膜结构设计与分析

膜结构设计与分析

膜结构是以性能优良的织物为基本材料，利用柔性索或刚性支承将织物张拉紧，利用空间形态形成具有良好刚度的结构体系，是一种张力结构，整个膜面只受拉力。根据其支承结构及边界约束的不同一般可分为三种类型:柔性体系、刚性体系及混合体系。膜结构以膜面良好的采光性能和优美的造型在住宅会所、停车场、入口雨棚、机场进出口等场所得到了广泛的应用。

一、形态找寻与确认

膜结构的形态是表面张力结构体系最为核心的要素，形态的好坏直接决定了体系的成立与否，是结构设计的第一步工作。膜材不具有抗压、抗弯的能力，只具有抗拉能力，因此表面张力结构必须充分利用结构曲面空间形态以及预张紧力来维持自身稳定并抵抗外部作用。

膜面的外形必须具有抵抗双向外力的能力，当抵抗向下的自重及雨水荷载时，则上向的膜材提供抗拉能力；当出现向上的风荷载力时，下向的膜材提供抗拉能力，这种双向互反曲面就是一种理想表面张力的曲面，该曲面在数学上称为负高斯曲面，在日常生活中称为马鞍面。在膜结构设计中，要求建筑与结构在方案阶段就紧密配合，找寻到一种即满足建筑造型效果又满足结构力学平衡要求的马鞍山形态。

膜结构设计的第一步即为找形分析。形态找寻的方法有力密度法、动力松弛法及非线性有限元法，形态找寻有两个基木原则：1）必须是马鞍面；2）尽量避免扁平区域；3）找形后膜面初始应力应尽量均匀。通过找形分析，确定膜面的初始形态和初始张拉应力。

二、结构分析与设计

结构体系的形态找寻确认之后，结构专业需进行一些列分析，包括膜材选择、荷载确定、膜面计算，支撑体系的计算等。

1.膜材选择

建筑领域所用的膜材有织物类膜材与非织物类两大类，前者常用的有PVC涂层覆盖聚酯纤维织物(PVC膜，规程Р类)、PTFE涂层覆盖玻璃纤维织物(PTFE膜，规程G类)，后者中最具代表性的是乙烯-四氯乙烯共聚物(ETFE膜，规程E类)。

2.荷载与作用

膜结构荷载效应分析，是在初始形态确定后的几何形态和初始张力的基础上，考虑各种可能的荷载组合对膜结构进行计算分析。荷载主要是恒载、活载、风荷载，作用主要是温度作用。恒载主要是包括膜材及其支撑结构的自重，活载一般考虑的下雨或者降雪导致的积水积雪的荷载，一般都计0.3kN/m²。

膜结构的轻柔必然导致其对风荷载敏感，抗风设计是膜结构设计的关键，特别是沿海强台风地区。规程给出了风荷载体型系数和风振系数，对骨架支承式建议取1.2~ 1.5。对特别复杂外形建议通过风洞试验方式确定风荷载。

3.计算分析

膜结构必须考虑几何非线性进行计算，软件可采用如国内的3D3S，国际的ANSYS。膜结构计算一般是支承结构和膜面一起整体计算分析，也有先单独计算膜面，再提出反力验算支承结构的算法。膜结构的验算包括膜面和支承结构的验算，验算一般包含变形和应力的验算。

膜面验算的具体内容：在恒活荷载效应组合下，验算膜面应力不超20Mpa，膜面不得出现松弛。在风荷载效应组合下，各膜单元内膜面相对法向位移不大于单元名义尺寸的1/15，膜面由于松弛而引起的褶皱面积不大于膜面面积的10%，应力不超过36Mpa。

膜面的荷载态积水分析，在积水工况下，膜面不能出现闭合的等高线，有条件的可通过现场的淋水试验来验证是否会出现积水。支承结构的验算要求按《钢结构设计标准》(GB50017-2017）验算即可。

三、裁剪设计

膜结构验算完成后，结构设计内容完成。膜面下料前还有一个裁剪设计，即将由形态找寻得到并经荷载分析验算的空间曲面，转换成无应力的平面下料图，相当钢结构设计中的深化设计，以用于膜结构裁剪下料。裁剪设计由膜材厂家深化完成，目前常用的裁剪设计方法有测地线裁剪法、平面相交裁剪法、动态规划法、力密度法。完成裁剪设计后，可将裁剪图纸交付工厂加工生产并用于现场施工。

五、结语

本文对膜结构设计全过程进行了系统介绍，在简述原理的基础上，从其形态找寻，并在形态确定后选定膜材、确定荷载、选择计算分析方法，从而分析验算计算结果。完成上述步骤后，介绍了膜面的裁剪下料设计。

在膜结构设计中，最重要是找形分析，是后续结构荷载验算的基础，找形后膜面形态如果不合理，后续结构验算就不能满足设计要求，这时可以重新找形再次验算，直到结构验算满足设计要求为止。