膜结构设计与分析

膜结构设计与分析

膜结构是以性能优良的织物为基本材料，利用柔性索或刚性支承将织物张拉紧，利用空间形态形成具有良好刚度的结构体系，是一种张力结构，整个膜面只受拉力。根据其支承结构及边界约束的不同一般可分为三种类型:柔性体系、刚性体系及混合体系。膜结构以膜面良好的采光性能和优美的造型在住宅会所、停车场、入口雨棚、机场进出口等场所得到了广泛的应用。

一、形态找寻与确认

膜结构的形态是表面张力结构体系最为核心的要素，形态的好坏直接决定了体系的成立与否，是结构设计的第一步工作。膜材不具有抗压、抗弯的能力，只具有抗拉能力，因此表面张力结构必须充分利用结构曲面空间形态以及预张紧力来维持自身稳定并抵抗外部作用。

膜面的外形必须具有抵抗双向外力的能力，当抵抗向下的自重及雨水荷载时，则上向的膜材提供抗拉能力；当出现向上的风荷载力时，下向的膜材提供抗拉能力，这种双向互反曲面就是一种理想表面张力的曲面，该曲面在数学上称为负高斯曲面，在日常生活中称为马鞍面。在膜结构设计中，要求建筑与结构在方案阶段就紧密配合，找寻到一种即满足建筑造型效果又满足结构力学平衡要求的马鞍山形态。

膜结构设计的第一步即为找形分析。形态找寻的方法有力密度法、动力松弛法及非线性有限元法，形态找寻有两个基木原则：1）必须是马鞍面；2）尽量避免扁平区域；3）找形后膜面初始应力应尽量均匀。通过找形分析，确定膜面的初始形态和初始张拉应力。

二、结构分析与设计

结构体系的形态找寻确认之后，结构专业需进行一些列分析，包括膜材选择、荷载确定、膜面计算，支撑体系的计算等。

1.膜材选择

建筑领域所用的膜材有织物类膜材与非织物类两大类，前者常用的有PVC涂层覆盖聚酯纤维织物(PVC膜，规程Р类)、PTFE涂层覆盖玻璃纤维织物(PTFE膜，规程G类)，后者中最具代表性的是乙烯-四氯乙烯共聚物(ETFE膜，规程E类)。

2.荷载与作用

膜结构荷载效应分析，是在初始形态确定后的几何形态和初始张力的基础上，考虑各种可能的荷载组合对膜结构进行计算分析。荷载主要是恒载、活载、风荷载，作用主要是温度作用。恒载主要是包括膜材及其支撑结构