膜結(jié)構(gòu)設(shè)計

膜結(jié)構(gòu)的設(shè)計一般分為四個步驟，分別為形體設(shè)計、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)計從來就不是按部就班，而且一個不斷嘗試不斷實驗的過程。

（1）形體設(shè)計。形體設(shè)計是設(shè)計的根本，也是設(shè)計的初始，在形體設(shè)計的時候，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的坐標(biāo)。同時也應(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，需要對薄膜材料進行一定的預(yù)張拉。對于膜結(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)力來提高。那也就是說，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度，抗剪強度又很差，所以，在正常使用過程中，在受到風(fēng)荷載或者雪荷載的影響下，薄膜材料會產(chǎn)生形變，一旦薄膜材料發(fā)生了變形就會導(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，膜結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)是一種變化值，在對膜結(jié)構(gòu)進行力學(xué)分析時宜采用幾個非線性的方法進行分析。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，所以要對薄膜材料進行張拉使其有一定的強度儲備。但如果薄膜材料張拉過大，對受力構(gòu)件強度的要求也會變大，無疑是增加了現(xiàn)場施工安裝的難度。所以要通過荷載計算來確定張拉時所需要的初始預(yù)應(yīng)力大小。在設(shè)計的過程中還應(yīng)該考慮風(fēng)荷載，對于會下雪的區(qū)域還應(yīng)該考慮雪荷載[4]。

（4）裁剪分析。之前的各種計算都是在一個三維空間進行的各項計算，包括通過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的空間曲面。但如何實現(xiàn)這個空間曲面的建設(shè)，這就需要將二維的薄膜材料進行裁剪，再經(jīng)過張拉，最后變成所需要的預(yù)設(shè)的三維空間曲面。這個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)工程中一般采用動力松弛法、力密度法以及有限元法等來進行荷載分析設(shè)計和裁剪分析設(shè)計，在設(shè)計過程中，要對膜結(jié)構(gòu)主要的構(gòu)件尺寸進行計算確定，對膜結(jié)構(gòu)的支承結(jié)構(gòu)進行有限元分析，并且對于可靠連接方式也需要進行計算，確定螺栓、焊縫和其他次要構(gòu)件的尺寸，為實現(xiàn)膜結(jié)構(gòu)的施工提供計算依據(jù)。

實際上，膜結(jié)構(gòu)在設(shè)計上不僅需要考慮的膜結(jié)構(gòu)的各項計算，在膜結(jié)構(gòu)的方案設(shè)計時就需要考慮各種方面的問題，在進行膜結(jié)構(gòu)方案設(shè)計階段時，設(shè)計師根據(jù)工程經(jīng)驗在了解該項膜結(jié)構(gòu)的跨度，使用時會遇到的荷載工況來進行預(yù)判和進行概念設(shè)計，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，對于關(guān)鍵節(jié)點設(shè)計的時候，要盡量避免應(yīng)力集中。一般在考慮膜面和固定構(gòu)件的形狀的時候，要避免積水，造成對膜結(jié)構(gòu)產(chǎn)生積水荷載，增加膜結(jié)構(gòu)設(shè)計難度。膜結(jié)構(gòu)在設(shè)計過程中，還要考慮薄膜材料和加強構(gòu)件的運輸和吊裝，要簡化膜于支承的連接節(jié)點，不宜設(shè)置過于巨大或者復(fù)雜的結(jié)構(gòu)造成運輸或者現(xiàn)場安裝施工造成困難，降低現(xiàn)場施工量。對于膜結(jié)構(gòu)本身，也要要進行耐久性和防火和造型美觀的考慮。