yīng)力大小。在設(shè)計(jì)的過(guò)程中還應(yīng)該考慮風(fēng)荷載，對(duì)于會(huì)下雪的區(qū)域還應(yīng)該考慮雪荷載[4]。

（4）裁剪分析。之前的各種計(jì)算都是在一個(gè)三維空間進(jìn)行的各項(xiàng)計(jì)算，包括通過(guò)找形分析的初始平衡狀態(tài)而形成的膜結(jié)構(gòu)，也一般都是三維的不可以展開(kāi)的空間曲面。但如何實(shí)現(xiàn)這個(gè)空間曲面的建設(shè)，這就需要將二維的薄膜材料進(jìn)行裁剪，再經(jīng)過(guò)張拉，最后變成所需要的預(yù)設(shè)的三維空間曲面。這個(gè)如何將三維空間曲面裁剪成二維薄膜裁剪的拼接則是整個(gè)膜結(jié)構(gòu)工程中最重要的部分。

現(xiàn)階段，膜結(jié)構(gòu)工程中一般采用動(dòng)力松弛法、力密度法以及有限元法等來(lái)進(jìn)行荷載分析設(shè)計(jì)和裁剪分析設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，要對(duì)膜結(jié)構(gòu)主要的構(gòu)件尺寸進(jìn)行計(jì)算確定，對(duì)膜結(jié)構(gòu)的支承結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，并且對(duì)于可靠連接方式也需要進(jìn)行計(jì)算，確定螺栓、焊縫和其他次要構(gòu)件的尺寸，為實(shí)現(xiàn)膜結(jié)構(gòu)的施工提供計(jì)算依據(jù)。

實(shí)際上，膜結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)上不僅需要考慮的膜結(jié)構(gòu)的各項(xiàng)計(jì)算，在膜結(jié)構(gòu)的方案設(shè)計(jì)時(shí)就需要考慮各種方面的問(wèn)題，在進(jìn)行膜結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)階段時(shí)，設(shè)計(jì)師根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)在了解該項(xiàng)膜結(jié)構(gòu)的跨度，使用時(shí)會(huì)遇到的荷載工況來(lái)進(jìn)行預(yù)判和進(jìn)行概念設(shè)計(jì)，大致確定預(yù)應(yīng)力的大小和張拉方式，初步擬定膜片的大小和索的布置，對(duì)于關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的時(shí)候，要盡量避免應(yīng)力集中。一般在考慮膜面和固定構(gòu)件的形狀的時(shí)候，要避免積水，造成對(duì)膜結(jié)構(gòu)產(chǎn)生積水荷載，增加膜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難度。膜結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)過(guò)程中，還要考慮薄膜材料和加強(qiáng)構(gòu)件的運(yùn)輸和吊裝，要簡(jiǎn)化膜于支承的連接節(jié)點(diǎn)，不宜設(shè)置過(guò)于巨大或者復(fù)雜的結(jié)構(gòu)造成運(yùn)輸或者現(xiàn)場(chǎng)安裝施工造成困難，降低現(xiàn)場(chǎng)施工量。對(duì)于膜結(jié)構(gòu)本身，也要要進(jìn)行耐久性和防火和造型美觀的考慮。