膜结构又叫张拉膜结构(Tensioned Membrane structure),膜结构建筑是21世纪具代表性与充满前途的建筑形式。打破了纯直线建筑风格的模式,以其独有的优美曲面造型,简洁、明快、刚与柔、力与组合,呈现给人以耳目一新的感觉,同时给建筑设计师提供了更大的想象和创造空间。
膜结构是由多种高强薄膜材料(PVC或Teflon)及加强构件(钢架、钢柱或钢索)通过一定方式使其内部产生一定的预张应力以形成某种空间形状,作为覆盖结构,并能承受一定的外荷载作用的一种空间结构形式。膜结构可分为充气膜结构和张拉膜结构两大类。充气膜结构是靠室内不断充气,使室内外产生一定压力差(一般在10㎜~30㎜水柱之间),室内外的压力差使屋盖膜布受到一定的向上的浮力,从而实现较大的跨度。张拉摸结构则通过柱及钢架支承或钢索张拉成型。
具有良好的环保性、透光性、自清洁性,膜材表面采用PVDF(聚偏二氟乙烯)涂层、或二氧化钛涂层,具有较好的隔热效果,对太阳热能可反射掉70%,膜材本身吸收了17%,传热13%,而透光率却在20%以上,经过10年的太阳光直接照射,其辉度仍能保留70%。
膜结构的设计主要包括体形设计、初始平衡形状分析、荷载分析、裁剪分析等四大问题。通过体形设计确定 target="_blank" ="./view/" style="text-decorion: none; color: rgb(19, 110, 194); font-family: arial, 宋体, sans-serif; font-size: 14px; line-height: 24px; text-indent: 28px; white-space: normal; background-color: rgb(255, 255, 255); ">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。初始平衡形状分析就是所谓的找形分析。由于膜材料本身没有抗压和抗弯刚度,抗剪强主芤很差,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。膜结构找形分析的方法主要有动力松弛法、力密度法以及有限单元法等。膜结构考虑的荷载一般是风载和雪载。在荷载作用下膜材料的变形较大,且随着形状的改变,荷载分布也在改变,因此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一确定索、膜中初始预 target="_blank" ="./view/" style="text-decorion: none; color: rgb(19, 110, 194); font-family: arial, 宋体, sans-serif; font-size: 14px; line-height: 24px; text-indent: 28px; white-space: normal; background-color: rgb(255, 255, 255); ">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,这就要求施加初始张应力的程度要满足在不利荷载作用下应力不致减少到零,即不出现皱褶。因为膜材料比较轻柔,自振频率很低,在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,膜材涂变加大,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。因此初始预应力的确定要通过荷载计算来确定。经过找形分析而形成的摸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 target="_blank" ="./view/" style="text-decorion: none; color: rgb(19, 110, 194); font-family: arial, 宋体, sans-serif; font-size: 14px; line-height: 24px; text-indent: 28px; white-space: normal; background-color: rgb(255, 255, 255); ">三维空间曲面,是整个膜结构工程中关键的一个问题,这正是裁剪分析的主要内容。