浅谈膜结构设计

时间日期：2010-4-28 已被阅读次：[7155]

佛山市新一建筑集团有限公司任丽娟

　　[摘　要]　本文结合膜结构的研究和发展现状，从膜结构的分类、特点入手，简要讨论
　　　　　　　了膜结构的设计流程和设计关键。
　　[关键词]　膜结构；膜材料；找形分析；荷载分析；裁剪分析；

　　1、膜结构研究和发展现状
　　膜结构也称为织物结构（Membrane Structure或Fabric Structure），是以性能优良的
织物为材料，利用柔性拉索或刚性骨架将膜面绷紧，也可向膜内充气，通过空气压力来支撑
膜面，从而形成具有一定刚度并能覆盖较大空间的结构体系[1]。它是一种新型的建筑结构
形式，它的出现改变了长期以来建筑领域中形式单一、重复的局面，使建筑结构领域发生了
革命性的变化，也使得建筑结构形式更加丰富多彩。
　　近三十年来，膜结构在世界范围内得到了迅猛发展，超越了作为临时建筑物的阶段，以
新颖的外形，高强度的材料和超轻的重量，作为永久性建筑已经确立了其在建筑物中的重要
地位。其适用范围很广，可广泛应用于体育建筑、展览建筑、机场建筑、娱乐建筑及各类海
滨娱乐休闲建筑及设施。
　　当前，膜结构技术比较发达的国家，如美国、法国、日本都已经或正在编制有关膜结构
的技术文件，如IASS出版了《气承式结构建筑》，ASCE发布了《气承式结构标准》（17－96
）和《张拉织物结构》，法国发布了《覆盖织物的永久性结构概念设计建议》，日本颁布了
《特定膜结构技术标准》、《特定膜结构质量管理指南》、《特定膜结构维护指南》以及膜
材实验方法的一系列文件。
　　目前，我国的一些建筑研究单位和高等院校对薄膜结构也进行了一系列的研究，取得了
一些阶段性的成果，编制了相应的《膜结构技术规程》，对蓬勃发展的膜结构市场进行了规
范。
　　2、膜结构的特点
　　膜结构建筑除了能满足一般建筑物的功能要求外，还具有以下特点：
　　1）具有良好的透光性；
　　2）采用涂层织物薄膜，保证了膜材具有较好的防火、耐久及自洁性。
　　3）适用于大跨度结构；
　　4）造型独特，艺术感强；
　　5）材质轻盈，利于结构抗震；
　　6）施工方便、快捷，造价合理。
　　3、膜结构的分类
　　膜结构的分类方式主要有以下两种：
　　1）从建筑使用年限上可以将膜结构分为四类：永久性膜建筑（使用年限15年以上）、
耐久性膜建筑（使用年限10到15年）、耐用性膜建筑（使用年限3至10年）、临时性膜建筑
（使用年限低于3年）；
　　2）从膜的工作原理（支承方式）的角度也可以将膜结构分为四类：充气膜结构(Pneum
atic Structure分为单层、双层、气肋式三种形式)、骨架膜结构(Frame Supported Struct
ure)、张拉膜结构(Tension Suspension Structure)、索穹顶结构（Cable Dome Structure
）。
　　4、膜结构的设计流程和设计关键
　　一个完整的膜结构分析设计必须经过找形分析、荷载分析、裁剪分析三个环节，且三个
环节是相互联系、相互制约的，必须从全过程、一体化的角度加以考虑。
　　 (1) 找形分析：
　　由于膜结构是一种柔性结构，在施加预应力之前，不会有特定的形状。因此，在膜结构
设计中，涉及的第一个问题就是找形(Formfinding)的问题。在整个膜结构中，预应力的分
布应该比较均匀，不可以出现负值（压应力）。找形问题的实质是理想的几何外形与合适的
预应力分布优化组合的问题。找形分析可分为两步进行，首先是初始形态假定，其次是初始
平衡态寻找。初始平衡态的寻找是膜结构分析的关键，寻找满足边界条件和初始平衡条件的
结构形态及与之相应的预应力分布的过程，又称作结构找形 (Form finding) 。非线性有限
元法、动力松弛法、力密度法是膜结构找形分析的主要方法。
　　1) 非线性有限元法[2]
　　非线性有限元法是针对膜结构具有强烈的几何非线性的特点，在小应变大位移状态下，
采用拉格朗日法 ( U. L列式法)建立非线性有限元基本方程。应用非线性有限元法确定索
膜结构初始形态的具体方法有：支座位移法、节点平衡法、综合节点平衡法。
　　2) 动力松弛法[3]
　　动力松弛法的基本原理是用模拟虚拟的动态工程来解决静力问题，在用于膜结构初始形
态分析时，首先是将膜结构离散，并做单元等效处理，然后在离散的索网状结构的节点上施
加激振力，使其产生振动，然后逐点、逐时、逐步地追踪各点上的迭代过程，直到最终达到
静止平衡状态。
　　3) 力密度法[4]
　　力密度法的基本思想是将膜结构表面离散成由节点和杆元构成的索网状结构模型，建立
每一个节点的静力平衡方程，通过预先给定索网中各杆元的力和杆长的比值 (力密度)，而
将几何非线性问题转换为线性问题，联立求解一组线性方程组，即可得到索网各节点坐标。
　　以上三类找形方法在弹性力学的本质上是相同的，只是在连续弹性体离散化模型和初始
应力状态的选取上有所不同。非线性有限元法具有较好的计算精度；动力松弛法对于各种复
杂的边界条件和中间支撑形态确定问题特别有效；力密度法无需迭代过程，计算速度快。其
中力密度法是膜结构找形最有利的数值分析方法，并能作为一种十分有利的结构找形工具用
于膜结构的分析和设计中。
　　(2) 荷载分析
　　找形分析确定了膜结构的几何坐标及相应的预应力分布状态，形成了几何不变的自平衡
体系，具备了承受外荷载的能力。在膜结构的几何外形确定之后，就涉及到了膜结构的受力
状态分析的问题。进行荷载状态下受力分析的目的是确定膜结构是否满足极限抗拉强度和实
际使用的要求。荷载分析包括静力分析和动力分析两部分。
　　1)静力分析[5]
　　膜结构的静力分析考虑的主要荷载是风荷载、雪荷载、自重、温度荷载及悬挂荷载。计
算是要考虑几何非线性，可以忽略材料的物理非线性，用Newton－Raphson法来求解。
　　2) 动力分析[6]
　　膜结构因其自身轻、刚度小而自振频率较低，对风反应敏感，在风作用下，局部膜单元
的加速度和速度反应较大，可能对周围的空气紊流速度产生影而形成自激振动；另外结构在
风荷载的作用下，产生较大的变形，风荷载作用方向和大小与结构的变形之间存在着相互耦
合作用，因此，研究膜结构的风振反应非常重要和必要。
　　(3) 裁剪分析[7]
　　经过找形分析后得到的膜结构几何外形通常为三维不可展曲面。如何用二维膜材近似拼
接空间曲面是膜结构设计过程中的一个关键问题。在确定了膜结构的受力状态之后，还应该
进行膜结构的剪裁分析。膜结构在施工中所使用的膜材都是由许多小块的膜材拼接起来张拉
形成的，这些膜材都具有一定的幅宽。膜结构的剪裁问题就是将预应力作用下膜结构的空间
曲面形状的大片膜材在平面上展开，进而确定剪裁线的问题。最常用于裁剪分析的是动态规
划法，该方法是一个多阶段决策过程的最优化方法，主要决策步骤如下：首先把曲面按照空
间的顺序划分为若干个条元，即多个阶段；依次展开每个条元，且该条元的展开要用到上个
条元的展开结果；最后便可以得到整个曲面的展开平面。其理论基础是最小势能原理。此外
还有等效结点力法和广义泛函变分法。
　　5、结论
　　本文从膜结构的基本概念出发，对膜结构的设计流程和关键设计点进行简要的讨论。膜
结构的分析、设计的三个环节是相互联系、相互制约的，须从全过程、一体化的角度来考虑
膜结构的设计。
　　膜结构是一种较为新颖的结构形式，尚需研究的地方还很多，仍需继续对其进行更加深
入、更加系统地研究。
　　参考文献
　　[1] 《膜结构技术规程》．CECS 158．中国计划出版社，2004
　　[2] 王助成，肋敏．有限单元法基本原理和数值方法[M]．第二版．清华大学出版社，1
997
　　[3] 李重阳．动力松弛法在索膜结构分析中的应用研究[D]．华南理工大学硕士学位论
文，2003
　　[4] 魏德敏，李联彬，王勇．薄膜结构找形分析的力密度法[J]．华南理工大学学报自
然科学版．2003， 31(6)：1－4
　　[5] 苏建华，空间索膜结构的力密度法静力分析研究[D]，华南理工大学博士学位论文
，2005
　　[6] 王吉民．薄膜结构的风振响应分析和风洞试验研究[D]．浙江大学博士学位论文，2
001
　　[7] 程晓艳．张拉膜结构的找形和裁剪分析[D]．合肥工业大学硕士学位论文，2004

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