膜結構設計與分析

膜結構設計與分析

膜結構是以性能優良的織物為基本材料，利用柔性索或剛性支承將織物張拉緊，利用空間形態形成具有良好剛度的結構體系，是一種張力結構，整個膜面只受拉力。根據其支承結構及邊界約束的不同一般可分為三種類型:柔性體系、剛性體系及混合體系。膜結構以膜面良好的采光性能和優美的造型在住宅會所、停車場、入口雨棚、機場進出口等場所得到了廣泛的應用。

一、形態找尋與確認

膜結構的形態是表面張力結構體系最為核心的要素，形態的好壞直接決定了體系的成立與否，是結構設計的第一步工作。膜材不具有抗壓、抗彎的能力，只具有抗拉能力，因此表面張力結構必須充分利用結構曲面空間形態以及預張緊力來維持自身穩定并抵抗外部作用。

膜面的外形必須具有抵抗雙向外力的能力，當抵抗向下的自重及雨水荷載時，則上向的膜材提供抗拉能力；當出現向上的風荷載力時，下向的膜材提供抗拉能力，這種雙向互反曲面就是一種理想表面張力的曲面，該曲面在數學上稱為負高斯曲面，在日常生活中稱為馬鞍面。在膜結構設計中，要求建筑與結構在方案階段就緊密配合，找尋到一種即滿足建筑造型效果又滿足結構力學平衡要求的馬鞍山形態。

膜結構設計的第一步即為找形分析。形態找尋的方法有力密度法、動力松弛法及非線性有限元法，形態找尋有兩個基木原則：1）必須是馬鞍面；2）盡量避免扁平區域；3）找形后膜面初始應力應盡量均勻。通過找形分析，確定膜面的初始形態和初始張拉應力。

二、結構分析與設計

結構體系的形態找尋確認之后，結構專業需進行一些列分析，包括膜材選擇、荷載確定、膜面計算，支撐體系的計算等。

1.膜材選擇

建筑領域所用的膜材有織物類膜材與非織物類兩大類，前者常用的有PVC涂層覆蓋聚酯纖維織物(PVC膜，規程Р類)、PTFE涂層覆蓋玻璃纖維織物(PTFE膜，規程G類)，后者中最具代表性的是乙烯-四氯乙烯共聚物(ETFE膜，規程E類)。

2.荷載與作用

膜結構荷載效應分析，是在初始形態確定后的幾何形態和初始張力的基礎上，考慮各種可能的荷載組合對膜結構進行計算分析。荷載主要是恒載、活載、風荷載，作用主要是溫度作用。恒載主要是包括膜材及其支撐結構的自重，活載一般考慮的下雨或者降雪導致的積水積雪的荷載，一般都計0.3kN/m2。

膜結構的輕柔必然導致其對風荷載敏感，抗風設計是膜結構設計的關鍵，特別是沿海強臺風地區。規程給出了風荷載體型系數和風振系數，對骨架支承式建議取1.2~ 1.5。對特別復雜外形建議通過風洞試驗方式確定風荷載。

3.計算分析

膜結構必須考慮幾何非線性進行計算，軟件可采用如國內的3D3S，國際的ANSYS。膜結構計算一般是支承結構和膜面一起整體計算分析，也有先單獨計算膜面，再提出反力驗算支承結構的算法。膜結構的驗算包括膜面和支承結構的驗算，驗算一般包含變形和應力的驗算。

膜面驗算的具體內容：在恒活荷載效應組合下，驗算膜面應力不超20Mpa，膜面不得出現松弛。在風荷載效應組合下，各膜單元內膜面相對法向位移不大于單元名義尺寸的1/15，膜面由于松弛而引起的褶皺面積不大于膜面面積的10%，應力不超過36Mpa。

膜面的荷載態積水分析，在積水工況下，膜面不能出現閉合的等高線，有條件的可通過現場的淋水試驗來驗證是否會出現積水。支承結構的驗算要求按《鋼結構設計標準》(GB50017-2017）驗算即可。

三、裁剪設計

膜結構驗算完成后，結構設計內容完成。膜面下料前還有一個裁剪設計，即將由形態找尋得到并經荷載分析驗算的空間曲面，轉換成無應力的平面下料圖，相當鋼結構設計中的深化設計，以用于膜結構裁剪下料。裁剪設計由膜材廠家深化完成，目前常用的裁剪設計方法有測地線裁剪法、平面相交裁剪法、動態規劃法、力密度法。完成裁剪設計后，可將裁剪圖紙交付工廠加工生產并用于現場施工。

五、結語

本文對膜結構設計全過程進行了系統介紹，在簡述原理的基礎上，從其形態找尋，并在形態確定后選定膜材、確定荷載、選擇計算分析方法，從而分析驗算計算結果。完成上述步驟后，介紹了膜面的裁剪下料設計。

在膜結構設計中，最重要是找形分析，是后續結構荷載驗算的基礎，找形后膜面形態如果不合理，后續結構驗算就不能滿足設計要求，這時可以重新找形再次驗算，直到結構驗算滿足設計要求為止。