1、膜结构的形与力

作为膜结构的主要构件 ,索和膜均不能抗弯和抗压 ,结 构体系必须依靠曲面的张力维持其形状并抵抗外荷载。膜结构外形设计就是确定满足设计要求的平衡曲面和与此曲 面对应的预张力值 ,也就是说 ,外形设计同时也是内力设计。 这一过称之为“找形”(“form-finding”)。

2、互反曲面的必要性

互反曲面的必要性在几何上 ,根据曲面在两主曲率方向的曲率乘积 ,可将曲面分为正高斯曲面、零高斯曲面和负高斯曲面三大类。正高斯曲面的两个主曲率半径均位于曲面的同侧 ,如球面 ,这类曲面也称为同向曲面(synclastic surface) 。零高斯曲面在两主曲率方向中有一个方向的曲率为零 ,如柱面。负高斯曲面的两主曲率半径分别位于曲面的两侧 ,如鞍面 ,这类曲面也称为互反曲面 (anticlastic surface) 。前两类曲面较多应用于类似网壳结构那样的刚性结构中 ,而互反曲面则是索网结构和膜结构常用的曲面形式。

为什么膜结构必须是互反曲面呢。设想一空间点 A ,要维持该点的平衡 ,对于杆系结构至少需要三根杆件 。对于索结构 ,由于索不能受压 ,所以至少需要连接 4 根索段,其中两个向上弯以承受向下的节力点,另外两个向下弯以承受向上的节力点。以此类推 ,索网结构中每一节点均需要满足上述条件 ,则必然形成互反曲面 。膜结构的曲面形成原理与索网结构类似。可见 ,互反曲面是维持索膜结构稳定性的基本要素。 

3、预张拉的作用

对于膜结构,要保证结构的稳定 ,除了要具备空间曲面形状外 ,预张力也是不可缺少的要素。预张力对膜结构的作用可以概括为以下两个方面:

  • 增加结构的刚度
  • 维持结构的稳定

4、膜结构形状的确定

 形状确定的概念形状确定,或者说找形,是膜结构设计的第一步。在这 一过程中 ,需要综合考虑建筑的平面、立面要求和建筑功能以及下部支承条件等因素,来确定符合边界条件和力学平衡要求的曲面形状。实际上 ,膜结构设计打破了传统的“先建筑 ,后结构” 的设计方式,要求建筑师和结构师在方案建议阶段便紧密合作,共同确定建筑物的外形。从力学的角度来看,膜结构的找形问题可以归结为求解空间曲面的初始平衡问题。这一问题包含了如下几个重要参数 :

1)结构拓扑关系 ;

2) 体力和面力 ;

3) 结构几何形状 ;

4) 几何边界条件 ;

5) 初始预张力的大小和分布。

其中,结构拓扑关系是指不同结构构件之间的连接关系,在计算机有限元模型中,也可以将其理解为结构单元之间的连接关系。体力和面力是指结构自重和外荷载,在找形阶段面力通常为零。膜结构几何形状就是找形阶段所要求解的,故一般属于未知量。几何边界条件和初始预张力通常由结构工程师根据建筑条件和施工条件等因素来综合确定,是找形阶段的主要自变量。可以说,找形就是寻求以上诸多因素的平衡点。

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