膜结构建筑是一种轻型的空间结构, 是一种全新的建筑艺术表现形式, 自从膜结构的诞生以来, 就迅速在世界各地发展起来。它集建筑学、力学、美学、环境学、精细化工、材料科学于一体, 通过现代计算机技术和建筑结构科学相结合, 使其外观可以随着建筑师的需要任意变化, 结合整体环境, 建造出赏心悦目的标志性工程。它除了有着十分丰富的建筑外形, 还有着有意的建筑特性、结构特性和适宜的经济性, 使膜结构从诞生以来就在世界各地得到飞速发展。

按照膜在结构中所起的作用和膜结构形式, 膜结构体系一般可分为张拉膜、骨架式膜、充气膜, 它们具有不同的特点、建筑表现形式, 适用不同的百富策略白菜网场所。

张拉膜结构是有稳定的空间双曲张拉膜面、支承桅杆体系、支承索与边缘索等构成的结构体系。张拉膜充分发挥张力曲面膜的特点, 造型丰富, 飘逸流畅平滑柔软的空间曲面, 通透简洁明快的无柱大跨空间, 纤细有力的张拉索、稳定索、平衡膜内力的边缘索, 与膜曲面完美协调。

膜布是表面涂有涂层的化学纤维织物薄膜。它分为两部分, 基层是化学纤维织物, 它主要决定膜材力学性能, 提供材料的抗拉强度和抗剪强度等;外层为涂层, 主要解决材料的物理性能, 提供材料耐火、耐久性及防水自洁性。由此, 可知膜布既是结构材料, 也是围护材料, 是一种能将自由曲线的造型和透明质感有机统一起来的新型建筑结构围护材料。其自重轻、抗拉性能好;更适合覆盖大空间结构建筑。

膜布有经向和纬向相互正交的纤维织物组成, 由于纤维织物是柔性材料, 自身强度是靠拉力产生, 刚度和稳定性的获得是通过预应力和曲度来达到静态的平衡。膜布在平衡状态下有两个弯曲方向, 其曲率半径相反, 一个凸出, 一个是凹下, 纤维股的方向一般与这两个方向平行。对应于这些方向的内压力产生反力, 使体系保持静态平衡。其主要方向 (经向) 将承担这种荷载, 而垂直于该方向的纬向是另一曲面, 将帮助系统维护稳定。这种受力方式使任何局部荷载均有整体结构来承担, 充分发挥了纤维的抗拉性, 因此, 膜布是一种新型空间结构材料 (如图1所示) 。力的平衡方程表示如下:

P=f1/R1-f2/R2

式中, P为单元膜布所能承担的荷载;f1为方向1上的膜布拉应力;f2 为方向2上的膜布拉应力;R1为方向1的膜布曲率半径; R2为方向2的膜布曲率半径。

由于膜受张拉, 是空间受力状态, 形体是空间的自由曲面形态。其形态在数学上定义为双曲抛物面。从而从根本上改变了传统建筑基于压力学原理上的空间、形态特征和拉力作用下的直线形态特征。

膜结构设计主要包括三个阶段:找形分析、荷载分析、裁剪分析, 找形分析是基础, 荷载分析是关键, 裁剪分析是目标和归宿。

找形分析需要建筑师、业主、结构工程师紧密配合, 创造出具有个性特征的作品, 既满足建筑意象, 又符合膜受力的稳定平衡形态。德国Linkwitz等提出了力密度法[4]。在进行索膜结构形态分析时, 首先将索膜结构离散为由节点和杆单元构成的索网状结构模型, 建立每一节点的静力平衡方程, 通过预先给定索网中各杆的力和杆长的比值, 从而将几何非线形问题转化为线形问题, 结合边界节点的坐标联立求解线性方程组, 得到索网各节点的坐标, 从而得到膜结构的初始位形。不同的力密度分布对应着不同的外形, 当外形符合要求时, 由相应的力密度即可求得相应的预应力分布值。力密度法收敛速度快, 但结果与实际误差较大, 且荷载分析时还需用非线性方法;非线性有限元法[5]是Haug和Powell首次百富策略白菜网到索膜结构的分析中, 并证明方法的适用性和有效性。此后的研究均以有限元为基础, 围绕不同的膜单元, 提出了各自的膜结构形态分析方法。有限元找形分析就是在一个非平衡的初始形态上, 划分有限元单元网格, 采用小弹性模量以忽略膜的弹性刚度, 让软化的膜在不平衡预应力作用下自由变形, 通过迭代计算逐步收敛, 最后得到平衡态。由于计算理论都是以平面膜单元作为索膜结构的计算模型, 而实际上膜结构作为只能抗拉的软壳体是不适宜采用这种平面单元的, 其缺点是需要过多的平面内位移来满足平衡的要求, 而实际情况是只需要一定的平面外和平面内的位移及曲率变化就可以了。除上述两种方法还有动力松弛法、小模量几何非线性分析方法等。

荷载分析首先要建立正确合理的分析模型, 然后考虑荷载作用的合理取值, 并进行综合结构响应评价, 确定最优安全度、材料量、经济指标。由于膜结构自重较轻, 风作用显得尤其重要。膜结构中的一些意想不到的作用效果甚至局部破坏, 都是由于风作用引起的。但风振问题比较复杂, 膜结构的体型系数一般宜通过风洞试验来确定。研究表明, 稳态的风场和刚性的模型所获得的试验结果是可以作为设计时的体型系数的参考值, 不考虑模型的变形并不会带来不可接受的误差。在实际设计中, 对于低频阶段的影响可以采用动力系数以增加风压力。一种积极的设计是通过设计一些泄风和导风装置减小风的压力或托力[6]。

裁剪分析必须准确模拟膜的任何边界约束, 预张力与找形分析所认为合理预张力完全一致, 以及考虑材料、加工、安装运输等因素, 进而得到合理裁剪分析结果。裁剪分析要求在平面膜材上放出大样, 尽可能精确地拟合空间曲面上的相应条块。放样时还要考虑到释放预张力引起的缩放量。剪裁分析是对初始形态分析结果的必要保证。剪裁分析还要考虑一些具体因素:膜材幅宽、膜面美观、膜材经纬方向布置等因素。确定裁剪线的主要方法有:测地线法、切面法、动态规划法。

张拉膜结构体系[7]是利用钢索或骨架结构悬挂或支撑膜布形成的空间结构体系。其形式在不断发展。根据膜布张拉方式不同, 一般分为三类: (1) 悬挂式膜结构; (2) 支撑式膜结构; (3) 悬索穹顶膜结构。其强度、刚度及稳定性的特点, 决定界面的围合方式。我们所做的张拉索膜结构就是一般意义上的悬挂式膜结构—马鞍形膜结构。利用结构设计软件3D3S中的膜结构设计模块进行设计, 设计出来的马鞍形膜结构三维模型图 (图2) 如下所示。

主要技术参数如下:本文的空间张拉膜结构主要由膜布及膜布四根边索、膜布角点节点板、结构的四根稳定索和两钢管柱四部分基本构件组成。具体布置如图3, 4所示。

膜材裁剪主要分为两个步骤:1、裁剪线确定即将膜曲面剖分为空间膜片, 利用测地线法确定的膜片的标注;2、膜片展开即将空间膜片展开为平面裁剪条元, 空间膜片的平面展开主要考虑其计算精度和效率。膜材裁剪片号及坐标标注如下图5和表1。

虽然目前有多种锚固基础可供选择, 但是锚固基础本身的设计理论在国内外并不是非常的成熟, 除了《土层锚杆设计与施工规范》 (CECS 22:90) , 国内还没有其他专门针对锚固基础的规范或者规程。

抗拔桩和锚杆等抗拔基础, 其工作机理是依靠桩体或锚固体与土体间的剪力传递来提供上拔承载力, 这些以剪切机理为主的抗拔基础上拔位移较小, 刚度较大, 而如锚板以端部压缩机理为主的锚固基础, 柔度较大, 上拔位移较大, 可能在实际工程中代替承载力成为控制设计的因素。

Meyerhof和Adams[8]提出的基于模型试验的计算锚板上拔承载力的半经验公式, 至今仍然在工程界得到广泛百富策略白菜网。在临界埋深以上, 发生整体剪切破坏的浅埋条形锚板, 单位面积的锚板抗拔承载力系数Nqu:

Nqu=1+2SDBKutanψΝqu=1+2SDBΚutanψ

式中, D为锚板埋深;B为锚板宽度;ψ为砂土内摩擦角;Ku为计算垂直剪切面上的土压力的名义抗拔系数, 取0.95。

S和m为与锚板几何形状有关的系数, 对方形锚板有:S=1+m (D/B)

砂土中方形锚板抗拔承载力Qu:

QU=γB2DNqu, γ土的重度, 其他同上。

①由于现阶段膜结构的抗风设计理论还不完善, 设计时我们一般采用等效静风荷载来分析, 没有考虑风荷载的动力效应——风致振动作用, 所以设计出来作品在面对强风 (设计考虑风力范围之内) 时都有不同程度的破坏, 如2005年海南三亚美丽之冠在台风“达雅”登陆时惨遭破坏的情况。因此, 在我们以后的膜结构设计中我们不能忽视风的动力作用, 应更全面的考虑膜结构的受力状况。②膜面的制作质量控制, 包括:a.几何尺寸:膜面的几何尺寸检查必须在拼接厂完成, 拼接厂完工后按安装要求对膜面进行折叠、装箱, 运到现场后直到吊装到安装位置才能展开。因此, 在施工现场是无法对膜面尺寸进行测量的。b.膜面和接缝质量:安装过程中监理必须检查膜面上是否有划伤或破洞。如发现问题, 应分清责任, 要求膜面供货单位或膜面安装单位进行赔偿或修补。③在对膜材进行裁剪分析时, 为充分利用膜材, 做到经济合理, 一般按膜材幅宽进行裁剪, 但要兼顾曲面的曲率变化情况。由于膜材具有双向异性性能, 故裁剪线的布置要与计算时所设的膜材方向一致;④当膜面安装过程当中发生膜面破损, 必须立即进行修补。膜面张拉应力控制;膜面应力张拉不可一次到位, 以防主体钢结构侧向失稳。应分块逐步张拉到位;⑤防水密封:在膜面与天沟、膜面与膜结构的结合部位较易发生漏水, 应及时检查发现泄露点, 配合设计对泄露部位提出整改方案, 督促施工单位进行防水施工[9]。⑥对于活动柱构造形式的结构, 其施工阶段的预应力施加与膜材褶皱调整是一个繁琐而重要的过程。膜面褶皱的出现, 不仅会影响整个结构的美观, 还会使该片膜面失效, 但由于各种因素的制约, 膜材内施加的预应力很难做到均匀。因此膜材出现褶皱就在所难免。但只要抓住褶皱出现的关键因素, 有针对性地进行调整, 可取得令人满意的效果。⑦对张拉膜结构进行张拉施工时, 一般要采取分组分批张拉构件 (包括索和膜) 的施工方法, 但需要考虑以下问题:a.分批张拉时, 后批构件张拉 (安装) 必然会造成前面所有批构件实际内力的变化, 这种变化不是线性的。b.当最后一批构件张拉 (安装) 完毕后, 除最后一批构件外, 所有构件的内力值均受到影响。通过施工分析, 控制施工张拉每一阶段的构件的预应力值, 使之最终达到理想的设计预应力值。在预应力值的数值计算过程中, 要考虑非线性的影响, 同时还要考虑附加荷载的影响, 这样得到的结果较接近于实际情况。

自1995年以来薄膜结构在我国的百富策略白菜网日益增多, 规模较大的膜结构已有130多座, 总面积达37×104m2 , 还有为数众多的小型建筑乃至建筑小品。与国外膜结构发展相似, 在此期间体育建筑起了催化作用, 1997年建造的上海八万人体育场, 虽然借助了外国的力量, 但对中国膜结构发展的影响甚为深远。自从1997年以来, 膜结构以每年平均20%的速度增长, 到2001年已达到每年12×104m2的规模。估计今后还能以这样的速度, 甚至更快的速度向前推进。但无论是在材料、设计还是施工方面, 我们与国际先进水平相比还存在较大的差距。

展望未来, 随着中国经济的增长和文化生活的不断丰富, 将建造更多的具有新颖功能、形式多新的建筑。例如, 北京将举力2008年奥运会, 按照规划需要32个体育场馆, 其中19个是新建的。正在规划的奥林匹克公园将包括国家体育场、国家体育馆、国家游泳中心、国际展览中心等项目。此外, 2010年的世界博览会将在上海举行, 各种类型的展览馆将由世界各国来建设。大部分工程项目将实行国际招际, 这必将吸引不少国外的设计、咨询与施工单位来参与, 无疑这会给中国不定期带来新的概念和先进的技术。由于膜结构所独有的特点, 它将会以更大的规模增长。通过其发展, 中国与世界的交流和合作也将不断壮大。

索膜结构的百富策略白菜网前景是十分令人鼓舞的, 它作为2l世纪最具前途的建筑结构型式之一, 不仅可作为标志性的建筑场馆, 同时也可以广泛百富策略白菜网于工农业生产和日常生活中, 为创造和改善人类的生活环境发挥其应有的潜力.今后, 应对索膜结构在如下几方面进行更广泛的研究工作:

(1) 将现在的分析理论与计算机图形学相结合, 对索膜结构进行从初始形态确定、受力和裁剪的全过程跟踪分析, 并开发相应的计算软件;

(2) 如何利用力密度方法结合其他手段进行荷载分析;

(3) 研究索膜结构的风振响应性能, 对可能导致的自激问题进行深入的理论分析和风洞实验研究;

(4) 很多边界条件和预应力条件下并不存在等应力面, 结构初始形态分析需优化。可以以应力分布尽量均匀, 能量最小等原则作为优化目标;

(5) 索膜结构的设计过程实际上是一个反复多次计算的过程, 选择优化的计算程序能够大量节约时间, 提高效率, 从而重点考虑结构的优化;

(6) 解决索膜结构在设计和施工过程中出现的问题, 为索膜结构的百富策略白菜网和发展提供理论依据。