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恒中天远带你探讨膜结构设计领域

2017-06-18 09:19 消息来源:未知

  提到膜结构建筑,许多人会觉得陌生。但说到广州海洋馆,凡去过的人都会被那种新奇的建筑形式所吸引。广州海洋馆的海豚表演场和海狮馆整个被两个大型的篷盖所笼罩,充满了现代气息。在世界上的膜结构建筑中,英国所建造的千年穹顶(MillenniumDome)尤为突出。这座直径320m、以12根高100m的柱子所支承的圆球形屋顶采用了张力膜结构。记者近日从2008奥运会组委会得知,奥运会主场馆“鸟巢”也将大量使用膜结构。

  膜结构建筑可任凭建筑师创造、想象,但由于膜材柔性无定形,只有维持张力平衡的形状才具有稳定的造型。为了使结构、功能及审美三方面在膜结构设计中有机结合,充分发挥膜结构形式所具有的特性,解决好结构形式与建筑功能之间的矛盾,将结构的力学规律性与空间的实用性及形式的美学法则统一起来,必须打破传统建筑设计程序中的“先建筑,后结构”的传统。在膜结构建筑的整个设计过程中,建筑与结构必须紧密结合。膜结构设计时应充分利用其优点,避免相应缺点,采取合理技术措施,取得良好的建筑效果与经济技术指标。 建筑师不仅需对膜材的特性了解清楚,如膜材一般具有较高的透光率,可以充分考虑自然光采光:膜材传热系数大、制冷能耗高等材料的物理特性,还需对膜结构的特性有较深刻的了解,如膜结构的受力特点、膜结构构件的组成及相互关系等结构特性。同时,结构师也应当了解建筑功能、建筑艺术等对膜结构设计的要求。

  现代建筑中膜结构所展现的形式,让很多的人觉得膜结构设计是很复杂的一个过程。其实,现在膜结构的设计可分为三个步骤:   

  1、找出一个初始平衡形状。   

  2、各种荷载组合下的力学分析以保证安全。   

  目前为止以有限元法为最先进、最普遍被采用的方法。而单元类型皆为三角形平面常应变单元。   

  3、裁剪制作。发达国家从六十年代起开始提出多种计算方法。该方法是从刚性板壳大变形理论移植过来的   

  膜结构作为只能抗拉的软壳体是不适宜采用这种平面单元的因为对于刚性壳体来说,从分析中可以看出。这种平板单元可以看成平面应力单元和平板弯曲单元的组合,其单元刚阵可以由这两种单元刚阵合并而成。而膜结构作为软壳体是不能抗弯的只能靠薄膜曲面的曲率变化,从而引起膜外表中内力重分布来抵抗垂直于曲面的外荷载。   

  如果还是采用这种只有平面内应力的板单元,则应变的线性局部将不反映平面外z方向位移的影响,这导致单元不包含z方向节点反力,就每个单元来说静力是不平衡的所幸的应变的非线性局部考虑了z向位移的影响,使得各单元合并起来的总的平衡方程通过不时迭代能近似达到平衡,缺点是需要过多的平面内位移来满足平衡的要求,而实际情况是只需要一定的平面外和平面内的位移及曲率变化就可以了。   应变的线性局部引入了z向位移及单元的曲率和扭率,非线性局部仍然保存z向位移的影响项。这样无论是每个单元还是各单元合并后的平衡方程都能很容易满足,迭代次数大为减少,而变形结果也更符合真实情况。而且由于单元内各点应力都不相同(相关阅读瓷器拍卖:,据此判断皱折是否呈现会更为精确。最后求出的每个单元的曲率和扭率对于判断初始找形的正误和优劣以及裁剪下料都能提供很多非常有用的信息。

  (G3商讯)