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膜結構建築方案設計 
    建築方案設計師根據业主的意圖、功能要求、環境條件等初步确定建築的平面形狀尺寸、空間形式及三維造型空體    量等,基本确定各控制點的坐标。考慮经濟和施工工藝等技術條件,膜結構方案設計師與业主及施工技術人員等一起确定经濟合理的初步設計方案。
业主或业主代表需提供一下基礎數據:
1、建築面積
2、建築用途、
3、建築内涵
4、建築拟訂高度
5、建築物場地尺寸、标高
6、使用年限
7、預算造价建築面積
8、其他要求

 
一、膜結構剪裁設計  

      膜結構剪裁設計就是在預應力狀态下的曲面形體上尋求合理的裁剪線位置及其分布,然後按照一定的方法将三維曲面展开为二維平面。为物盡其用,一般要按照膜材料幅寬進行裁剪,但要兼顧到膜曲面曲率變化情況。由于膜材料具有雙向異性性質,故裁剪線的布置要與計算時所設定的膜材经緯向一致,才能保證計算結果與實际相符。膜材料的裁剪下料通常是在無應力狀态下進行的,如何在預應力的形體上進行無應力狀态下的裁剪分析,国内外学者都已進行了較为深入的研究,提出了諸如幾何法、最小二乘法、动态規劃法與平面熱應力原理相結合的有限單元法等多種方法,但在實际工程中還必須考慮以下幾點:


1)必須保證索邊界的工作點不變,對于其它硬性邊界,由于構件本身存在一定的空間尺度,可根據實际情況改變膜的工作點或保持膜的工作點不變,變換連
接構件的做法,但一般說来後者較困難一些。另外,邊角處膜的剪裁應嚴格按照實际結構構造做法尺寸進行裁剪。
(2)确定膜的经緯向布置及膜片之間現場拼接縫位置,膜的经緯向布置會影響觀瞻、膜材的利用率、制作的工作量等,還須與計算模型相吻合。現場拼接縫處理不當容易漏雨,所以一般在脊處作为現場拼接縫比較合适。
(3)膜材與硬邊界的連接點處,應考慮特殊的補償值,以便于安裝。
(4)膜的剪裁要充分利用膜材料的幅寬,即考慮了熱合搭接長度、預應力
二、膜結構找形設計   
     預應力值及對于膜結構而言,在沒有施加預應力之前,是沒有結構剛度的,也就是說膜結構任何時候不存在無應力狀态。由于膜材料本身沒有抗彎剛度,其曲面形狀與預應力值的大小和分布是一一對應的,因此在控制點坐标确定後,給定一合理的預應力值及其分布,才能确定合适的膜曲面形狀。預應力值的大小與分布是需根據多方面的條件進行反複調整後綜合确定的,这個過程叫做找形分析。此過程與方案設計過程往往密不可分,往往需反複調整方可即滿足建築形狀的要求又保證結構的经濟合理及安全可靠。
     膜結構作为隻能抗拉的軟殼體,到目前为止以有限元法为最先進、最普遍被采用的方法。膜結構作为軟殼體是不能抗彎的,隻能靠薄膜曲面的曲率變化,從而引起膜表面中内力重分布来抵抗垂直于曲面的外荷載。
      如果采用剛性闆殼大變形理論,这種隻有平面内應力的闆單元,則應變的線性部分将不反映平面外z方向位移的影響,这導致單元不包含z方向節點反力,就每個單元来說靜力是不平衡的。所幸的是應變的非線性部分考慮了z向位移的影響,使得各單元合并起来的總的平衡方程通過不斷疊代能近似达到平衡,缺點是需要過多的平面内位移来滿足平衡的要求,而實际情況是隻需要一定的平面外和平面内的位移及曲率變化就可以了。發达国家從六十年代起开始提出多種計算方法,到目前为止以有限元法为最先進、最普遍被采用的方法。。
考慮到这些,我国膜結構技術人員在国际上首次采用曲面膜單元,應變的線性部分引入了z向位移及單元的曲率和扭率,非線性部分仍然保留z向位移的影響項。这樣無論是每個單元還是各單元合并後的平衡方程都能很容易滿足,疊代次數大为減少,而變形結果也更符合真實情況。而且由于單元内各點應力都不相同,據此判斷皺折是否出現會更为精确。最後求出的每個單元的曲率和扭率對于判斷初始找形的正誤和優劣以及裁剪下料都能提供很多非常有用的信息。
用曲面有限單元建立的膜結構找形及内力計算方法極小曲面具有非常完美的表面形狀和應力狀态,是膜結構最合理的理想初始狀态。所謂極小曲面是指在給定邊界條件下面積最小的曲面。在这個曲面上任意一點的應力都相等。發达国家從六十年代起开始對膜結構找形提出多種計算方法,如物理模型法,力密度法,动力松馳法等,到目前为止以有限元法为最先進、最普遍采用的方法。不僅国内,迄今国外的計算理論也都是以平面膜單元作为膜結構的計算模型。該方法是從剛性闆殼大變形理論移植過来的。膜結構作为隻能抗拉的軟殼體是不适宜采用这種平面單元的,其缺點是需要過多的平面内位移来滿足平衡的要求,而實际情況是隻需要一定的平面外和平面内的位移及曲率變化就可以了。其後果就是在後面要進行的内力計算時,代入真實材料常數後,由于前面找形得到的極小曲面與實际可能存在的膜結構形狀的差距在視覺上可能不大,但對計算来說卻是不能忽視的,因此計算很容易發散或出現皺折。这也是前面其他方法的共同缺點,往往把这一連貫的過程區分成理想化的找形和實际验算兩個階段,才能保證找出的形狀用真實的膜材建成等應力極小曲面。所完成的这一過程就叫膜結構找形設計。



 
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