从空间结构知识来看,由于是膜结构建筑这类的形态是多种多样的,为了满足各种不同场地中的需求,分别有四种基本形状提供,由鞍形、伞形、拱支式和脊谷式共4种,满足了膜结构形式的构成型和力学上的分配点,增进了膜结构建筑上形与力方面的知识,也认知了这种演变模式。
1、鞍形
鞍形曲面由四个不共面的角点和连接角点的边缘构件围合而成,是典型的互反曲面形式。在这四个角点中,通常有两个对角点为高点(HP),另两个为低点(LP)。鞍形膜结构的边缘构件可以是混凝土梁或空间钢桁架,即形成所谓的刚性边界;也可以采用边索,通过对其施加较大的预张力形成柔性边界。由于柔性边界可以较好地适应膜面的变形,避免膜面在安装和受荷过程中出现褶皱,因而较为常用。
对于菱形平面的鞍形膜结构,可定义两对角点间的水平距离L为跨度,高点(或低点)与跨中点间的高差f为矢高,f/L为矢跨比。矢跨比是控制鞍形曲面形状的重要参数。矢跨比越大,膜面曲率越大,结构刚度就越好;通常矢跨比在1/8~1/12之间。鞍形膜结构的适用跨度较小,一般多用于膜结构小品中。
2、伞形
伞形膜结构也是常见的张拉膜结构形式之一。这种结构形式的特点在于,膜单元的周边相对位置较低,多固定在刚性边梁或柔性边索上;在膜单元的中部设有一个或多个高点,多通过立柱、飞柱或悬挂环的支承来实现;整个膜面呈锥形。为了避免在高点附近的膜材内部应力过大,当膜单元跨度较大时,可在高点和边界支承点之间设置脊索,以改变结构内部的传力路径,避免膜材出现应力集中。伞形曲面还可以倒置应用于工程中。
3、拱支式
拱支式膜结构以拱为膜材提供连续的支承点,结构平面多为圆形或近似椭圆形。当跨度较大时,常在中间拱与下部边缘构件之间布置正交索网。
4、脊谷式
脊谷式膜结构是在两高点之间布置相互平行的脊索、在两低点之间布置谷索,高低相间,曲面呈波浪形;脊索和谷索之间的膜面形成负高斯曲率曲面。当结构跨度较大或荷载较大时,还可在脊索和谷索之间适当布置一些横向的加强索。脊谷式膜结构的结构平面多呈矩形。
的膜结构设计是结构与外形的有机融合,使其显得了类拔萃,同时与自然环境、历史及现代的城市景观有机结合。轻型结构可以看成是大型的雕塑作品,可为其周边空间增添活力,成为周围环境的补充和焦点。
膜结构的设计主要包含荷载分析、裁剪分析、体形设计及初始平衡形状分析共问题。膜结构设计方面,我们需要知道哪些问题。
初始平衡形状分析就是所谓的找形分析。通过体形设计确定建筑平面形状尺寸、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。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。
膜结构的荷载分析是在形状分析所得到的外形与初始应力分布的基础上进行的,检查结构在荷载组合下的强度、刚度是否满足预定要求的过程。膜结构的荷载分析基本上都采用非线性有限元法,即将结构离散为单元和结点,单元与单元通过结点相连,外荷载作用在结点上,通过建立结点的平衡方程,获得求解。
膜结构轻、柔、飘的特点决定了膜结构抗风计算的内容也有自身特点。
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