景觀張拉膜結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與分析

景觀張拉膜結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與分析

景觀張拉膜結(jié)構(gòu)是以性能優(yōu)良的織物為基本材料，利用柔性索或剛性支承將織物張拉緊，利用空間形態(tài)形成具有良好剛度的結(jié)構(gòu)體系，是一種張力結(jié)構(gòu)，整個(gè)膜面只受拉力。根據(jù)其支承結(jié)構(gòu)及邊界約束的不同一般可分為三種類型：柔性體系、剛性體系及混合體系。景觀張拉膜結(jié)構(gòu)以膜面良好的采光性能和優(yōu)美的造型在住宅會(huì)所、停車場(chǎng)、入口雨棚、機(jī)場(chǎng)進(jìn)出口等場(chǎng)所得到了廣泛的應(yīng)用。

一是形態(tài)找尋與確認(rèn)

景觀張拉膜結(jié)構(gòu)的形態(tài)是表面張力結(jié)構(gòu)體系更為核心的要素，形態(tài)的好壞直接決定了體系的成立與否，是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的初步工作。膜材不具有抗壓、抗彎的能力，只具有抗拉能力，因此表面張力結(jié)構(gòu)必須充分利用結(jié)構(gòu)曲面空間形態(tài)以及預(yù)張緊力來維持自身穩(wěn)定并抵抗外部作用。

景觀張拉膜結(jié)構(gòu)膜面的外形必須具有抵抗雙向外力的能力，當(dāng)?shù)挚瓜蛳碌淖灾丶坝晁奢d時(shí)，則A向的膜材提供抗拉能力，當(dāng)出現(xiàn)向上的風(fēng)荷載力時(shí)，B向的膜材提供抗拉能力，這種雙向互反曲面就是一種理想表面張力的曲面，該曲面在數(shù)學(xué)上稱為負(fù)高斯曲面，在日常生活中稱為馬鞍面。在景觀張拉膜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，要求建筑與結(jié)構(gòu)在方案階段就緊密配合，找尋到一種即滿足建筑造型效果又滿足結(jié)構(gòu)力學(xué)平衡要求的馬鞍山形態(tài)。

景觀張拉膜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的首步即為找形分析。形態(tài)找尋的方法有力密度法、動(dòng)力松弛法及非線性有限元法，形態(tài)找尋有兩個(gè)基本原則：1.必須是馬鞍面；2.盡量避免扁平區(qū)域；3.找形后膜面初始應(yīng)力應(yīng)盡量均勻。通過找形分析，確定膜面的初始形態(tài)和初始張拉應(yīng)力。

三．結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)

景觀張拉膜結(jié)構(gòu)體系的形態(tài)找尋確認(rèn)之后，結(jié)構(gòu)專業(yè)需進(jìn)行一些列分析，包括膜材選擇、荷載確定、膜面計(jì)算，支撐體系的計(jì)算等。

1 .膜材選擇

景觀建筑領(lǐng)域所用的膜材有織物類膜材與非織物類兩大類，前者常用的有PVC涂層覆蓋聚酯纖維織物、PTFE涂層覆蓋玻璃纖維織物，后者中更具代表性的是乙烯–四氯乙烯共聚物。

2.荷載與作用

景觀張拉膜結(jié)構(gòu)荷載效應(yīng)分析，是在初始形態(tài)確定后的幾何形態(tài)和初始張力的基礎(chǔ)上，考慮各種可能的荷載組合對(duì)膜結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算分析。荷載主要是恒載、活載、風(fēng)荷載，作用主要是溫度作用。

3.計(jì)算分析

景觀膜結(jié)構(gòu)必須考慮幾何非線性進(jìn)行計(jì)算，軟件可采用如國內(nèi)的3D3S，國際的ANSYS。膜結(jié)構(gòu)計(jì)算一般是支承結(jié)構(gòu)和膜面一起整體計(jì)算分析，也有先單獨(dú)計(jì)算膜面，再提出反力驗(yàn)算支承結(jié)構(gòu)的算法。景觀膜結(jié)構(gòu)的驗(yàn)算包括膜面和支承結(jié)構(gòu)的驗(yàn)算，驗(yàn)算一般包含變形和應(yīng)力的驗(yàn)算。

四、裁剪設(shè)計(jì)

景觀膜結(jié)構(gòu)驗(yàn)算完成后，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)內(nèi)容完成。膜面下料前還有一個(gè)裁剪設(shè)計(jì)，即將由形態(tài)找尋得到并經(jīng)荷載分析驗(yàn)算的空間曲面，轉(zhuǎn)換成無應(yīng)力的平面下料圖，相當(dāng)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的深化設(shè)計(jì)，以用于景觀膜結(jié)構(gòu)裁剪下料。裁剪設(shè)計(jì)由膜材廠家深化完成，目前常用的裁剪設(shè)計(jì)方法有測(cè)地線裁剪法、平面相交裁剪法、動(dòng)態(tài)規(guī)劃法、力密度法。完成裁剪設(shè)計(jì)后，

五、總結(jié)

在景觀張拉膜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，更重要是找形分析，是后續(xù)結(jié)構(gòu)荷載驗(yàn)算的基礎(chǔ)，找形后膜面形態(tài)如果不合理，后續(xù)結(jié)構(gòu)驗(yàn)算就不能滿足設(shè)計(jì)要求，這時(shí)可以重新找形再次驗(yàn)算，直到結(jié)構(gòu)驗(yàn)算滿足設(shè)計(jì)要求為止。