膜結構設計

膜結構的設計一般分為四個步驟，分別為形體設計、初始平衡形狀分析、荷載分析和裁剪分析。膜結構的設計從來就不是按部就班，而且一個不斷嘗試不斷實驗的過程。

（1）形體設計。形體設計是設計的根本，也是設計的初始，在形體設計的時候，應確定建筑平面的形狀、尺寸、三維造型以及建筑平面各控制點的坐標。同時也應確定薄膜材料和施工方案。

（2）初始平衡形狀分析。初始平衡形狀分析又等同于膜結構找形分析。薄膜材料本身比較特殊，薄膜材料本身是不具有抗壓和抗彎強度的，而且，薄膜材料本身的抗剪能力也是十分的差。在膜結構中，為了讓薄膜材料可以承受一定的荷載，需要對薄膜材料進行一定的預張拉。對于膜結構而言，整體結構的穩(wěn)定性都是需要靠膜曲面的曲率變化和其中的預應力來提高。那也就是說，膜曲面的形狀的確定是需要在特定的邊界條件鐵定預應力條件下的一種力學平衡。由于薄膜材料不具備抗壓抗彎強度，抗剪強度又很差，所以，在正常使用過程中，在受到風荷載或者雪荷載的影響下，薄膜材料會產生形變，一旦薄膜材料發(fā)生了變形就會導致應力重分布，膜結構受到的荷載形式就與之前不同。所以，應該說，膜結構的應力狀態(tài)是一種變化值，在對膜結構進行力學分析時宜采用幾個非線性的方法進行分析。再找形分析中要確保生成的三維空間曲面是形狀穩(wěn)定、應力均勻分布、能抵抗在使用過程中各種可能產生的荷載工況的平衡曲面。

（3）荷載分析。由于薄膜材料自重比較低，比較輕柔，自振頻率低，這會導致膜結構之中的在風荷載作用下，非常容易產生風振，破壞薄膜材料，所以要對薄膜材料進行張拉使其有一定的強度儲備。但如果薄膜材料張拉過大，對受力構件強度的要求也會變大，無疑是增加了現場施工安裝的難度。所以要通過荷載計算來確定張拉時所需要的初始預應力大小。在設計的過程中還應該考慮風荷載，對于會下雪的區(qū)域還應該考慮雪荷載[4]。

（4）裁剪分析。之前的各種計算都是在一個三維空間進行的各項計算，包括通過找形分析的初始平衡狀態(tài)而形成的膜結構，也一般都是三維的不可以展開的空間曲面。但如何實現這個空間曲面的建設，這就需要將二維的薄膜材料進行裁剪，再經過張拉，最后變成所需要的預設的三維空間曲面。這個如何將三維空間曲面裁剪成二維薄膜裁剪的拼接則是整個膜結構工程中最重要的部分。

現階段，膜結構工程中一般采用動力松弛法、力密度法以及有限元法等來進行荷載分析設計和裁剪分析設計，在設計過程中，要對膜結構主要的構件尺寸進行計算確定，對膜結構的支承結構進行有限元分析，并且對于可靠連接方式也需要進行計算，確定螺栓、焊縫和其他次要構件的尺寸，為實現膜結構的施工提供計算依據。

實際上，膜結構在設計上不僅需要考慮的膜結構的各項計算，在膜結構的方案設計時就需要考慮各種方面的問題，在進行膜結構方案設計階段時，設計師根據工程經驗在了解該項膜結構的跨度，使用時會遇到的荷載工況來進行預判和進行概念設計，大致確定預應力的大小和張拉方式，初步擬定膜片的大小和索的布置，對于關鍵節(jié)點設計的時候，要盡量避免應力集中。一般在考慮膜面和固定構件的形狀的時候，要避免積水，造成對膜結構產生積水荷載，增加膜結構設計難度。膜結構在設計過程中，還要考慮薄膜材料和加強構件的運輸和吊裝，要簡化膜于支承的連接節(jié)點，不宜設置過于巨大或者復雜的結構造成運輸或者現場安裝施工造成困難，降低現場施工量。對于膜結構本身，也要要進行耐久性和防火和造型美觀的考慮。