探索张拉膜结构建筑设计中的灵魂

发布时间：2019-10-18

来源：上海示一膜结构

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我们常说设计是建筑的灵魂，发挥无限想象，通过别具一格独特新奇的设计理念往往能给我们带来的是惊喜。而设计和膜结构完美组合的产物是一个一个美轮美奂的膜结构建筑，让人叹为观止！

张拉膜结构的设计,由于其自身的特点不同于一般传统结构形式，技术上必须经过如下四个步骤：
1 建筑方案设计，建筑师根据业主的意图、功能要求、环境条件等初步确定建筑的平面形状尺寸、空间形式及三维造型、净空体量等，基本确定各控制点的坐标。考虑经济和施工工艺等技术条件，与膜结构工程师、业主及施工技术人员等一起确定经济合理的初步设计方案。

2 找形分析，预应力值及对于索膜结构而言，在没有施加预应力之前，是没有结构刚度的，也就是说膜结构任何时候不存在无应力状态。由于膜材料本身没有抗弯刚度，其曲面形状与预应力值的大小和分布是一一对应的，因此在控制点坐标确定后，给定一合理的预应力值及其分布，才能确定合适的膜曲面形状。预应力值的大小与分布是需根据多方面的条件进行反复调整后综合确定的，这个过程叫做找形分析。此过程与方案设计过程往往密不可分，往往需反复调整方可即满足建筑形状的要求又保证结构的经济合理及安全可靠。
3 荷载分析，膜结构的控制荷载通常是风载和雪载。在荷载作用下膜结构的变形较大，因此精确计算结构的变形和应力分布要用几何非线性的方法进行。根据不同工况下计算出的索、膜、梁、杆等结构构件中的内力分布的最不利节点做法及构造措施等。因此，经济安全的索膜建筑必须经过仔细的内力分析后才能完成，不是凭经验拍脑袋就能确定得了的。荷载分析的另一目的是检验确定索、膜中初始预应力，一般来说在找形分析时先根据经验假定一预应力值及其分布，然后经荷载分析来判定其合理性，即预应力的大小与分布应使在最不利工况下必须满足使用要求、整体和局部位移要求及排水功能等要求。

4 剪裁分析，剪裁分析就是在预应力状态下的曲面形体上寻求合理的裁剪线位置及其分布，然后按照一定的方法将三维曲面展开为二维平面。为物尽其用，一般要按照膜材料幅宽进行裁剪，但要兼顾到膜曲面曲率变化情况。由于膜材料具有双向异性性质，故裁剪线的布置要与计算时所设定的膜材经纬向一致，才能保证计算结果与实际相符。膜材料的裁剪下料通常是在无应力状态下进行的，如何在预应力的形体上进行无应力状态下的裁剪分析，国内外学者都已进行了较为深入的研究，提出了诸如几何法、最小二乘法、动态规划法与平面热应力原理相结合的有限单元法等多种方法。

张拉膜结构建筑的简约性使其不能隐藏任何设计缺陷，张力的松弛或是不连续都会被充分暴露出来，而且会导致膜面褶皱及变形，降低了结构的使用寿命。膜结构的所有构件都是完全可见的。它是一种独特的结构，在设计时要仔细权衡，任何构件的设计都不能随意修改，因为修改任一构件都将影响整个结构的几何形状以及顶应力的平衡。因此，建筑师只有全面深入地了解张拉膜结构体系才能创作出优秀作品。

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