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膜结构论文：
膜结构论文
　　摘要:大跨空间结构是目前发展最快的结构类型。大跨度建筑及作为其核心的空间结构技术的发展状况是代表一个国家建筑科技水平的重要标志之一。文中对空间索膜结构的发展现状和前景作了简要概述。
　　关键词:索膜结构,找形分析,荷载分析,优化分析,协同分析
　　索膜结构雏形可追溯到古代游牧民族使用的帐篷结构。自1967年加拿大博览会德国馆创造性地大规模采用索膜结构以来,索膜结构以其丰富的建筑造型和优异的结构受力特性得到了广大建筑师、结构师的青睐,广泛应用于商业、体育、工业等大跨度建筑结构及户外设施、文化娱乐建筑等各种建筑小品中。其中具有代表性的有沙特的利雅得体育场、美国的丹佛新国际机场、英国的千年穹顶以及韩日世界杯比赛的体育场馆等。在索膜结构蓬勃发展的同时,一系列的设计、施工问题也随之产生。目前索膜结构的研究主要集中在找形分析、裁剪分析、荷载分析、及施工工艺等方面。与国外相比,国内索膜结构的研究和应用还比较落后。从上世纪80年代开始,国内个别高校和研究机构已致力于索膜结构的研究开发工作,并取得了很多成果。但是许多关键技术仍然只被一些发达国家所掌握。
　　1 索膜结构的特点
　　索膜结构是一种新型的空间结构形式,它通过施加预应力,使结构具有一定的刚度以承受各种荷载作用。概括而言,索膜结构有以下的优缺点。
　　(1)更自由的建筑形体塑造。多变的支承结构和柔性膜材使建筑物造型更加多样化,新颖美观,富有时代气息。
　　(2)更好的经济效益。膜结构屋面重量仅为常规钢屋面的1/30,降低了墙体和基础的造价。同时膜建筑奇特的造型和夜景效果有明显的“建筑可识性”和商业效应,其价格效益比更高。
　　(3)更短的施工周期。膜工程中所有加工和制作均可依照设计在工厂内完成,现场只进行安装作业。相比传统建筑的施工周期,它几乎可以缩短一半。
　　(4)更低的能源损耗。膜具有良好的透光性,透光率为7%—20%,可以充分利用自然光,减少能源消耗。并且具有良好的阻燃性和自洁性。
　　(5)更大跨度的建筑空间。由于膜结构自重轻,膜建筑可以不需要内部支承,这使人们可以更灵活、更有创意地设计和使用建筑空间。膜结构的主要缺点是耐久性差。现在的设计寿命只能达20年左右,处于临时性建筑与永久性建筑的转变时期;其次由于薄膜张力的连续性,局部的破坏就会造成整个结构破坏。
　　2索膜结构的研究现状及存在问题
　　2.1找形分析
　　确定一个满足边界条件和预应力大小及分布的初始平衡形态的过程就是索膜结构的找形分析。在索膜结构的发展初期,找形分析主要是通过物理模型试验来完成,随着计算机技术的迅速发展,各种数值分析方法也都应运而生。目前,国内外在索膜结构找形分析中常用的方法主要有动力松弛法、力密度法、非线性有限元法、最小二乘法和控制点逼近法等。由于柔性结构的分析中存在内力判定和形状判定,所涉及到的内容以及成形准则仍未明确和完全解决,还存在着很多难点,比如关于复杂曲面和组合曲面的找形理论还比较少。因此找形分析研究的重点主要包括计算模型的改进、初始形态优化设计等方面。
　　2.2荷载分析
　　索膜结构初始平衡形状确定后,就应对其进行荷载分析。其目的是为了检查索膜结构在各种荷载组合作用下结构的刚度是否足够、膜面的应力与变形是否在容许范围内,以保证在敏感荷载作用下满足强度要求和正常使用要求。目前索膜结构的荷载分析主要使用非线性有限元法。早期的非线性有限元法一般采用直线索单元和三角形膜单元,并考虑几何非线性和索松弛、膜褶皱问题。近年来许多学者在索膜结构的单元模型方面进行了研究,比如采用非线性曲面膜单元和曲线索单元;也有学者提出三维有限元分析方法。由于索膜结构质轻面薄,结构刚度很小,对风荷载比较敏感,所以耦合风振响应分析是索膜结构研究领域的难点。因此关于风和索膜结构的耦合响应以及可能产生的动力失稳问题需要进行深入的理论分析和风洞实验研究。
　　2.3优化分析
　　目前索膜结构的找形是根据设计经验假设一组该索膜结构初应力的分布,通常是为了获得极小曲面而假定一组等初应力的分布,然后用适当的计算方法得到在该初应力分布条件下索膜结构的初始形状。索与膜的初始应力如何确定,如何使膜结构处于设计所追求的最优状态的研究,并未深入地展开。国内方面,钱基宏基于最小变形能理论,提出“最优形态”的概念,建立了膜结构“形态优化”的最小变形能理论模型及求解方法;卫东等人结合遗传算法的基本概念提出适用于张拉膜结构的优化算法,并编制了相应的计算程序。作为有限元分析软件,ANSYS具有专门的结构优化程序,但目前利用ANSYS有限元软件进行索膜结构优化分析的研究很少,而对膜结构整体协同工作下的优化分析研究在国内外几乎是个空白。
　　2.4整体协同分析
　　张拉膜结构为柔性结构,在通常的设计中,为了计算的简便往往会将膜结构的计算与支承结构的计算分开,即先假设膜的边界固定,对膜结构进行计算并得到支座反力;然后将支座反力反作用于支承结构来计算支承结构的受力与变形。也就是说,在一般的设计中是没有考虑支承结构与膜结构的相互作用问题的。然而,膜结构与支承结构之间肯定是协同工作的,那么这种简化计算结果与实际情况就会产生偏差。目前对于两者的共同分析及膜结构的优化分析已逐渐得到设计人员的重视。《膜结构技术规程》(CECS 158: 2004)也指出在膜结构计算时,对于非刚性体系支承结构的膜结构应进行整体分析。国内外关于这方面的分析很少,考虑索杆与膜整体作用对受力性能的研究也才刚刚开始,已有的协同分析研究也只是限于结构的荷载受力和静力特性分析。而在整体模型与分离模型下对膜结构,特别是下部支撑结构有何影响,目前国内很少有学者在这方面进行研究
　　3索膜结构的工程应用
　　索穹顶结构在近20年来才在工程中实现,但一经问世便成功地应用于一些大跨、超大跨度的结构中。在Fuller的张拉整体概念基础上,David Geiger创造性地提出索穹顶结构的概念,即以连续的拉索与分散的压杆构成整体结构。美国建筑师M·Levy对DavidGeiger的索穹顶结构技术做了进一步改进,他用菱形联方空间网格代替了David Geiger型索穹顶的单根辐射状径向脊索,使索穹顶结构的稳定性更好,刚度也大大提高,抵抗不对称外荷载或局部荷载的能力也有较大增强。1990年M·Levy设计完成的佛罗里达州太阳海岸穹顶直径达210 m,是世界上首座索穹顶室内足球场。目前世界上最大的索穹顶室内体育馆是1966年亚特兰大奥运会的Georgia穹顶。20世纪末建造的千年穹顶则集中体现了20世纪建筑技术的精华。
　　我国对膜结构的研究和应用与国外相比起步较晚, 1997年竣工的上海八万人体育场开启了我国大型膜结构之先河。近10年间我国索膜结构得到了飞速的发展,国内膜结构设计施工企业的相继成立,推动了索膜结构的发展。国内的一些建筑单位和高校也开始对膜结构进行全方位的研究。近两年我国还兴建了一些完全中国技术的膜结构:在北京顺义和鞍山相继建造了两个气承式空气膜的游泳馆;在苏州乐园建成了以悬挂膜和骨架支承膜相结合的音乐广场;秦皇岛欢乐海洋乐园膜结构工程是国内第一家开合式膜结构,设计施工要求都非常精确。另外,一系列的功能性标志性小品膜建筑,如深圳金海湾小品、昆明世博园工程都成为点缀景观的佳作。
　　但是与国外相比,无论在建筑设计理论或是膜结构全过程设计施工技术方面,国内的技术力量仍与世界先进水平存在着差距。主要表现在缺少有效的自主开发的膜结构设计软件,技术力量薄弱,专业性人员少;国内市场上目前还没有合乎建筑织物标准的膜材,膜材生产和加工还需要依靠国外,国内厂家生产的膜材的质量,耐久性及自洁性还不能达到国际标准;施工安装工艺经验不足,企业经营运作方面缺乏经验等。
　　 4索膜结构研究的发展方向
　　张拉膜结构是通过给膜材直接施加预拉力使之具有刚度,并承担外荷载的结构形式。完整的张拉式膜结构一般由张拉薄膜、加劲索及支承结构三部分组成。目前对索膜结构形态分析仍停留在对初始形状成因的表面认识上,而未能深入研究如何确定最终状态下索膜结构的初始应力等参数。
　　我国的《膜结构技术规程》(以下简称《规程》)指出在膜结构计算时,对于非体系支承结构的膜结构应进行整体分析。但至于如何进行整体分析,采用整体对结构(包括膜结构与支承结构)会产生怎样的影响,《规程》暂无详细的说明。所以,对这种膜结构与支承结构的相互作用问题及整体协同工作下的形态优化深入研究,掌握结构的真实受力与变形情况,对于进行更为合理的设计具有重要意义。《规程》规定:“膜结构计算模型的边界支承条件应与支承点的实际构造相符合,对于可能产生较大位移的支承点,在计算中应考虑支座位移的影响,或与支承结构一起进行整体分析”。但如何进行整体分析,是否采用整体分析,对结构(包括膜结构与支承结构)会产生怎样的影响,《规程》暂无详细的说明。所以,对这种膜结构与支承结构的相互作用问题进行深入分析,掌握结构的真实受力与变形情况,对于进行更为合理的设计具有重要意义。
　　参考文献
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　　[2]那向谦.索膜结构基本体系与建筑设计.建筑学报,2001(2).
　　[3]廖士骏.膜结构今昔面面观.世界建筑,1999.
　　[4]蓝天.当代索膜结构发展概述.世界建筑,2000(9).