膜結(jié)構(gòu)建筑的結(jié)構(gòu)計(jì)算通常由計(jì)算機(jī)完成,其復(fù)雜型體的整體空間作用和繁雜的抗風(fēng)計(jì)算是從事一般建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的工程師難以完成的 [4] 。國(guó)外 各大從事膜結(jié)構(gòu)建筑設(shè)計(jì)和安裝的公司,都各自開(kāi)發(fā)了大型的軟件,但為了控制市場(chǎng)都嚴(yán)格保密。目前國(guó)內(nèi)已經(jīng)出現(xiàn)的諸如上海八萬(wàn)人體育場(chǎng)等少數(shù)膜結(jié)構(gòu)建筑,也都是外國(guó)公司設(shè)計(jì)的。我國(guó)自行設(shè)計(jì)的大型膜結(jié)構(gòu)還很少,國(guó)內(nèi)也尚無(wú)成熟的理論計(jì)算方法及相應(yīng)的計(jì)算設(shè)計(jì)程序,制約了膜結(jié)構(gòu)在我國(guó)的發(fā)展、應(yīng)用與研究。 

     傳統(tǒng)膜結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)主要包括體形設(shè)計(jì)、找形分 析、荷載分析、裁剪分析等。

     體形設(shè)計(jì)確定建筑平面形狀尺寸、三維造型、凈空體量,確定各控制點(diǎn)的坐標(biāo)、結(jié)構(gòu)形式,選用膜材和施工方案。找形分析又稱為初始形態(tài)分析,主要是尋找并確定一個(gè)既滿足膜內(nèi)力平衡條件又接近設(shè)計(jì)者預(yù)想造型的曲面。由于膜材料本身沒(méi)有抗壓和抗彎剛度,抗剪強(qiáng)度也很差,因此其剛度和穩(wěn)定性需要靠膜曲面的曲率變化和其中預(yù)張應(yīng)力來(lái)提高,對(duì)膜結(jié)構(gòu)而言,任何時(shí)候不存在無(wú)應(yīng)力狀態(tài),因此膜曲面形狀*終**滿足在一定邊界條件、一定預(yù)應(yīng)力條件下的力學(xué)平衡,并以此為基準(zhǔn)進(jìn)行荷載分析和裁剪分析。膜結(jié)構(gòu)的荷載一般是風(fēng)載和雪載,荷載作用下膜材料的變形較大,要**計(jì)算結(jié)構(gòu)的變形和應(yīng)力要用幾何非線性的方法進(jìn)行;荷載分析的另一個(gè)目的是確定索、膜中初始預(yù)張力。在外荷載作用下膜中一個(gè)方向應(yīng)力增加而另一個(gè)方向應(yīng)力減少,要求施加初始張應(yīng)力滿足*不利荷載作用下應(yīng)力不致減少到零,即不出現(xiàn)皺褶。剪裁分析是在預(yù)應(yīng)力狀態(tài)下的曲面形體上尋求合理的裁剪線位置及其分布,然后按照一定的方法將三維曲面展開(kāi)為二維平面。膜材料輕柔、自振頻率很低,風(fēng)荷載作用下極易產(chǎn)生風(fēng)振,導(dǎo)致膜材料破壞,如果初始預(yù)應(yīng)力施加過(guò)高,膜材徐變加大,易老化且強(qiáng)度儲(chǔ)備少,對(duì)受力構(gòu)件強(qiáng)度要求也高,增加施工安裝難度。

     初始預(yù)應(yīng)力要通過(guò)荷載計(jì)算來(lái)確定。經(jīng)過(guò)找形分析而形成的膜結(jié)構(gòu)通常為三維不可展空間曲面,如何通過(guò)二維材料的裁剪,張拉形成所需要的三維空間曲面,是整個(gè)膜結(jié)構(gòu)工程中的關(guān)鍵問(wèn)題,是裁剪分析的主要內(nèi)容。

     施工時(shí),應(yīng)根據(jù)膜面的尺寸和施工場(chǎng)地的條件,認(rèn)真確定膜材的結(jié)合位置,以及膜材的捆包、搬運(yùn)和展開(kāi)。

膜結(jié)構(gòu)的應(yīng)用前景

     隨著工業(yè)的發(fā)展與計(jì)算技術(shù)的進(jìn)步,膜結(jié)構(gòu)也從臨時(shí)建筑邁入**性建筑行列,并成為當(dāng)代充滿活力的一種新型大跨度空間結(jié)構(gòu)體系。在許多***舉辦奧運(yùn)會(huì)、世博會(huì)的場(chǎng)館建設(shè)中,膜結(jié)構(gòu)以其絢麗 的色極和豐富的造型贏得了人們關(guān)注、認(rèn)同。1995年建成的北京房山游泳館(跨度33m,1100m2 )與鞍山農(nóng)委游泳館(跨度30m,1000m2 )是我國(guó)正式應(yīng)用于工程的空氣支承膜結(jié)構(gòu),標(biāo)志我國(guó)開(kāi)始啟動(dòng)膜結(jié)構(gòu)的工程建設(shè)。1997年通過(guò)引進(jìn)國(guó)外膜結(jié)構(gòu)技術(shù)建成了上海八萬(wàn)人體育場(chǎng)看臺(tái)挑棚后,又相繼建成了青島頤中體育場(chǎng)挑棚膜結(jié)構(gòu)、杭州游泳館、網(wǎng)球館雙層膜結(jié)構(gòu)等二百余項(xiàng)膜結(jié)構(gòu)工程,年增長(zhǎng)率達(dá)20%以上 [7] 。目前膜結(jié)構(gòu)除了用于體育館、體育場(chǎng) 等體育設(shè)施之外,還廣泛應(yīng)用于商業(yè)、教育、交通運(yùn)輸設(shè)施等。由于膜結(jié)構(gòu)新穎美觀的造型和多變的色 彩,還可用于標(biāo)識(shí)性建筑,例如城市與地方的標(biāo)識(shí)、公園入口標(biāo)識(shí)、展覽會(huì)標(biāo)識(shí)、行業(yè)與會(huì)議標(biāo)識(shí)等。然而,目前膜結(jié)構(gòu)在我國(guó)尚處于小范圍的試驗(yàn)階段,但隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)實(shí)力的增強(qiáng),新工藝、新材料、新設(shè)備的出現(xiàn),膜結(jié)構(gòu)建筑將成為我國(guó)21世紀(jì)空間結(jié)構(gòu)的發(fā)展主流。

     自重輕,跨度大,造價(jià)低,可以**限度發(fā)揮材料特性,有利防震;造型新穎美觀,色彩多變,可為文化、體育、旅游、商業(yè)設(shè)施提供**的形象包裝;具有較好的防水、透光性能,建設(shè)周期短,可做**性建筑,也可移動(dòng)搬遷,有利于城建景觀及房地產(chǎn)項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)。可以預(yù)見(jiàn),21世紀(jì)中國(guó)的經(jīng)濟(jì)突飛猛進(jìn),膜結(jié)構(gòu)建筑將在未來(lái)大型建筑中展現(xiàn)新、奇、輕、美的特點(diǎn),因此膜結(jié)構(gòu)建筑的研究與開(kāi)發(fā)有著廣泛的發(fā)展前景。