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江苏梵灿膜结构提供自行车停车棚设计安装加工户外遮阳膜结构自行

  • 发布时间:2019年11月09日 14:55:28  作者:孙灿  浏览:次    
  • 课程原价:270
  • 优惠价格:270
  • 上课班制:随到随学
  • 课程类型:普通课程
  • 授课时间:一小时
  • 授课对象:企业员工
  • 关 键 词:自行车停车棚设计|膜结构自行车篷|户外遮阳自行车棚
  • 上海梵灿膜结构有限公司

    加入时间:2019年06月10日
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    结构设计的特殊性和几何形态的建立

    一、特殊性

    膜结构不同于一般的传统结构,由于膜结构不存在稳定的无应力状态,需要施加一定的预张力才能形成结构的基本形态和抵抗外部荷载的能力。为了使膜结构可称为“结构”,就必须对曲面施加的预应力作计算分析,保证曲面造型同时有一定的结构承载力和刚度。所以膜结构的设计过程需要分为两个阶段:形态分析阶段和荷载状态分析阶段。


    1.形态分析阶段
    在形态分析阶段中包含初始(几何)形态建立和初始形态的确定两部分内容。
    (1)初始(几何)形态建立是建筑师根据其设计经验灵感和膜结构造型规律创造出的建筑形式,这成为整个膜结构体系进行深化的基础,立足于此,相关的工作步骤可以得到相应的开展。
    (2)初始形态的确定是结构师根据建筑师提供的初始(几何)形态寻找满足控制点边界条件和初始预应力荷载平衡条件的膜结构形状,以及与之相关的初始预应力分布。即通常所说的“找形”。事实上,找形的目的不仅仅是找出一个满足平衡的形状,还包括对所找出曲面的预应力及刚度的分析,或者说是对曲面的病态判别及其修改。
            总之,膜结构的“自由造型”需要满足力学平衡。膜结构的造型设计,需要建筑师与结构师共同完成。


    2.荷载状态分析阶段
            荷载分析是检验结构能否在实际环境中风、雨或雪等荷载作用下正常工作,不发生过大的变形和不出现褶皱和松弛。

    从结构的设计、使用和美观等角度来说,都不应出现膜面的褶皱和索的松弛现象。若不然,应重新进行形态分析,直到形态和荷载分析均达到要求。作用在张拉膜结构上的外荷载一般有自重、雪荷载、风荷载、温度应力等,这些因素都会对膜结构的设计产生一定的影响,而决定最终的造型可能。因此,在膜结构设计过程中,需要在形态分析的基础上,将材料的本构关系和荷载状况输入计算机,通过相应专业软件计算可求出荷载作用下的张拉膜结构变形和单元应力状态。同时,在进行荷载分析时,需要对计算的各单元中的较大应力和较小应力进行判断。在迭代计算过程中若出现膜的褶皱或松弛情况,应相应修改其单元本构矩阵后再进行下一步迭代计算,以达到受力体系的平衡。这一环节主要由结构师完成。
            严格来讲,在建筑、结构技术设计基本完成,绘制施工图前,还应对确定的造型进行裁剪分析。膜结构的裁剪分析是膜结构设计中的一个关键技术。现有研究裁剪的工作是在基于形状判定和荷载分析后的特定几何外形上进行。
            裁剪分析中,最棘手的问题是考虑初始预应力造成的膜材经、纬方向的伸长对裁剪下料的影响。由于膜结构是张力结构的一种--其整体刚度主要由初始预应力提供--单片膜材的裁剪和拼接是在无应力状态下进行的,而结构张成后膜材必须处于全张力状态,裁剪分析过程中必须选定合适的裁剪式样并精确确定连接坐标,把膜材由空间的预应力状态还原为平面的无应力状态。所以,如何把膜材由预应力状态还原为无应力状态是进行膜结构裁剪分析中的关键技术,但这个问题至今还未得到很好的解决。由于裁剪分析与膜结构的形状、大小、曲率、材性等许多因素有关,使得目前各种裁剪方法的应用均受到一定程度的限制。根据已有的资料进行总结,裁剪分析方法总的来说分为:物理模型方法,几何模型方法,平衡模型方法。
            正是由于膜结构所用的材料的特殊性决定了其结构设计的特殊性,区别于一般传统的建筑设计中的结构设计。

     

    二、初始(几何)形态的建立

    平面造型中的形状是物象的外轮廓,立体造型中形状是指立体物在某一距离、角度、环境条件下所呈现的外貌,而形态是指立体物的整个外貌。即形状是形态的诸多面向中的一个面向,形态则是诸多形状构成的统和体。
            对于膜结构建筑来说,设计中的最基本的问题是建立膜结构的初始(几何)形态。初始(几何)形态的确定关系到建筑的造型美观、受力性能、结构安全、施工难度和建筑经济等多个方面。
            这里的“初始(几何)形态”不同于结构学上的形状确定问题(Formfinding,即“找形”也称作“初始形态确定”)。所谓膜结构初始形态确定就是寻找满足边界条件和初始荷载平衡条件的结构形态以及与之相应的预应力分布,其初始形态是指结构仅在预应力作用下和自重作用下的自平衡状态,不考虑外部荷载的作用,是结构计算分析的关键目标参量。一般常采用等应力分布法以得到极小曲面(用于薄膜结构初始形态确定和荷载状态分析的主要方法有:力密度法、动力松弛法和非线性有限元法等。目前应用较广的方法是非线性有限元法,这是因为非线性有限元法具有较高的计算精度,并且随着计算机运行速度的大幅度提高,也在一定程度上提高了该方法的计算速度)。但这里强调的是初始形态,重点在其几何形态,而非结构计算中的膜结构初始形态。

    初始(几何)形态(initial design or configuration)是膜结构造型的前期方案形状的集合。初始(几何)形态为进一步的结构“找形”提供边界条件和基础数据,为结构模型中的支座和边界类型选择提供依据。初始(几何)形态是建筑师创作的概念方案,在设计师的思想中是“最终”的造型,但事实上,由于膜结构设计的特殊性,这个概念造型仅仅是可能接近“最终”的造型,或者说是建筑师的目标造型。
            由于膜结构的材料和结构设计的特殊性,建筑师的概念造型是还没有经过精确结构计算分析的“形”,在没有转化为计算机结构模型进行受力分析前,可以说它仅仅是空间虚拟的一个形态。此几何形态的优劣可以直接影响到结构的受力性能,而且膜结构的荷载分析、剪裁分析的节点设计都是建立在此几何形态基础上。所以,初始(几何)形态的结构可行性就显得尤为突出。
            膜结构是一种典型的柔性结构,由于膜材料不能承受弯矩,不能承受剪力,也不能承受平面内的压力,同时膜结构又是高度柔性壳结构,完全靠施加预张力来维持其形状,因此膜结构的几何形态决定于预张力的大小和分布。膜结构一旦预应力合理施加,其抵抗外部荷载的途径就是通过结构的形状变化,也就是通过膜结构造观曲面从一种平衡状态转换到另一种平衡状态。这种平衡状态的转变依赖于支持膜结构的几何形状的预应力,其造型的变化幅度即是抵抗外部荷载的能力。

    应当着重指出的是:预张力不是在施工过程中可随意调整的“安装措施”,而是在设计初始阶段就需反复调整确定的,在设计与施工全过程中务必确保的核心与关键。从这个意义上讲,没有经过精心设计适当预张力措施的膜体覆盖物,不属于膜结构建筑范畴。

            因此,合理初始(几何)形态的建立是膜结构建筑设计的首要问题。

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