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膜結構建筑方案設計 
    建筑方案設計師根據業主的意圖、功能要求、環境條件等初步確定建筑的平面形狀尺寸、空間形式及三維造型空體    量等,基本確定各控制點的坐標。考慮經濟和施工工藝等技術條件,膜結構方案設計師與業主及施工技術人員等一起確定經濟合理的初步設計方案。
業主或業主代表需提供一下基礎數據:
1、建筑面積
2、建筑用途、
3、建筑內涵
4、建筑擬訂高度
5、建筑物場地尺寸、標高
6、使用年限
7、預算造價建筑面積
8、其他要求

 
一、膜結構剪裁設計  

      膜結構剪裁設計就是在預應力狀態下的曲面形體上尋求合理的裁剪線位置及其分布,然后按照一定的方法將三維曲面展開為二維平面。為物盡其用,一般要按照膜材料幅寬進行裁剪,但要兼顧到膜曲面曲率變化情況。由于膜材料具有雙向異性性質,故裁剪線的布置要與計算時所設定的膜材經緯向一致,才能保證計算結果與實際相符。膜材料的裁剪下料通常是在無應力狀態下進行的,如何在預應力的形體上進行無應力狀態下的裁剪分析,國內外學者都已進行了較為深入的研究,提出了諸如幾何法、最小二乘法、動態規劃法與平面熱應力原理相結合的有限單元法等多種方法,但在實際工程中還必須考慮以下幾點:


1)必須保證索邊界的工作點不變,對于其它硬性邊界,由于構件本身存在一定的空間尺度,可根據實際情況改變膜的工作點或保持膜的工作點不變,變換連
接構件的做法,但一般說來后者較困難一些。另外,邊角處膜的剪裁應嚴格按照實際結構構造做法尺寸進行裁剪。
(2)確定膜的經緯向布置及膜片之間現場拼接縫位置,膜的經緯向布置會影響觀瞻、膜材的利用率、制作的工作量等,還須與計算模型相吻合。現場拼接縫處理不當容易漏雨,所以一般在脊處作為現場拼接縫比較合適。
(3)膜材與硬邊界的連接點處,應考慮特殊的補償值,以便于安裝。
(4)膜的剪裁要充分利用膜材料的幅寬,即考慮了熱合搭接長度、預應力
二、膜結構找形設計   
     預應力值及對于膜結構而言,在沒有施加預應力之前,是沒有結構剛度的,也就是說膜結構任何時候不存在無應力狀態。由于膜材料本身沒有抗彎剛度,其曲面形狀與預應力值的大小和分布是一一對應的,因此在控制點坐標確定后,給定一合理的預應力值及其分布,才能確定合適的膜曲面形狀。預應力值的大小與分布是需根據多方面的條件進行反復調整后綜合確定的,這個過程叫做找形分析。此過程與方案設計過程往往密不可分,往往需反復調整方可即滿足建筑形狀的要求又保證結構的經濟合理及安全可靠。
     膜結構作為只能抗拉的軟殼體,到目前為止以有限元法為最先進、最普遍被采用的方法。膜結構作為軟殼體是不能抗彎的,只能靠薄膜曲面的曲率變化,從而引起膜表面中內力重分布來抵抗垂直于曲面的外荷載。
      如果采用剛性板殼大變形理論,這種只有平面內應力的板單元,則應變的線性部分將不反映平面外z方向位移的影響,這導致單元不包含z方向節點反力,就每個單元來說靜力是不平衡的。所幸的是應變的非線性部分考慮了z向位移的影響,使得各單元合并起來的總的平衡方程通過不斷迭代能近似達到平衡,缺點是需要過多的平面內位移來滿足平衡的要求,而實際情況是只需要一定的平面外和平面內的位移及曲率變化就可以了。發達國家從六十年代起開始提出多種計算方法,到目前為止以有限元法為最先進、最普遍被采用的方法。。
考慮到這些,我國膜結構技術人員在國際上首次采用曲面膜單元,應變的線性部分引入了z向位移及單元的曲率和扭率,非線性部分仍然保留z向位移的影響項。這樣無論是每個單元還是各單元合并后的平衡方程都能很容易滿足,迭代次數大為減少,而變形結果也更符合真實情況。而且由于單元內各點應力都不相同,據此判斷皺折是否出現會更為精確。最后求出的每個單元的曲率和扭率對于判斷初始找形的正誤和優劣以及裁剪下料都能提供很多非常有用的信息。
用曲面有限單元建立的膜結構找形及內力計算方法極小曲面具有非常完美的表面形狀和應力狀態,是膜結構最合理的理想初始狀態。所謂極小曲面是指在給定邊界條件下面積最小的曲面。在這個曲面上任意一點的應力都相等。發達國家從六十年代起開始對膜結構找形提出多種計算方法,如物理模型法,力密度法,動力松馳法等,到目前為止以有限元法為最先進、最普遍采用的方法。不僅國內,迄今國外的計算理論也都是以平面膜單元作為膜結構的計算模型。該方法是從剛性板殼大變形理論移植過來的。膜結構作為只能抗拉的軟殼體是不適宜采用這種平面單元的,其缺點是需要過多的平面內位移來滿足平衡的要求,而實際情況是只需要一定的平面外和平面內的位移及曲率變化就可以了。其后果就是在后面要進行的內力計算時,代入真實材料常數后,由于前面找形得到的極小曲面與實際可能存在的膜結構形狀的差距在視覺上可能不大,但對計算來說卻是不能忽視的,因此計算很容易發散或出現皺折。這也是前面其他方法的共同缺點,往往把這一連貫的過程區分成理想化的找形和實際驗算兩個階段,才能保證找出的形狀用真實的膜材建成等應力極小曲面。所完成的這一過程就叫膜結構找形設計。


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