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膜结构建筑的设计概要

 

膜结构建筑工程的设计主要包括建筑外形设计、形状结构分析、在荷载情况下分析、膜体裁剪设计等四大问题。通过体形设计确定建筑平面形状尺寸、三维造型、净空体量,确定各控制点的坐标、结构形式,选用的建筑膜材符合建筑功能与体系的需要。

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由于建筑膜材料本身没有抗压和抗弯刚度,建筑膜材料差,膜建筑需要一定刚度,因此其刚度和稳定性需要靠膜曲面的曲率变化和其中预应力来提高,对膜结构建筑而言,任何时候不存在无应力状态,因此膜曲面形状最终必须满足在一定边界条件、一定预应力条件下的力学平衡,并以此为基准进行荷载分析和裁剪分析。

 

膜结构建筑膜材料的方法主要有动力松弛法、力密度法以及有限单元法等。膜结构考虑的荷载一般是风载和雪载。在荷载建筑膜材料变形较大,且随着形状的改变,荷载分布也在改变,因此要精确计算结构的变形和应力要用几何非线性的方法进行。荷载分析的另一个目的是一确定索、膜中初始预张力。

 

建筑在外荷载作用下膜材就需要施加初始张应力的程度要满足在最不利荷载作用下应力不致减少到零,即不出现皱褶。因为膜材料比较轻柔,自振频率很低,在风荷载作用下极易产生风振,导致膜材料破坏,如果初始预应力施加过高,膜材基布与涂涂层易老化且强度储备少,对受力构件强度要求也高,增加施工安装难度。因此初始预应力的确定要通过荷载计算来确定。经过找形分析而形成的膜结构通常为三维不可展空间曲面,如何通过二维材料的裁剪,张拉形成所需要的三维空间曲面,是整个膜结构工程中最关键的一个问题,这正是膜结构材料裁剪分析的重点

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