本篇文章給大家談?wù)勀＝Y(jié)構(gòu)施設(shè)計(jì)，以及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模型對(duì)應(yīng)的知識(shí)點(diǎn)，希望對(duì)各位有所幫助，不要忘了收藏本站喔，本文目錄一覽：，1、，張拉膜結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法需要考慮到的問(wèn)題有哪些？，2、，膜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中主要注意的關(guān)鍵點(diǎn)都有哪些，3、，空間膜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概論？，4、，膜結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，5、，膜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)注意哪些細(xì)節(jié)？
本篇文章給大家談?wù)勀＝Y(jié)構(gòu)施設(shè)計(jì)，以及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模型對(duì)應(yīng)的知識(shí)點(diǎn)，希望對(duì)各位有所幫助，不要忘了收藏本站喔。
本文目錄一覽：
- 1、張拉膜結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法需要考慮到的問(wèn)題有哪些？
- 2、膜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中主要注意的關(guān)鍵點(diǎn)都有哪些
- 3、空間膜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概論？
- 4、膜結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)
- 5、膜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)注意哪些細(xì)節(jié)？
- 6、膜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的原則有哪些？
張拉膜結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法需要考慮到的問(wèn)題有哪些？
張拉膜結(jié)構(gòu)是依靠膜自身的張拉應(yīng)力與支撐桿和拉索共同構(gòu)成機(jī)構(gòu)體系。張拉膜結(jié)構(gòu)車棚是由多種高強(qiáng)薄膜材料及加強(qiáng)構(gòu)件(鋼架、鋼柱或鋼索)通過(guò)一定方式使其內(nèi)部產(chǎn)生一定的預(yù)張應(yīng)力以形成某種空間形狀，作為覆蓋結(jié)構(gòu)，并能承受一定的外荷載作用的一種空間結(jié)構(gòu)形式。張拉膜結(jié)構(gòu)是建筑結(jié)構(gòu)中最新發(fā)展起來(lái)的一種形式，自從1970年代以來(lái)， 膜結(jié)構(gòu)在國(guó)外已逐漸應(yīng)用于體育建筑、商場(chǎng)、展覽中心、交通服務(wù)設(shè)施等大跨度建筑中。在張拉膜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段所要考慮的要點(diǎn)有：?保證膜面有足夠的曲率，以獲得較大的剛度和美學(xué)效果；?細(xì)化支承結(jié)構(gòu)，以充分表達(dá)透明的空間和輕巧的形狀；?簡(jiǎn)化膜與支承結(jié)構(gòu)間的連接節(jié)點(diǎn)，降低現(xiàn)場(chǎng)施工量。在20世紀(jì)中期，F(xiàn)rei Otto在一次皂膜試驗(yàn)中產(chǎn)生了輕型張拉膜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。其基本概念是自適應(yīng)找形。這是一種自動(dòng)調(diào)節(jié)邊界條件、約束條件和其他處理參數(shù)來(lái)實(shí)施設(shè)計(jì)的一種概念。而且Frei Otto還提出了“極小曲面”的理論，這一理論誕生了現(xiàn)在張拉膜結(jié)構(gòu)建筑的設(shè)計(jì)原理。這個(gè)“極小曲面”意思就是在特定的邊界范圍內(nèi)設(shè)計(jì)出膜結(jié)構(gòu)表面積最小，而空間大耗能少的理論。輕型張拉膜結(jié)構(gòu)的建筑它的特點(diǎn)就是它的預(yù)應(yīng)力在整個(gè)膜面都是均勻分布的，所以就有了張力自平衡的效果。極小曲面在平面邊界里只是一個(gè)平面。但是只要張拉膜表面或者膜邊界有一點(diǎn)兒不在這個(gè)極小曲面內(nèi)，那么這個(gè)平面上的所有點(diǎn)都會(huì)有一個(gè)雙曲面。這個(gè)曲面可以是正高斯曲率也可以是負(fù)的。但是負(fù)高斯膜面是折減面的時(shí)候，膜材料的消耗量是最少的。因?yàn)槟そY(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)性能高，它可以根據(jù)膜結(jié)構(gòu)表面的形狀大小來(lái)重新布局使荷載集中，那么這個(gè)區(qū)域的應(yīng)力不會(huì)有太大幅度的增加，這就成就了張拉膜結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)約輕便，不僅承載能力好，而且外觀美麗大方。
膜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中主要注意的關(guān)鍵點(diǎn)都有哪些
現(xiàn)在的住宅區(qū)是越來(lái)越漂亮了，有的小區(qū)中央有一座噴水池或者有幾處水景，有的小區(qū)用鵝卵石鋪成的石子路。當(dāng)然，還有的小區(qū)建造了景觀膜結(jié)構(gòu)的建筑。用膜材料造成的建筑不僅形態(tài)萬(wàn)千，優(yōu)美可人，膜結(jié)構(gòu)在城市家具突出貢獻(xiàn)我們是有目共睹的。不管是水景，石子路還是膜景觀建筑，都是建筑工程師與企業(yè)商對(duì)更高藝術(shù)性的追求。但是任何事情都有兩面性，所以這種膜建筑也有不利的。有些景觀膜建筑，在上面花了很多成本，但是沒(méi)有什么好的效果，這就是它不利的一面。所以我們?cè)跇?gòu)建膜建筑的時(shí)候還要考慮其成本。實(shí)現(xiàn)建筑工程師與開(kāi)發(fā)商的共贏合作。
這樣才能實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展政策。那么我們?cè)谠O(shè)計(jì)膜建筑的時(shí)候應(yīng)該從哪些方面來(lái)考慮呢，形體設(shè)計(jì)、初始平衡形狀的分析，以及荷載和裁剪的分析。只要注意這四大方面的問(wèn)題，就能夠?qū)⒛そㄖ膬?yōu)點(diǎn)最大化。建筑平面的形狀大小、三維效果的造型、空間體積的大小、坐標(biāo)、結(jié)構(gòu)形式都是由體形設(shè)計(jì)來(lái)確定的。所謂的初始平衡形狀分析就是找一個(gè)最開(kāi)始的形狀。因?yàn)槟げ牧媳旧淼目箟盒院涂箯潉傂允菦](méi)有的，抗剪能力也差，所以我們只能依靠膜表層曲面的曲率變化和它的預(yù)應(yīng)力來(lái)改善提高，加強(qiáng)它的剛性和抗壓性?？臻g網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的問(wèn)題 網(wǎng)架結(jié)構(gòu)是以多根桿件按照一定的規(guī)律組合而成的網(wǎng)格狀高次超靜定結(jié)構(gòu)。
空間膜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概論？
下面是中達(dá)咨詢給大家?guī)?lái)關(guān)于空間膜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的相關(guān)內(nèi)容，以供參考。
1、膜結(jié)構(gòu)與膜材料
1.1膜結(jié)構(gòu)概念、起源和發(fā)展
膜結(jié)構(gòu)（MembraneStructure），也即張拉膜結(jié)構(gòu)（TesionedMembraneStructure），是依靠膜材自身的張拉力和特殊的幾何形狀而構(gòu)成的穩(wěn)定的承力體系。膜只能承受拉力而不能受壓和彎曲，其曲面穩(wěn)定性是依靠互反向的曲率來(lái)保障，因此需制作成凹凸的空間曲面，故習(xí)慣上又稱空間膜結(jié)構(gòu)。
古老的膜結(jié)構(gòu)在公元前幾千年就已經(jīng)出現(xiàn)，最早是由天然枝條和獸皮搭成的帳篷（Pavilion），然后發(fā)展到由鐵木和帆布制作成各種各樣的形狀。但是，從歐洲古羅馬帝國(guó)、中國(guó)漢朝時(shí)代到十九世紀(jì)末，膜結(jié)構(gòu)幾乎處于一個(gè)停滯發(fā)展的階段。直到第二次工業(yè)革命，化學(xué)工業(yè)和工程力學(xué)迅速發(fā)展，高分子合成材料技術(shù)得到大力改進(jìn)，膜材料擺脫茹毛飲血的狀況，現(xiàn)代膜結(jié)構(gòu)才開(kāi)始蓬勃發(fā)展。另外，兩次世界大戰(zhàn)也加快了膜結(jié)構(gòu)的發(fā)展。
1917年美國(guó)蘭徹斯特建議利用新發(fā)明的電力鼓風(fēng)機(jī)將膜布吹脹，作野戰(zhàn)醫(yī)院，但沒(méi)有真正成為使用的產(chǎn)品。1946年，一位名為貝爾德的人為美國(guó)軍方做了一個(gè)直徑15m圓形充氣的雷達(dá)罩，由此而衍生出了新的膜結(jié)構(gòu)工業(yè)產(chǎn)業(yè)。最受人注目的是1967年FreiOtto設(shè)計(jì)的加拿大蒙特利爾博覽會(huì)上的西德館，其以輕質(zhì)透明有機(jī)織片作為頂部結(jié)構(gòu)，開(kāi)了膜結(jié)構(gòu)商業(yè)化的先河。1970年日本大阪萬(wàn)國(guó)博覽會(huì)上一座氣承式膜結(jié)構(gòu)的擬橢圓形美國(guó)館（尺寸140×83.5m），首次采用了聚氯乙烯（PVC）涂層的玻璃纖維織物，這是世界上第一個(gè)大跨度的膜結(jié)構(gòu)。以后，膜結(jié)構(gòu)象雨后春筍，迅速發(fā)展。
膜結(jié)構(gòu)的發(fā)展總是和膜材（MembraneMaterial）的進(jìn)步分不開(kāi)的，下面先介紹膜材料。
1.2膜材料的組成和分類
通俗地講，膜材就是氟塑料表面涂層與織物布基按照特定的工藝粘合在一起的薄膜材料。常用的氟素材料涂層有PTFE（聚四氟乙烯）、PVDF（聚偏氟乙烯）、PVC（聚氯乙烯）等。織物布基主要用聚酯長(zhǎng)絲（滌綸PES）和玻璃纖維有兩種。
膜材的粘合就是將涂層與基材合二為一組成整體。建筑結(jié)構(gòu)所用的膜材大多是以壓延成型和涂刮成型的。所謂壓延成型，就是將選定的軟PVC經(jīng)塑煉后投入壓延機(jī)，按照所需厚度、寬度壓延成膜，立即與布基粘合，再經(jīng)過(guò)軋花、冷卻即可制得壓延膜材。而涂刮成型，則是將聚氯乙烯糊均勻地涂或刮在布基上，再加熱處理即可獲得涂刮膜材，普遍的是采用刮刀直接涂刮，也有采用輥式涂刮的。
根據(jù)表面涂層（Coating）和織物基材（Layer）不同，膜材料分為三大類：
（1）A類膜材是玻璃纖維布基上敷聚四氟乙烯樹(shù)脂（PTFE），這種膜材的化學(xué)性能極其穩(wěn)定，露天使用壽命達(dá)25年以上，為不燃材料（通過(guò)A級(jí)防火測(cè)試）。
（2）B類膜材料是玻璃纖維布基上敷硅酮涂層，由于膜材自身性能欠佳，現(xiàn)在基本不再使用。
（3）C類型膜材料是聚酯長(zhǎng)絲布基上涂聚氯乙烯樹(shù)脂（PVC），這種膜材受自然條件如日曬雨淋等影響較大，一般使用壽命為10年至15年，是難燃材料（通過(guò)B1級(jí)防火測(cè)試）。
1.3膜材料的性質(zhì)
膜作為繼木材、磚石、金屬、混凝土之后的第五代建筑結(jié)構(gòu)材料，具有顯著的自身特性。第一代木材和第三代鋼材拉壓性能均良好，第二代磚石和第四代混凝土則只具備良好的抗壓能力，作為第五代的膜材料則只能受拉，沒(méi)有承壓和抗彎曲能力，這是膜的最本質(zhì)的特征。具體地講，膜材的主要特征如下：
（1）拉伸性能
膜材的拉伸性能包括拉伸強(qiáng)度（TensionnStrength）、拉伸模量（ModulusofElasticity）和泊松比（Poisson‘sRatio）三個(gè)力學(xué)指標(biāo)。膜材本身不能受壓也不能抗彎，但具有很高的拉伸強(qiáng)度，所以要使膜結(jié)構(gòu)正常工作就必須引入預(yù)拉力、并形成互反曲面。通常膜材料的拉伸強(qiáng)度都可達(dá)100MPa以上。
模材應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系是非線性的，一般采用切線模量作為彈性模量，膜材的彈性膜量約為鋼的1/3左右。膜材的泊松比，即橫向變形特征，約為0.2左右。由于膜是雙向受力結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)時(shí)必須以膜材的雙軸拉伸實(shí)驗(yàn)確定膜的彈性膜量及泊松比。
（2）撕裂強(qiáng)度
膜材是張拉結(jié)構(gòu)材料，其撕裂破壞比受拉破壞要嚴(yán)重很多，所以撕裂強(qiáng)度和抗撕裂性能非常重要。PVC涂覆聚酯長(zhǎng)絲織物具有中等的撕裂強(qiáng)度，PTFE涂覆玻璃纖維的材料具有較高的撕裂強(qiáng)度。
（3）正交異向性
張拉膜結(jié)構(gòu)曲面需要經(jīng)向和緯向兩個(gè)主軸方向反向曲率來(lái)保證，一個(gè)方向的曲率向下凹，另一個(gè)方向必須向上凸。傳統(tǒng)膜材基材是由經(jīng)﹑緯向紗線編織而成，因而呈現(xiàn)很強(qiáng)的正交異性性能，經(jīng)緯向變形能力相差達(dá)3-5倍之多。
（4）蠕變和松弛
蠕變和松弛是膜材的另一個(gè)重要特性，也是膜起皺和失效的重要原因，在裁剪分析和加工時(shí)需要考慮這個(gè)因素。聚酯長(zhǎng)絲織物在使用的頭十年里就會(huì)因?yàn)槿渥儐适?0%的預(yù)張拉力，相反，玻璃纖維織物要穩(wěn)定很多。
（5）非力學(xué)性質(zhì)：安全方面的性質(zhì)，如耐久性、防火性能、防雷性能等；非安全方面性質(zhì)，如隔音或音響性能、自潔性能等等。
由于膜結(jié)構(gòu)的造型要求和膜材自身特性的原因，膜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與其它結(jié)構(gòu)有很大的不同。膜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包括形狀確定（“找形”，F(xiàn)ormFinding）、荷載分析（LoadingCaseAnalysis）和裁剪分析（CuttingPattern）等三方面內(nèi)容，下面分別論述。
2、膜結(jié)構(gòu)的形狀確定
2.1形狀確定的概念
膜結(jié)構(gòu)的形狀確定問(wèn)題就是確定初始狀態(tài)的問(wèn)題，在許多專著上被稱為“找形”（FormFinding）。膜結(jié)構(gòu)的形狀確定問(wèn)題有兩種類型：
（1）給定預(yù)應(yīng)力分布的形狀確定問(wèn)題：預(yù)先假定膜結(jié)構(gòu)中應(yīng)力的分布情況，在根據(jù)受力合理或經(jīng)濟(jì)原則進(jìn)行分析計(jì)算，以得到膜的初始幾何狀態(tài)。
（2）給定幾何邊界條件的形狀確定問(wèn)題：預(yù)先確定膜結(jié)構(gòu)的幾何邊界條件，然后計(jì)算分析預(yù)應(yīng)力分布和空間形狀。
肥皂泡就是最合理的自然找形的膜結(jié)構(gòu)。最初的找形正是通過(guò)皂膜比擬來(lái)進(jìn)行，后來(lái)發(fā)展到用其他彈性材料做模型，通過(guò)測(cè)量模型的空間坐標(biāo)來(lái)確定形狀，對(duì)于簡(jiǎn)單的外形也可以用幾何分析法來(lái)確定，膜結(jié)構(gòu)找形技術(shù)的真正發(fā)展來(lái)自計(jì)算機(jī)有限元分析方法的發(fā)展。為了尋求膜結(jié)構(gòu)的合理的幾何外形，需要通過(guò)計(jì)算機(jī)的多次迭代才能得到。
常用的計(jì)算機(jī)找形方法有：力密度法、動(dòng)力松弛法、有限元法。
2.2力密度法
索網(wǎng)結(jié)構(gòu)中拉力與索長(zhǎng)度的比值定義為力密度（ForceDensity）。力密度法（ForceDensityMethod）是由Linkwitz及Schek提出來(lái)的，原先只是用于索網(wǎng)結(jié)構(gòu)的找形，將膜離散為等代索網(wǎng)，后來(lái)，該方法被用于膜結(jié)構(gòu)的找形。把等代為索的膜結(jié)構(gòu)看成是由索段通過(guò)結(jié)點(diǎn)相連而成，通過(guò)指定索段的力密度，建立并求解結(jié)點(diǎn)的平衡方程，可得各自由結(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)。
不同的力密度值，對(duì)應(yīng)不同的外形。當(dāng)外形符合要求時(shí)，由相應(yīng)的力密度即可求得相應(yīng)的預(yù)應(yīng)力分布值。力密度法也可以用于求解最小曲面，最小曲面時(shí)膜內(nèi)應(yīng)力處處相等，肥皂膜就是最好的最小曲面的例子。實(shí)際上的最小曲面無(wú)法用計(jì)算機(jī)數(shù)值計(jì)算方法得到，所以工程上常采用指定誤差來(lái)得到可接受的較小曲面。
力密度法的優(yōu)點(diǎn)是只需求解線性方程組，其精度一般能滿足工程要求。用力密度法找形的軟件有德國(guó)EASY（EasyForm）、意大利Forten32、新加坡WinFabric等。
2.3動(dòng)力松弛法
動(dòng)力松弛法（DynamicRelaxationMethod）是一種專門求解非線性系統(tǒng)平衡狀態(tài)的數(shù)值方法，他可以從任意假定的不平衡狀態(tài)開(kāi)始迭代得到平衡狀態(tài)，最早將這種方法用于索網(wǎng)結(jié)構(gòu)的是Day和Bunce，而B(niǎo)arnes則成功地應(yīng)用于膜結(jié)構(gòu)的找形。
力密度法只是從空間上將膜離散化，而動(dòng)力松弛法從空間和時(shí)間兩方面將膜結(jié)構(gòu)體系離散化?？臻g上的離散化是將結(jié)構(gòu)體系離散為單元和結(jié)點(diǎn)，并假定其質(zhì)量集中于結(jié)點(diǎn)上。時(shí)間上的離散化，是針對(duì)結(jié)點(diǎn)的振動(dòng)過(guò)程而言的。初始狀態(tài)的結(jié)點(diǎn)在激振力作用下開(kāi)始振動(dòng)，這時(shí)跟蹤體系的動(dòng)能；當(dāng)體系的動(dòng)能達(dá)到極值時(shí)，將結(jié)點(diǎn)速度設(shè)置為零，跟蹤過(guò)程重新開(kāi)始，直到不平衡力為極小，達(dá)到新的平衡為止。
動(dòng)力松弛法最大特點(diǎn)是迭代過(guò)程中不需要形成剛度矩陣，節(jié)約了剛度矩陣的形成和分解時(shí)間，并可在計(jì)算過(guò)程中修改結(jié)構(gòu)的拓?fù)浜瓦吔鐥l件，該方法用于求解給定邊界條件下的平衡曲面。其缺點(diǎn)是迭代步驟往往很多。用動(dòng)力松弛法找形的軟件有英國(guó)InTENS、新加坡WinFabric、英國(guó)Suface等。
2.4有限單元法
有限單元法（FiniteElementMethod）最初是用來(lái)計(jì)算索網(wǎng)結(jié)構(gòu)的非線性迭代方法，但現(xiàn)在已成為較普遍的索膜結(jié)構(gòu)找形方法。其基本算法有兩種，即從初始幾何開(kāi)始迭代和從平面狀態(tài)開(kāi)始迭代。顯然，從初始幾何開(kāi)始迭代找形要比從平面狀態(tài)開(kāi)始來(lái)得有效，且所選用的初始幾何越是接近平衡狀態(tài)，計(jì)算收斂越快，但初始幾何的選擇并非容易之事。兩種算法中均需要給定初始預(yù)應(yīng)力的分布及數(shù)值。在用有限元法找形時(shí)，通常采用小楊氏模量或者干脆略去剛度矩陣中的線性部分，外荷載在此階段也忽略。
有限元迭代過(guò)程中，單元的應(yīng)力將發(fā)生改變。求得的形狀除了要滿足平衡外，還希望應(yīng)力分布均勻，大小合適，以保證結(jié)構(gòu)具有足夠的剛度。因此，找形過(guò)程中還有個(gè)曲面病態(tài)判別和修改的問(wèn)題，或者叫形態(tài)優(yōu)化（包括幾何形態(tài)優(yōu)化、應(yīng)力形態(tài)優(yōu)化和剛度形態(tài)優(yōu)化等）。用有限元法找形的軟件有澳大利亞FABDES等。
經(jīng)過(guò)找形確定的結(jié)構(gòu)初始形狀滿足了初應(yīng)力平衡條件并達(dá)到預(yù)想的形狀，但其是否滿足使用的要求，還必須進(jìn)行荷載效應(yīng)分析。
3、膜結(jié)構(gòu)的荷載分析
3.1荷載分析的內(nèi)容和方法
膜結(jié)構(gòu)的荷載分析是在形狀分析所得到的外形與初始應(yīng)力分布的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，檢查結(jié)構(gòu)在各種荷載組合下的強(qiáng)度、剛度是否滿足預(yù)定要求的過(guò)程。
膜結(jié)構(gòu)的找形有不同的理論方法，但荷載分析基本上都采用非線性有限元法（NonlinearFiniteElementMethod），即將結(jié)構(gòu)離散為單元和結(jié)點(diǎn)，單元與單元通過(guò)結(jié)點(diǎn)相連，外荷載作用在結(jié)點(diǎn)上，通過(guò)建立結(jié)點(diǎn)的平衡方程，獲得求解。
由于索膜結(jié)構(gòu)是大變形問(wèn)題，在推導(dǎo)有限元方程時(shí)，需考慮位移高階項(xiàng)對(duì)應(yīng)變的影響，即考慮幾何非線性。當(dāng)然，膜材本身也是非線性的，在工程應(yīng)用上時(shí)，材料的非線性問(wèn)題一般不予考慮。
3.2風(fēng)荷載作用
膜結(jié)構(gòu)區(qū)別于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的兩個(gè)顯著特點(diǎn)是輕和柔。輕，意味著結(jié)構(gòu)自身重量和慣性力小，自重不是主要荷載，地震力可以忽略不計(jì)，而風(fēng)是主要荷載；柔，意味著結(jié)構(gòu)無(wú)抗彎剛度，結(jié)構(gòu)對(duì)外荷載的抵抗是通過(guò)形狀改變來(lái)實(shí)現(xiàn)的，表現(xiàn)出幾何非線性特征。膜結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)決定了膜結(jié)構(gòu)是風(fēng)敏感結(jié)構(gòu)，抗風(fēng)設(shè)計(jì)在膜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中處于主要地位。
膜結(jié)構(gòu)輕、柔、飄的顯著特點(diǎn)決定了膜結(jié)構(gòu)抗風(fēng)計(jì)算的內(nèi)容也有自身特點(diǎn)。
（1）靜風(fēng)壓體型系數(shù)的確定
風(fēng)荷載體型系數(shù)是描述風(fēng)壓在結(jié)構(gòu)上不均勻特征的重要參數(shù)，一般結(jié)構(gòu)的體形系數(shù)可以從荷載規(guī)范查得。但膜結(jié)構(gòu)形狀各異，不能從荷載規(guī)范直接獲得風(fēng)壓體型系數(shù)。所以，較大的膜結(jié)構(gòu)基本都要求進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)，以獲得比較正確的膜結(jié)構(gòu)的局部風(fēng)壓凈壓系數(shù)和平均風(fēng)載體形系數(shù)。由于風(fēng)洞試驗(yàn)要滿足一系列的相似準(zhǔn)則，如幾何相似、雷諾數(shù)相似等，通常要完全滿足這些相似條件是不可能的，因此風(fēng)洞模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果有時(shí)會(huì)超過(guò)實(shí)測(cè)值很多。
（2）脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)的確定
膜結(jié)構(gòu)在荷載作用下的位移較大，結(jié)構(gòu)位形的變化會(huì)對(duì)其周圍風(fēng)場(chǎng)產(chǎn)生影響，所以膜結(jié)構(gòu)的風(fēng)動(dòng)力響應(yīng)過(guò)程是流固耦合過(guò)程。這種動(dòng)力過(guò)程的風(fēng)洞試驗(yàn)必須采用氣動(dòng)彈性模型，因此實(shí)現(xiàn)起來(lái)技術(shù)難度較大。近年來(lái)發(fā)展的“數(shù)值風(fēng)洞”技術(shù)受到越來(lái)越多的重視。這種技術(shù)簡(jiǎn)單的說(shuō)就是將計(jì)算流體力學(xué)（CFD）和計(jì)算結(jié)構(gòu)力學(xué)（CSD）技術(shù)結(jié)合起來(lái)，用計(jì)算流體力學(xué)來(lái)模擬結(jié)構(gòu)周圍的風(fēng)場(chǎng)，用計(jì)算結(jié)構(gòu)力學(xué)來(lái)模擬膜結(jié)構(gòu)，再借助某些參數(shù)的傳遞來(lái)實(shí)現(xiàn)兩者之間的耦合作用，不過(guò)，該方法還處試驗(yàn)階段。
（3）風(fēng)振動(dòng)力分析
風(fēng)力可分成平均風(fēng)和脈動(dòng)風(fēng)兩部分。平均風(fēng)的周期較長(zhǎng)，其對(duì)結(jié)構(gòu)的作用性質(zhì)相當(dāng)于靜力。脈動(dòng)風(fēng)的周期較短，其對(duì)結(jié)構(gòu)的作用為動(dòng)力性質(zhì)。當(dāng)結(jié)構(gòu)的剛度較小，自振頻率較低時(shí)，在脈動(dòng)風(fēng)荷載的作用下可能產(chǎn)生較大的變形和振動(dòng)，所以在設(shè)計(jì)索膜這類小剛度結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)進(jìn)行風(fēng)振動(dòng)力計(jì)算。索膜結(jié)構(gòu)具有振型頻譜密集、非線性特征和三維效應(yīng)不可忽略等特點(diǎn)，針對(duì)高層和橋梁結(jié)構(gòu)的風(fēng)振分析方法不能直接應(yīng)用。索膜結(jié)構(gòu)的響應(yīng)與荷載呈非線性關(guān)系，對(duì)于索膜結(jié)構(gòu)定義荷載風(fēng)振系數(shù)或陣風(fēng)系數(shù)在理論上也是不正確的。
（4）空氣動(dòng)力失穩(wěn)
膜結(jié)構(gòu)是風(fēng)敏感結(jié)構(gòu)，存在空氣動(dòng)力失穩(wěn)（AerodynamicInstability）的問(wèn)題。從本質(zhì)上看，結(jié)構(gòu)空氣彈失穩(wěn)是由于結(jié)構(gòu)在振動(dòng)過(guò)程中從與氣流的振型耦合中吸收能量，當(dāng)吸收能量大于耗散能量時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生能量累積，當(dāng)這種能量累積達(dá)到某一閥值（臨界風(fēng)速）后，結(jié)構(gòu)就會(huì)從一種低能量（穩(wěn)定）的振動(dòng)形式躍遷到另一種高能量（不穩(wěn)定）的振動(dòng)形式上去。所以，膜結(jié)構(gòu)存在設(shè)計(jì)風(fēng)速作用下的動(dòng)力失穩(wěn)問(wèn)題，幸運(yùn)的是至今還沒(méi)有這方面破壞的膜結(jié)構(gòu)實(shí)例。
3.3膜面褶皺問(wèn)題
結(jié)構(gòu)上的褶皺（Drape）是指因膜面在一個(gè)方向上出現(xiàn)壓應(yīng)力導(dǎo)致膜材屈服而產(chǎn)生的褶皺現(xiàn)象，而結(jié)構(gòu)松弛是指膜面在兩個(gè)方向上都呈現(xiàn)無(wú)張力狀態(tài)，故松弛的膜面不能承受任何荷載。褶皺判別的兩種方法：（設(shè)拉為正、壓為負(fù)）
（1）應(yīng)力準(zhǔn)則：若主應(yīng)力σ20，膜元是張緊的；若σ20，膜元是褶皺的；若σ10，單元是松弛的。
（2）應(yīng)變準(zhǔn)則：若ε20，膜元是張緊的；若ε20，膜元是褶皺的；若ε10，單元是松弛的。在荷載分析中，在每一荷載增量步中對(duì)所有的單元進(jìn)行逐一判別，如發(fā)現(xiàn)褶皺單元，可按以下方法處理：
（1）修改單元?jiǎng)偠龋簻p小褶皺單元對(duì)結(jié)構(gòu)總體剛度的貢獻(xiàn)，即修改褶皺單元的剛度矩陣，從而減小自身的實(shí)際荷載分擔(dān)，結(jié)果是增加了相臨單元的負(fù)擔(dān)。
（2）修改結(jié)構(gòu)剛度：回到找形階段，對(duì)曲面進(jìn)行修正，即通過(guò)修改局部區(qū)域的邊界條件或調(diào)整預(yù)應(yīng)力的方法來(lái)修正結(jié)構(gòu)的剛度。
常用的膜結(jié)構(gòu)幾何非線性荷載分析軟件有：美國(guó)ANSYS，德國(guó)EASY（EasyScan）、意大利Forten32、新加坡WinFabric，英國(guó)InTENS等等。
4、膜結(jié)構(gòu)的裁剪分析
4.1裁剪分析的內(nèi)容
上面已經(jīng)提到，膜結(jié)構(gòu)的分析包括三大方面內(nèi)容，即形狀確定（FormFinding）、荷載分析（LoadingCaseAnalysis）和裁剪分析（CuttingPattern）。裁剪分析，就是將由找形得到并經(jīng)荷載分析復(fù)核的空間曲面，轉(zhuǎn)換成無(wú)應(yīng)力的平面下料圖。裁剪分析包含三個(gè)步驟：
（1）空間膜面剖分成空間膜條
膜結(jié)構(gòu)是通過(guò)結(jié)構(gòu)來(lái)表現(xiàn)造型，空間膜面在剖分成膜條時(shí)，要充分考慮膜條的邊線即熱合縫對(duì)美觀的影響；同時(shí)膜材是正交異性材料，為使其受力性能最佳，應(yīng)保證織物的經(jīng)、緯方向與曲面上的主應(yīng)力方向盡可能一致；此外，用料最省、縫線最短，也是進(jìn)行膜面剖分必須考慮的因素。
（2）空間膜條展開(kāi)成平面膜片
空間膜條展開(kāi)成平面膜片，即將膜條的三維數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的二維數(shù)據(jù)，采用幾何方法，簡(jiǎn)單可行。但如果膜條本身是個(gè)不可展曲面，就得將膜條再剖分成多個(gè)單元，采用適當(dāng)?shù)姆椒▽⑵湔归_(kāi)。此展開(kāi)過(guò)程是近似的，為保證相鄰單元拼接協(xié)調(diào)，展開(kāi)時(shí)要使得單元邊長(zhǎng)的變化為極小。
（3）應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)化到無(wú)應(yīng)力狀態(tài)
從應(yīng)力狀態(tài)到無(wú)應(yīng)力狀態(tài)的轉(zhuǎn)化，即釋放預(yù)應(yīng)力、進(jìn)行應(yīng)變補(bǔ)償。膜結(jié)構(gòu)是在預(yù)應(yīng)力狀態(tài)下工作的，而平面膜材的下料是在無(wú)應(yīng)力狀態(tài)下進(jìn)行的，為確定膜材的下料圖，需對(duì)膜片釋放預(yù)應(yīng)力，并進(jìn)行應(yīng)變補(bǔ)償。這里的補(bǔ)償實(shí)際上是縮減，在此基礎(chǔ)上加上熱合縫的寬度，即可得膜材的下料圖。
上述過(guò)程，即為裁剪分析。
4.2測(cè)地線裁剪法
裁剪分析與找形技術(shù)的產(chǎn)生及發(fā)展過(guò)程極為相似，都是從測(cè)量實(shí)物模型開(kāi)始的，對(duì)于簡(jiǎn)單規(guī)則的可展曲面，可直接利用幾何方法將其展開(kāi)。現(xiàn)代概念上的裁剪分析，主要還是依賴于計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展的。在此過(guò)程中，產(chǎn)生了許多方法，如測(cè)地線法、有限元法、優(yōu)化分析法，等等。下面介紹被廣泛應(yīng)用的測(cè)地線法（GeodesicLineMethod）。
測(cè)地線又稱短程線，是大地測(cè)量學(xué)的概念，其通常被理解為：經(jīng)過(guò)曲面上兩點(diǎn)并存在于曲面上的最短的曲線。所以用測(cè)地線作裁剪分析，就是以測(cè)地線來(lái)剖分空間膜面。這樣做的好處是熱合縫最短、用料較省，但熱合縫的分布及材料經(jīng)、緯方向的考慮不易把握。
求曲面上的測(cè)地線的問(wèn)題，實(shí)際上是一個(gè)求曲面上兩點(diǎn)間曲線長(zhǎng)度之泛函極值的問(wèn)題。由于膜結(jié)構(gòu)幾何外形的新奇多變，也就無(wú)法得到曲面上兩點(diǎn)間曲線長(zhǎng)度的泛函的顯式，所以通常是求極值確定測(cè)地線上的若干點(diǎn)，再用線性插值的方法求中間點(diǎn)，從而求得測(cè)地線。
有了測(cè)地線就可以確定裁剪線：直接以測(cè)地線為裁剪線或從一條測(cè)地線向另一條測(cè)地線作垂線，以垂線中點(diǎn)的連線作為裁剪線。
4.3應(yīng)變補(bǔ)償
膜結(jié)構(gòu)是在預(yù)張力作用下工作的，而膜材的裁剪下料是在無(wú)應(yīng)力狀態(tài)下進(jìn)行的，因而在確定裁剪式樣時(shí)，有一個(gè)對(duì)膜材釋放預(yù)應(yīng)力、進(jìn)行應(yīng)變補(bǔ)償?shù)膯?wèn)題。影響膜材應(yīng)變補(bǔ)償率的因素可歸納為以下幾個(gè)方面：
（1）膜面的預(yù)應(yīng)力值及膜材的彈性模量和泊松比，這是影響應(yīng)變補(bǔ)償率的最直接因素。
（2）主應(yīng)力方向與膜材經(jīng)、緯向纖維間的夾角，這一問(wèn)題變的重要是因?yàn)槟げ氖钦划愋圆牧稀?/p>
（3）熱合縫及補(bǔ)強(qiáng)層，熱合縫及補(bǔ)強(qiáng)層的性能不同于單層膜，其應(yīng)變補(bǔ)償應(yīng)區(qū)別對(duì)待。
（4）環(huán)境溫度及材料的熱應(yīng)變性能，尤其是雙層膜結(jié)構(gòu)環(huán)境溫度相差較大時(shí)，要特別注意。
在荷載分析中，在每一荷載增量步中對(duì)所有的單元進(jìn)行逐一判別，如發(fā)現(xiàn)褶皺單元，可按以下方法處理：
（1）修改單元?jiǎng)偠龋簻p小褶皺單元對(duì)結(jié)構(gòu)總體剛度的貢獻(xiàn)，即修改褶皺單元的剛度矩陣，從而減小自身的實(shí)際荷載分擔(dān)，結(jié)果是增加了相臨單元的負(fù)擔(dān)。
（2）修改結(jié)構(gòu)剛度：回到找形階段，對(duì)曲面進(jìn)行修正，即通過(guò)修改局部區(qū)域的邊界條件或調(diào)整預(yù)應(yīng)力的方法來(lái)修正結(jié)構(gòu)的剛度。
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膜結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)
膜結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)主要包括體形設(shè)計(jì)、初始平衡形狀分析、荷載分析、裁剪分析等四大問(wèn)題。通過(guò)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。初始平衡形狀分析就是所謂的找形分析。由于膜材料本身沒(méi)有抗壓和抗彎剛度，抗剪強(qiáng)主芤很差，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)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)，因此膜曲面形狀最終必須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)找形分析的方法主要有動(dòng)力松弛法、力密度法以及有限單元法等。膜結(jié)構(gòu)考慮的荷載一般是風(fēng)載和雪載。在荷載作用下膜材料的變形較大，且隨著形狀的改變，荷載分布也在改變，因此要精確計(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)目的是一確定索、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，這就要求施加初始張應(yīng)力的程度要滿足在最不利荷載作用下應(yīng)力不致減少到零，即不出現(xiàn)皺褶。因?yàn)槟げ牧媳容^輕柔，自振頻率很低，在風(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，膜材涂變加大，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。因此初始預(yù)應(yīng)力的確定要通過(guò)荷載計(jì)算來(lái)確定。經(jīng)過(guò)找形分析而形成的摸結(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)工程中最關(guān)鍵的一個(gè)問(wèn)題，這正是裁剪分析的主要內(nèi)容。
膜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件主要有如下： 1。德國(guó)膜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件easy10.0， 2。意大利膜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件forten4000， 3。同濟(jì)大學(xué)膜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件3D3S11.0 4。上海交大膜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件SMCAD4.0 5。新加坡膜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件WinFabric 6。日本太陽(yáng)膜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件Images 7。中國(guó)建筑科學(xué)研究院結(jié)構(gòu)所空間結(jié)構(gòu)室膜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件MEMBS 8。澳大利亞膜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件FABDES 膜結(jié)構(gòu)體系由膜面、邊索和脊索、谷索、支承結(jié)構(gòu)、錨固系統(tǒng)，以及各部分之間的連接節(jié)點(diǎn)等組成，見(jiàn)下示意圖：
膜結(jié)構(gòu)按支承條件分類為：柔性支承結(jié)構(gòu)體系、剛性支承結(jié)構(gòu)體系、混合支承結(jié)構(gòu)體系，結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)下圖：
膜結(jié)構(gòu)按結(jié)構(gòu)可分為：骨格式膜結(jié)構(gòu)、張拉式膜結(jié)構(gòu)、充氣式膜結(jié)構(gòu)。詳細(xì)見(jiàn)下圖：
膜結(jié)構(gòu)建筑形式的分類： 從結(jié)構(gòu)上分可分為：骨架式膜結(jié)構(gòu)，張拉式膜結(jié)構(gòu)，充氣式膜結(jié)構(gòu)3種形式
1.骨架式膜結(jié)構(gòu)（Frame Supported Structure）
以鋼構(gòu)或是集成材構(gòu)成的屋頂骨架，在其上方張拉膜材的構(gòu)造形式，下部支撐結(jié)構(gòu)安定性高，因屋頂造型比較單純，開(kāi)口部不易受限制，且經(jīng)濟(jì)效益高等特點(diǎn)，廣泛適用于任何大，小規(guī)模的空間。
2.張拉式膜結(jié)構(gòu)（Tension Suspension Structure） 以膜材、鋼索及支柱構(gòu)成，利用鋼索與支柱在膜材中導(dǎo)入張力以達(dá)安 定的形式。除了可實(shí)踐具創(chuàng)意，創(chuàng)新且美觀的造型外，也是最能展現(xiàn)膜結(jié) 構(gòu)精神的構(gòu)造形式. 大型跨距空間也多采用以鋼索與壓縮材構(gòu)成鋼索網(wǎng)來(lái)支撐上部膜材的形式。因施工精度要求]高，結(jié)構(gòu)性能強(qiáng)，且具豐 富的表現(xiàn)力，所以造價(jià)略高于骨架式膜結(jié)構(gòu)。
3.充氣式膜結(jié)構(gòu)（Pneumatic Structure） 充氣式膜結(jié)構(gòu)是將膜材固定于屋頂結(jié)構(gòu)周邊，利用送風(fēng)系統(tǒng)讓室內(nèi)氣壓上升到一定壓力后，使屋頂內(nèi)外產(chǎn)生壓力差，以抵抗外力，因利用氣壓來(lái)支 撐，及鋼索作為輔助材，無(wú)需任何梁，柱支撐，可得更大的空間，施工快捷，經(jīng)濟(jì)效益高，但需維持進(jìn)行24小時(shí)送風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，在持續(xù)運(yùn)行及機(jī)器維護(hù)費(fèi)用的成本上較高。
現(xiàn)今，城市中已越來(lái)越多地可以見(jiàn)到膜結(jié)構(gòu)的身影。膜結(jié)構(gòu)已經(jīng)被應(yīng)用到各類建筑結(jié)構(gòu)中，在我們的城市中充當(dāng)著不可或缺的角色：
膜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)注意哪些細(xì)節(jié)？
在膜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中主要注意的問(wèn)題有：膜建筑想必大家非常熟悉了，因?yàn)樵谖覀兩畹闹車伎梢钥匆?jiàn)膜建筑，停車棚是膜建筑，體育館的看臺(tái)是膜建筑，學(xué)校演出的舞臺(tái)是膜建筑。那么設(shè)計(jì)師是怎么設(shè)計(jì)出堅(jiān)實(shí)耐用又好看的膜建筑的：進(jìn)行膜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該用概率理論作為設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，以極限狀態(tài)為方法的設(shè)計(jì)理念，還要用分項(xiàng)和系數(shù)的數(shù)學(xué)表達(dá)式來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。還應(yīng)該看建筑物的性質(zhì)和意義。還有該建筑的使用年限、它是用來(lái)做什么的、它建筑的空間大小、以及一定的安全防火性和建筑地的自然條件。然后再具體的選擇合適的膜材料。膜建筑的設(shè)計(jì)還要分析它的內(nèi)外荷載力、支持砥柱、怎么制作和加工、施工的狀況和其他特殊要求來(lái)進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)。
除了它的荷載能力還有裁剪設(shè)計(jì)，還有支撐材料設(shè)計(jì)和配件裝飾設(shè)計(jì)，這些都應(yīng)該在施工之前進(jìn)行精確的計(jì)算。要記住膜材料只能承受張力。膜材料表面的主要應(yīng)力應(yīng)該是小于膜材強(qiáng)度的設(shè)計(jì)值。如果是長(zhǎng)期需要荷載，那么最小的主應(yīng)力應(yīng)該大于和等于維持膜材最原始平衡能力的應(yīng)力值。膜建筑在進(jìn)行一體化的時(shí)候，還要考慮膜材料的松弛度，變化程度和老化度。在膜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)還要注意使用階段的膜材對(duì)整體結(jié)構(gòu)替換后的影響。還要考慮膜材料以及支撐膜材料的抗壓性、剛性以及兩者的穩(wěn)定性。
膜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的原則有哪些？
膜結(jié)構(gòu)的形狀確定問(wèn)題就是確定初始狀態(tài)的問(wèn)題模結(jié)構(gòu)施設(shè)計(jì)，在許多專著上被稱為“找形”（FormFinding）。膜結(jié)構(gòu)的形狀確定問(wèn)題有兩種類型模結(jié)構(gòu)施設(shè)計(jì)：給定預(yù)應(yīng)力分布的形狀確定問(wèn)題：預(yù)先假定膜結(jié)構(gòu)中應(yīng)力的分布情況模結(jié)構(gòu)施設(shè)計(jì)，在根據(jù)受力合理或經(jīng)濟(jì)原則進(jìn)行分析計(jì)算，以得到膜的初始幾何狀態(tài)。 給定幾何邊界條件的形狀確定問(wèn)題：預(yù)先確定膜結(jié)構(gòu)的幾何邊界條件，然后計(jì)算分析預(yù)應(yīng)力分布和空間形狀。肥皂泡就是最合理的自然找形的膜結(jié)構(gòu)。最初的找形正是通過(guò)皂膜比擬來(lái)進(jìn)行，后來(lái)發(fā)展到用其模結(jié)構(gòu)施設(shè)計(jì)他彈性材料做模型，通過(guò)測(cè)量模型的空間坐標(biāo)來(lái)確定形狀，對(duì)于簡(jiǎn)單的外形也可以用幾何分析法來(lái)確定，膜結(jié)構(gòu)找形技術(shù)的真正發(fā)展來(lái)自計(jì)算機(jī)有限元分析方法的發(fā)展。為了尋求膜結(jié)構(gòu)的合理的幾何外形，需要通過(guò)計(jì)算機(jī)的多次迭代才能得到。
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