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张拉膜结构与建筑空间要求的契合
2012-5-28

张拉膜的结构空间形态 ,张拉膜结构的基本形态有鞍面、锥面、拱承面、波形面等。这些基本形态除了上迷的张拉膜结构共同的空间特点之外还有着不同的空间形态特点。鞍形而张拉膜结构的高点和低点都在膜面周边,空间形态流畅开放,中央区域高度适中,空间利用率较高。锥形面高点在膜面中间,低点在周围,空间形态比较内聚。由于膜面中部升起较高,_且空间越向上越狭小,相对来说其内部空间不容易被充分利用,拱承张拉膜膜面中央拱承部分较高,然后向两边逐渐降低,当多个拱承膜面组合在一起时所形成的内部空间比较容易被充分的利用,波形面张拉膜脊谷索交替排列,内部空间也高低起伏,一般来说脊索和谷索间隔距离不会太大,波形部分空间很难被利用。    从上述的分析中我们发现,虽然张拉膜结构的结构厚度是所有结构形式中最小的,只有薄薄的一层膜的厚度,但是整个膜面结构的高度却比一般的结构来的大(这里的膜面结构高度指的是膜面结构的最低点至级高点的长度)。这是由于张拉腆结构的膜面曲率越大,获得同样刚度所需要的预应力越小.结构越稳定。为了减少膜面内部应力,增加结构的稳定性.张拉膜结构必须保持合适的膜面曲率。锥形张拉膜.单元顶高度与平面跨度之比一般大于1:5,小于1:1鞍形面要中央平坦区城的曲面曲率大于3%。    过大的结构高度会造成空间和材料的浪费,建筑供热制冷空调通风的过重荷载,建筑维护费用的上升.因此张拉膜建筑的结构设计要特别关注如何使结构的形态与建筑的空间要求相契合,建筑的空间除了满足使用功能对内部空间提出的要求外还要满足人们对建筑空间提出的精神需求,如空间气氛、意境、心理舒适度和其他美学要求。张拉膜结构所援盖的空间与建筑物的使用空间和美学空间越接近,空间的使用效率越高,维护费用越低,这是降低建筑物全寿命周期费用,取得最大效益的重要途径。    张拉膜结构可以通过以下方式达到结构形态与建筑空间要求的契合。 张拉膜高点构造和造型设计      商点的结构要求    高点是在张拉膜结构中的重要节点,它是力量的汇聚点。在高点部位,较少的膜面材料需要承受较大的张力,如果高点结构很小的话薄膜就有可能披破坏,因此需要扩大支承结构和膜面的接触面,常用的方式有两种。使用伞状骨架结构支承高点。在这种高点形式下膜面是连续的,高点只是让膜面产生了        轻微的起伏变化。高点形式是刚性圆环构件。圆环构件周边与薄膜连接,支承结构与圆环构件宜接连接或者通过缆索悬挂联系. 结合采光通风    张拉膜结构的高点还可以与采光和通风功能结合设计。在高点处安装透明材料,引入直射光线。光线从顶部倾泻下来,令入产生置身哥歌特教堂中的那种向上奔腾之感。高点还是腆结构建筑进行热压通风的极好部位。热空气上升从高点位置排出,新鲜的空气从建筑低处被吸进建筑内部,如此形成空气循环,如丹佛国际机场。在伦教斯坦福德码头练合设施的改造工程中,膜结构底高点位置还设置了机械通风设施,以加快在火灾情况下的通风速度。    造型地位    张拉膜结构的高点是视觉上的焦点。结构中的关键点历来是建筑表现的重点。如同在古典建筑中圆拱结构上的券顶石总是被精心处理,它的大小与拱券上的其他石材不同,还常常臂雕刻成特殊的造型或留案,它的形象影响到人们对整个拱券的印象。同样在张拉膜结构中高点也具有相同的重要性,它是外部造型和内部.’9间的最高处,建筑天际线上的转折点,是索膜结构中最能引起人们关注的部位之一。因此高点除了它在结构上的意.义以外,还要担负起重要的视觉功能。一个设计精巧的高点造型能为建筑增添许多视觉信息,为参观者提供兴趣点:而粗糙的高点设计将使整个结构的魅力大打折扣。
 
张拉膜膜结构的应用
  
张拉膜膜结构的应用

      (l)索张拉膜膜结构是近二、三十年发展起来的一种新型空问结构体系。代表了当今最为先进的结构设计技术水平和材料科学的优秀成果。但张力张拉膜膜结构变化灵活,形体复杂,在一定程度上给其研究带来了困难;

      (2)张拉膜膜结构月多种高强薄膜材料作为覆盖结构,由于这些薄膜材料不能抵抗弯矩,其抗剪能力很小,又具有物理、几何的高度非线性,因此张拉膜膜结构与传统结构的设讨`, }程和方法完全不同;

    (3)张拉膜膜结构是一种张力结构。施加预应力之前,索膜体系是一机构,只有施加预应力后,这种机构才变为结构,具有相应的几何刚度;

    (4)简要提出比较了常用的三种张拉膜膜结构找形分析方法:力密度法、动力松弛法和非线性有限元法的基本原理,并对非线性有限膜元法作以详细叙述,对迭代方程和收敛准则加以说明;

    戈5)简述了一般常用的曲面形成方法,并提出了运用支点的位置移动和温度荷载的施加相结合的方法,来对张拉膜膜结构施加预应力,并通过调节温度荷载的大小和索的初始应力来实现所期望的膜面应力大小及分布,从而达到找形的目的;

    (动为了能更好地描述施工中索、膜预应力的变化以及张拉误差所引起的影响,依照非线性有限元找形的特点,结合有限元分析软件,对于索张拉膜膜结构的张拉成形过程进行计算机模拟,并针对形式简单的张拉膜膜结构提出了基于此的找形方法:

    (7)借助对某一小品的找形分析,对张拉膜膜结构进行了按刚性支撑下的分析:

    (8)考虑了在桅杆弹性支撑作用下的找形分析,并提出’了交互分析的概念和具体的分析过程。


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张拉张拉膜结构面表示的一般方法
      张拉膜结构造型相对复杂,关于曲面的表述问题己经发展了很多专门的曲面造型和曲面映像生成技术。张拉膜结构的外表面通常可选用不规则的Coons曲面、Bezier曲面和B样条曲面来近似表示。但除了简单平面的单块双曲面或双曲抛物面,极大部分张拉膜结构的儿何外形是无法用一个在定义域内处处连续的解析函数来表示的。即使能够如此,精确的分析结果表明:不同荷载工况下,结构大变形后所形成的曲面已经不能够用解析函数来表示了。原因是结构在荷载作用下通过大变形而得到新的平衡,这个平衡状态不仅是荷载作用的结果,也与预应力的重新分布有关,而预应力分布的改变又影响到了结构刚度,反过来影响荷载作用和预应力的重分布。
    正是因为用连续函数解析地表示张拉膜结构的几何外形存在不少困难,所以实际上常用一组离散数据来表示结构外形。这组离教数据可以通过试验测得,也可以借助于计算习l系统进行模拟
张拉膜膜结构曲面表示的一般方法
      张拉膜膜结构造型相对复杂,关于曲面的表述问题己经发展了很多专门的曲面造型
和曲面映像生成技术。张拉膜膜结构的外表面通常可选用不规则的COONS曲面、Bezier
曲面和B样条曲面来近似表示。但除了简单平面的单块双曲面或双曲抛物面,
极大部分张拉膜膜结构的儿何外形是无法用一个在定义域内处处连续的解析函数来表
示的。即使能够如此,精确的分析结果表明:不同荷载工况下,结构大变形后所
形成的曲面已经不能够用解析函数来表示了。原因是结构在荷载作用下通过大变
形而得到新的平衡,这个平衡状态不仅是荷载作用的结果,也与预应.力的重新分
布有关,而预应力分布的改变又影响到了结构刚度,反过来影响荷载作用和预应
力的重分布。
 
张拉膜膜结构按支承形式分类
  
张拉膜膜结构按支承形式分类

    膜结构根据不同的要求有点支承,连续支承及点加连续支承三种支承形式。
点支承形式应用于悬挂或加劲张力膜结构,即将预应力索网的钢索唁地面锚固或
悬挂于支承结构上,而膜材与加劲结构则为点联接。对结构施加预应力是通过对
加劲结构施加预应力来实现的,加劲结构和膜材同时产生预应力,但二者之rk]存
在一定的比例关系,因为加劲结构的刚度比膜材大得多。从结构刚度和强度来看,
膜材主要承受局部荷载和张力,支承结构主要承受整体荷载。这样,可以将结构
跨度做得比较大,使不同材料的强度和刚度得以充分发挥。连续支承常用于刚性
加劲张力膜结构,即膜结构与刚性的连续结构或构件相联接。如沙特阿拉伯法赫
德国际体育场即采用连续支承形式。
 


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