张拉膜结构的概念设计

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“只有正确表达结构逻辑的建筑才有强大的说服力与表现力”这句话揭示了张拉膜结构的精髓。对于张拉膜结构，任何附加的支撑和修饰都是多余的，其结构本身就是造型；换句话说，不符合结构的造型是不可能的，因为那样的薄膜不是飘动的就是缺乏稳定性的。张拉膜结构的美就在于其“力”与“形”的完美结合。
  
张拉膜结构的基本组成单元通常有：膜材、索与支承结构（桅杆、拱或其他刚性构件）。
  
膜材一种新兴的建筑材料，已被公认为是继砖、石、混凝土、钢和木材之后的“第六种建筑材料”。膜材本身不能受压也不能抗弯，所以要使膜结构正常工作就必须引入适当的预张力。此外，要保证膜结构正常工作的另一个重要条件就是要形成互反曲面。传统结构为了减小结构的变形就必须增加结构的抗力；而膜结构是通过改变形状来分散荷载，从而获得最小内力增长的。当膜结构在平衡位置附近出现变形时，可产生两种回复力：一个是由几何变形引起的；另一个是由材料应变引起的。通常几何刚度要比弹性刚度大得多，所以要使每一个膜片具有良好的刚度，就应尽量形成负高斯曲面，即沿对角方向分别形成“高点”和“低点”。“高点”通常是由桅杆来提供的，也许是由于这个原因，有些文献上也把张拉膜结构叫做悬挂膜结构（suspension membrane）。
  
索作为膜材的弹性边界，将膜材划分为一系列膜片，从而减小了膜材的自由支承长度，使薄膜表面更易形成较大的曲率。有文献指出，膜材的自由支承长度不宜超过15米，且单片膜的覆盖面积不宜大于500平米。此外，索的另一个重要作用就是对桅杆等支承结构提供附加支撑，从而保证不会因膜材的破损而造成支承结构的倒塌。
  
膜结构设计主要包括以下内容：
1，初始态分析：确保生成形状稳定、应力分布均匀的三维平衡曲面，并能够抵抗各种可能的荷载工况；这是一个反复修正的过程。
2，荷载态分析：张拉膜结构自身重量很轻，仅为钢结构的1／5，混凝土结构的1／40；因此膜结构对地震力有良好的适应性，而对风的作用较为敏感。此外还要考虑雪荷载和活荷载的作用。由于目前观测资料尚少，故对膜结构的设计通常采用安全系数法。
3，主要结构构件尺寸的确定，及对支承结构的有限元分析。当支承结构的设计方法与膜结构不同时，应注意不同设计方法间的系数转换。
4，连接设计：包括螺栓、焊缝和次要构件尺寸。
5，剪裁设计：这一过程应具备必要的试验数据，包括所选用膜材的杨氏模量和剪裁补偿值（应通过双轴拉伸试验确定）。
  
膜结构在方案阶段需要考虑的问题有：
1，预张力的大小及张拉方式；
2，根据控制荷载来确定膜片的大小和索的布置方式；
3，考虑膜面及其固定件的形状以避免积水（雪）；
4，关键节点的设计，以避免应力集中；
5，考虑膜材的运输和吊装；
6，耐久性与防火考虑。
  
在膜结构设计阶段所要考虑的要点有：
1，保证膜面有足够的曲率，以获得较大的刚度和美学效果；
2，细化支承结构，以充分表达透明的空间和轻巧的形状；
3，简化膜与支承结构间的连接节点，降低现场施工量。
  
膜结构研究的主要问题有：
1，找形（Form-finding）或更进一步叫“形态理论”；
2，考虑膜材松弛和各向异性下的结构响应；
3，结构在风荷载作用下的动力稳定性；
4，裁剪优化；
5，膜与索及支承结构间的相互作用。