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膜結構設計

膜結構的設計主要包括體形設計、初始平衡形狀分析、荷載分析、裁剪分析等四大問題。通過體形設計確定建筑平面形狀尺寸、三維造型、凈空體量,確定各控制點的坐標、結構形式,選用膜材和施工方案。初始平衡形狀分析就是所謂的找形分析。由于膜材料本身沒有抗壓和抗彎剛度,抗剪強主芤很差,因此其剛度和穩定性需要靠膜曲面的曲率變化和其中預應力來提高,對膜結構而言,任何時候不存在無應力狀態,因此膜曲面形狀必須滿足在一定邊界條件、一定預應力條件下的力學平衡,并以此為基準進行荷載分析和裁剪分析。膜結構找形分析的方法主要有動力松弛法、力密度法以及有限單元法等。膜結構考慮的荷載一般是風載和雪載。在荷載作用下膜材料的變形較大,且隨著形狀的改變,荷載分布也在改變,因此要計算結構的變形和應力要用幾何非線性的方法進行。荷載分析的另一個目的是一確定索、膜中初始預張力。在外荷載作用下膜中一個方向應力增加而另一個方向應力減少,這就要求施加初始張應力的程度要滿足在不利荷載作用下應力不致減少到零,即不出現皺褶。因為膜材料比較輕柔,自振頻率很低,在風荷載作用下極易產生風振,導致膜材料破壞,如果初始預應力施加過高,膜材涂變加大,易老化且強度儲備少,對受力構件強度要求也高,增加施工安裝難度。因此初始預應力的確定要通過荷載計算來確定。經過找形分析而形成的摸結構通常為三維不可展空間曲面,如何通過二維材料的裁剪,張拉形成所需要的三維空間曲面,是整個膜結構工程中關鍵的一個問題,這正是裁剪分析的主要內容。


膜結構設計軟件主要有如下:


1。德國膜結構設計軟件easy10.0,


2。意大利膜結構設計軟件forten4000,


3。同濟大學膜結構設計軟件3D3S11.0


4。上海交大膜結構設計軟件SMCAD4.0


5。新加坡膜結構設計軟件WinFabric


6。日本太陽膜結構設計軟件Images


7。中國建筑科學研究院結構所空間結構室膜結構設計軟件MEMBS


8。澳大利亞膜結構設計軟件FABDES


體系

膜結構體系由膜面、邊索和脊索、谷索、支承結構、錨固系統,以及各部分之間的連接節點等組成,見下示意圖:

1456374670790622.jpg

按支承分類


膜結構按支承條件分類為:柔性支承結構體系、剛性支承結構體系、混合支承結構體系,結構示意圖見下圖:

1456374702393869.jpg

按結構分類

膜結構按結構可分為:骨格式膜結構、張拉式膜結構、充氣式膜結構。詳細見下圖:

1456374737770742.jpg

膜結構建筑形式的分類:


從結構上分可分為:骨架式膜結構,張拉式膜結構,充氣式膜結構3種形式


1.骨架式膜結構(Frame Supported Structure)


以鋼構或是集成材構成的屋頂骨架,在其上方張拉膜材的構造形式,下部支撐結構安定性高,因屋頂造型比較單純,開口部不易受限制,且經濟效益高等特點,廣泛適用于任何大,小規模的空間。


2.張拉式膜結構(Tension Suspension Structure)


以膜材、鋼索及支柱構成,利用鋼索與支柱在膜材中導入張力以達安 定的形式。除了可實踐具創意,創新且美觀的造型外,也是能展現膜結 構精神的構造形式. 大型跨距空間也多采用以鋼索與壓縮材構成鋼索網來支撐上部膜材的形式。因施工精度要求]高,結構性能強,且具豐 富的表現力,所以造價略高于骨架式膜結構。


3.充氣式膜結構(Pneumatic Structure)


充氣式膜結構是將膜材固定于屋頂結構周邊,利用送風系統讓室內氣壓上升到一定壓力后,使屋頂內外產生壓力差,以抵抗外力,因利用氣壓來支 撐,及鋼索作為輔助材,無需任何梁,柱支撐,可得更大的空間,施工快捷,經濟效益高,但需維持進行24小時送風機運轉,在持續運行及機器維護費用的成本上較高。


現今,城市中已越來越多地可以見到膜結構的身影。膜結構已經被應用到各類建筑結構中,在我們的城市中充當著不可或缺的角色.


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