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景观张拉膜结构的设计与分析

景观张拉膜结构的设计与分析

景观张拉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。景观张拉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。

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一是形态找寻与确认

景观张拉膜结构的形态是表面张力结构体系更为核心的要素,形态的好坏直接决定了体系的成立与否,是结构设计的初步工作。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。

景观张拉膜结构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A向的膜材提供抗拉能力,当出现向上的风荷载力时,B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。在景观张拉膜结构设计中,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。

景观张拉膜结构设计的首步即为找形分析。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,形态找寻有两个基本原则: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。

三.结构分析与设计

景观张拉膜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

景观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、PTFE涂层覆盖玻璃纤维织物,后者中更具代表性的是乙烯–四氯乙烯共聚物。

2.荷载与作用

景观张拉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。

3.计算分析

景观膜结构必须考虑几何非线性进行计算,软件可采用如国内的3D3S,国际的ANSYS。膜结构计算一般是支承结构和膜面一起整体计算分析,也有先单独计算膜面,再提出反力验算支承结构的算法。景观膜结构的验算包括膜面和支承结构的验算,验算一般包含变形和应力的验算。

四、裁剪设计

景观膜结构验算完成后,结构设计内容完成。膜面下料前还有一个裁剪设计,即将由形态找寻得到并经荷载分析验算的空间曲面,转换成无应力的平面下料图,相当钢结构设计中的深化设计,以用于景观膜结构裁剪下料。裁剪设计由膜材厂家深化完成,目前常用的裁剪设计方法有测地线裁剪法、平面相交裁剪法、动态规划法、力密度法。完成裁剪设计后,

五、总结

在景观张拉膜结构设计中,更重要是找形分析,是后续结构荷载验算的基础,找形后膜面形态如果不合理,后续结构验算就不能满足设计要求,这时可以重新找形再次验算,直到结构验算满足设计要求为止。

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