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膜结构建筑方案设计 
    建筑方案设计师根据业主的意图、功能要求、环境条件等初步确定建筑的平面形状尺寸、空间形式及三维造型空体    量等,基本确定各控制点的坐标。考虑经济和施工工艺等技术条件,膜结构方案设计师与业主及施工技术人员等一起确定经济合理的初步设计方案。
业主或业主代表需提供一下基础数据:
1、建筑面积
2、建筑用途、
3、建筑内涵
4、建筑拟订高度
5、建筑物场地尺寸、标高
6、使用年限
7、预算造价建筑面积
8、其他要求

 
一、膜结构剪裁设计  

      膜结构剪裁设计就是在预应力状态下的曲面形体上寻求合理的裁剪线位置及其分布,然后按照一定的方法将三维曲面展开为二维平面。为物尽其用,一般要按照膜材料幅宽进行裁剪,但要兼顾到膜曲面曲率变化情况。由于膜材料具有双向异性性质,故裁剪线的布置要与计算时所设定的膜材经纬向一致,才能保证计算结果与实际相符。膜材料的裁剪下料通常是在无应力状态下进行的,如何在预应力的形体上进行无应力状态下的裁剪分析,国内外学者都已进行了较为深入的研究,提出了诸如几何法、最小二乘法、动态规划法与平面热应力原理相结合的有限单元法等多种方法,但在实际工程中还必须考虑以下几点:


1)必须保证索边界的工作点不变,对于其它硬性边界,由于构件本身存在一定的空间尺度,可根据实际情况改变膜的工作点或保持膜的工作点不变,变换连
接构件的做法,但一般说来后者较困难一些。另外,边角处膜的剪裁应严格按照实际结构构造做法尺寸进行裁剪。
(2)确定膜的经纬向布置及膜片之间现场拼接缝位置,膜的经纬向布置会影响观瞻、膜材的利用率、制作的工作量等,还须与计算模型相吻合。现场拼接缝处理不当容易漏雨,所以一般在脊处作为现场拼接缝比较合适。
(3)膜材与硬边界的连接点处,应考虑特殊的补偿值,以便于安装。
(4)膜的剪裁要充分利用膜材料的幅宽,即考虑了热合搭接长度、预应力
二、膜结构找形设计   
     预应力值及对于膜结构而言,在没有施加预应力之前,是没有结构刚度的,也就是说膜结构任何时候不存在无应力状态。由于膜材料本身没有抗弯刚度,其曲面形状与预应力值的大小和分布是一一对应的,因此在控制点坐标确定后,给定一合理的预应力值及其分布,才能确定合适的膜曲面形状。预应力值的大小与分布是需根据多方面的条件进行反复调整后综合确定的,这个过程叫做找形分析。此过程与方案设计过程往往密不可分,往往需反复调整方可即满足建筑形状的要求又保证结构的经济合理及安全可靠。
     膜结构作为只能抗拉的软壳体,到目前为止以有限元法为最先进、最普遍被采用的方法。膜结构作为软壳体是不能抗弯的,只能靠薄膜曲面的曲率变化,从而引起膜表面中内力重分布来抵抗垂直于曲面的外荷载。
      如果采用刚性板壳大变形理论,这种只有平面内应力的板单元,则应变的线性部分将不反映平面外z方向位移的影响,这导致单元不包含z方向节点反力,就每个单元来说静力是不平衡的。所幸的是应变的非线性部分考虑了z向位移的影响,使得各单元合并起来的总的平衡方程通过不断迭代能近似达到平衡,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。发达国家从六十年代起开始提出多种计算方法,到目前为止以有限元法为最先进、最普遍被采用的方法。。
考虑到这些,我国膜结构技术人员在国际上首次采用曲面膜单元,应变的线性部分引入了z向位移及单元的曲率和扭率,非线性部分仍然保留z向位移的影响项。这样无论是每个单元还是各单元合并后的平衡方程都能很容易满足,迭代次数大为减少,而变形结果也更符合真实情况。而且由于单元内各点应力都不相同,据此判断皱折是否出现会更为精确。最后求出的每个单元的曲率和扭率对于判断初始找形的正误和优劣以及裁剪下料都能提供很多非常有用的信息。
用曲面有限单元建立的膜结构找形及内力计算方法极小曲面具有非常完美的表面形状和应力状态,是膜结构最合理的理想初始状态。所谓极小曲面是指在给定边界条件下面积最小的曲面。在这个曲面上任意一点的应力都相等。发达国家从六十年代起开始对膜结构找形提出多种计算方法,如物理模型法,力密度法,动力松驰法等,到目前为止以有限元法为最先进、最普遍采用的方法。不仅国内,迄今国外的计算理论也都是以平面膜单元作为膜结构的计算模型。该方法是从刚性板壳大变形理论移植过来的。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。其后果就是在后面要进行的内力计算时,代入真实材料常数后,由于前面找形得到的极小曲面与实际可能存在的膜结构形状的差距在视觉上可能不大,但对计算来说却是不能忽视的,因此计算很容易发散或出现皱折。这也是前面其他方法的共同缺点,往往把这一连贯的过程区分成理想化的找形和实际验算两个阶段,才能保证找出的形状用真实的膜材建成等应力极小曲面。所完成的这一过程就叫膜结构找形设计。



 
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