膜結(jié)構(gòu)的設計由于其自身的特點不同于一般傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式,技術上必須經(jīng)過如下4個步驟:
1.建筑方案設計(architecture design)
一般同建筑師根據(jù)業(yè)主的意圖、功能要求、環(huán)境條件等初步確定建筑的平面形狀尺寸、空間形式及三維造型、凈空、體量等,并基本確定各控制點的坐標。綜合考慮經(jīng)濟和施工工藝等技術條件,與膜結(jié)構(gòu)工程師、業(yè)主及施工技術人員等一起確定經(jīng)濟合理的初步設計方案。
2.找形分析(form-finding)
對于膜結(jié)構(gòu)而言,在沒有施加預應力之前,是沒有結(jié)構(gòu)剛度的,也就是說膜結(jié)構(gòu)任何時候不存在無應力狀態(tài)。由于膜材料本身沒有抗彎剛度,其曲面形狀與預應力的大小和分布是一一對應的,因此在控制點坐標確定后,給定一合理的預應力值及其分布,才能確定合適的膜曲面形狀。預應力值的大小與分布是需根據(jù)多方面的條件進行反復調(diào)整后綜合確定的,這個過程叫找形分析。此過程與方案設計過程往往密不可分,需反復調(diào)整方可既滿足建筑形狀的要求又保證結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟合理及安全可靠。?
3.荷載分析(load-analysis)?
膜結(jié)構(gòu)的控制荷載通常是風載和雪載。在荷載作用下膜結(jié)構(gòu)的變形較大,因此精確計算結(jié)構(gòu)的變形和應力分布要用幾何非線性方法進行。根據(jù)不同工況下計算出的索、膜、梁、桿等結(jié)構(gòu)構(gòu)件中的內(nèi)力分布的更不利情況,來選定索、膜等材料的型號及尺寸,確定詳細的節(jié)點做法及構(gòu)造措施等。因此,經(jīng)濟安全的索建筑必須經(jīng)過仔細地內(nèi)力分析后才能完成,不是憑經(jīng)驗拍在腦袋就能確定的了的,是不能用搭帳篷的的傳統(tǒng)思想不設計膜結(jié)構(gòu)的。
荷載分析的另一個目的是檢驗確定索、膜中初始預張應力,一般不說在找形分析時先根據(jù)經(jīng)驗假定一預應力值一預應力值及分布,然后經(jīng)荷載分析來判斷其合理性,即預應力的大小與分布應使在更不利工況下必須滿足使用要求、整體和局部位移要求及排水功能等要求。
4.剪裁分析(cutting)
剪裁分析就是在預應力狀態(tài)下的曲面形體上尋求合理的裁剪位置及其分布,然后按照一定的方法三維曲面展開為二維平面。為物盡其用,一般要按照膜材料幅寬進行裁剪,但要兼顧到膜面曲率變化情況。由于膜材料具有雙向異性性質(zhì),故裁剪線的布置要與計算時所設定的經(jīng)緯向一致,才能保證計算結(jié)果與實際相符。膜材料的裁剪下料通常是在無應力狀態(tài)下進行的,如何在預應力的形體上進行無應力狀態(tài)下的裁剪分析,國內(nèi)外的學者已進行了較為深入的研究,提出了諸如幾何法、更小二乘法、動態(tài)規(guī)劃法與平面熱應力原理相結(jié)合的有限元法等方法,但在實際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,對于其他硬性邊界,由于構(gòu)件本身存在一定的空間尺度,可根據(jù)實際情況改變膜的工作點或保持膜的工作點不變,變換連接構(gòu)件的做法,但一般說來后者較困難一些。另外,邊角處膜的剪裁應嚴格按照實際結(jié)構(gòu)構(gòu)造做法尺寸進行裁剪。
2)確定膜的經(jīng)緯及膜片之間現(xiàn)場拼接縫的位置。膜的經(jīng)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?,F(xiàn)場拼接縫處理容易漏雨,所以一般在脊處作為現(xiàn)場縫比較合適。
3)膜材與硬邊界的連接點處,應考慮特殊的補償值,以使安裝。
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、預應力伸縮縫補償、邊界做法等因素后,裁出的膜片要盡量接近膜材的幅寬,以提高膜材的利用率。