膜结构的设计与施工-建筑结构-建筑设计公司

膜结构的设计与施工

膜结构建筑的结构计算通常由计算机完成,其复杂型体的整体空间作用和繁杂的抗风计算是从事一般建筑结构设计的工程师难以完成的 [4] 。国外各大从事膜结构建筑设计和安装的专业公司,都各自开发了大型的专业软件,但为了控制市场都严格保密。目前国内已经出现的诸如上海八万人体育场等少数膜结构建筑,也都是外国公司设计的。我国自行设计的大型膜结构还很少,国内也尚无成熟的理论计算方法及相应的计算设计程序,制约了膜结构在我国的发展、应用与研究。

传统膜结构的设计主要包括体形设计、找形分析、荷载分析、裁剪分析等。

体形设计确定建筑平面形状尺寸、三维造型、净空体量,确定各控制点的坐标、结构形式,选用膜材和施工方案。找形分析又称为初始形态分析,主要是寻找并确定一个既满足膜内力平衡条件又接近设计者预想造型的曲面。由于膜材料本身没有抗压和抗弯刚度,抗剪强度也很差,因此其刚度和稳定性需要靠膜曲面的曲率变化和其中预张应力来提高,对膜结构而言,任何时候不存在无应力状态,因此膜曲面形状最终必须满足在一定边界条件、一定预应力条件下的力学平衡,并以此为基准进行荷载分析和裁剪分析。膜结构的荷载一般是风载和雪载,荷载作用下膜材料的变形较大,要精确计算结构的变形和应力要用几何非线性的方法进行;荷载分析的另一个目的是确定索、膜中初始预张力。在外荷载作用下膜中一个方向应力增加而另一个方向应力减少,要求施加初始张应力满足最不利荷载作用下应力不致减少到零,即不出现皱褶。剪裁分析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。膜材料轻柔、自振频率很低,风荷载作用下极易产生风振,导致膜材料破坏,如果初始预应力施加过高,膜材徐变加大,易老化且强度储备少,对受力构件强度要求也高,增加施工安装难度。

初始预应力要通过荷载计算来确定。经过找形分析而形成的膜结构通常为三维不可展空间曲面,如何通过二维材料的裁剪,张拉形成所需要的三维空间曲面,是整个膜结构工程中的关键问题,是裁剪分析的主要内容。

施工时,应根据膜面的尺寸和施工场地的条件,认真确定膜材的结合位置,以及膜材的捆包、搬运和展开。

膜结构的应用前景

随着工业的发展与计算技术的进步,膜结构也从临时建筑迈入永久性建筑行列,并成为当代充满活力的一种新型大跨度空间结构体系。在许多国家举办奥运会、世博会的场馆建设中,膜结构以其绚丽的色极和丰富的造型赢得了人们关注、认同。1995年建成的北京房山游泳馆(跨度33m,1100m2 )与鞍山农委游泳馆(跨度30m,1000m2 )是我国正式应用于工程的空气支承膜结构,标志我国开始启动膜结构的工程建设。1997年通过引进国外膜结构技术建成了上海八万人体育场看台挑棚后,又相继建成了青岛颐中体育场挑棚膜结构、杭州游泳馆、网球馆双层膜结构等二百余项膜结构工程,年增长率达20%以上 [7] 。目前膜结构除了用于体育馆、体育场等体育设施之外,还广泛应用于商业、教育、交通运输设施等。由于膜结构新颖美观的造型和多变的色彩,还可用于标识性建筑,例如城市与地方的标识、公园入口标识、展览会标识、行业与会议标识等。然而,目前膜结构在我国尚处于小范围的试验阶段,但随着我国经济实力的增强,新工艺、新材料、新设备的出现,膜结构建筑将成为我国21世纪空间结构的发展主流。

自重轻,跨度大,造价低,可以最大限度发挥材料特性,有利防震;造型新颖美观,色彩多变,可为文化、体育、旅游、商业设施提供最佳的形象包装;具有较好的防水、透光性能,建设周期短,可做永久性建筑,也可移动搬迁,有利于城建景观及房地产项目的开发。可以预见,21世纪中国的经济突飞猛进,膜结构建筑将在未来大型建筑中展现新、奇、轻、美的特点,因此膜结构建筑的研究与开发有着广泛的发展前景。