对于气枕式膜结构的设计,常采用专业膜结构设计软件 EASY 或 3D3S 膜结构模块完成,而对于复杂结构需要进行有限元分析时常采用 ANSYS 软件。最常用的膜结构设计软件为德国 Technet GmbH 的有限元软件 EASY( 图 9) ,具有快速、灵活、可靠的特点,具有找形、膜面分析、裁剪、充气结构分析、膜与支承结构协同分析等多个模块。
   在经过膜结构基本体系和方案选择后,气枕式膜结构的设计主要包括整体构造 、初始形态的 找 形 、裁剪设计 、荷载分析 、充气系统的设计 。由于气枕式膜结构常常作为屋面系统,多数会伴随天沟设计,即防水排水设计。

   首先利用膜结构设计软件对膜结构气枕的初始形态进行找形 ,包括矢高 、形状 、大小 、曲面等,通常需要结合建筑要求 、荷载情况以及主体结构的情况来进行设计。在气枕设计中,首先需要确定一个合理的曲面 。为确保在外荷载作用下结构性态良好,常采用力平衡找形方法如动力松弛法 、力密度法等来建立曲面; 平衡曲面可用多种方法确定,如动力松弛法 、力 密度法等,不同的方法各有利弊 。但总体而言,力密度法在业内被认为是最合理和最灵活的找形技术 。

   ETFE 膜是超弹性材料,为了检核评估其在外荷载作用下的特性,针对 ETFE 膜结构变形的特点,必须进行几何非线性结构分析,按照承载力极限状态和正常使用极限状态进行设计。

   由于气枕膜面为三维曲面,故对于单张平面 ETFE 膜材,无法直接成形,故需要对平面膜材进行三维裁剪设计,再对裁剪片进行热合,以达到设计曲面的要求 。通过膜结构设计软件可以直接进行裁剪设计,得到不同的裁剪片 。
   气枕式膜结构荷载根据规范合理取值 ,主要考虑恒荷载、活荷载、风荷载、雪荷载、 气枕内压以及温度荷载。其中恒荷载为 ETFE 膜材自重,通常很轻,可以忽略,且气枕通常不允许上面有人,故活荷载也可不考虑。
   此外,气枕与主体结构的连接需要设计与验算,工程中常常采用铝合金夹具对气枕边界进行固定,然后将铝合金夹具连接在天沟处或主体结构。对于充气系统的设计,需要根据气枕的容积配置合适的供气机,且需要留有安全储备,即若某台供气机发生故障,其它供气机仍可满足整个结构的供气要求。每台供气系统一般都配有压力感应器,以监控气枕的内压,随时可对气枕内压进行自动调节。

深圳市金鑫空间膜结构建筑设计院是国内顶尖的膜结构建筑设计单位,是一家专注于膜结构建筑设计与研究的设计院。业务涉及张拉膜结构、骨架式膜结构、充气膜结构、钢结构;对PVC、PTFE、ETFE膜材有着丰富的设计经验。我们尤其擅长大跨度结构、异性空间结构、索结构、封闭式建筑以及开启结构的设计与研究,涉及的领域有景观膜结构、停车棚膜结构、体育设施膜结构、污水加盖池膜结构等。