索膜結(jié)構(gòu)的發(fā)展和應(yīng)用

摘要:大跨空間結(jié)構(gòu)是目前發(fā)展最快的結(jié)構(gòu)類型。大跨度建筑及作為其核心的空間結(jié)構(gòu)技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r是代表一個國家建筑科技水平的重要標(biāo)志之一。文中對空間索膜結(jié)構(gòu)的發(fā)展現(xiàn)狀和前景作了簡要概述。

關(guān)鍵詞:索膜結(jié)構(gòu)，找形分析，荷載分析，優(yōu)化分析，協(xié)同分析

索膜結(jié)構(gòu)雛形可追溯到古代游牧民族使用的帳篷結(jié)構(gòu)。自1967年加拿大博覽會德國館創(chuàng)造性地大規(guī)模采用索膜結(jié)構(gòu)以來，索膜結(jié)構(gòu)以其豐富的建筑造型和優(yōu)異的結(jié)構(gòu)受力特性得到了廣大建筑師、結(jié)構(gòu)師的青睞，廣泛應(yīng)用于商業(yè)、體育、工業(yè)等大跨度建筑結(jié)構(gòu)及戶外設(shè)施、文化娛樂建筑等各種建筑小品中。其中具有代表性的有沙特的利雅得體育場、美國的丹佛新國際機(jī)場、英國的千年穹頂以及韓日世界杯比賽的體育場館等。在索膜結(jié)構(gòu)蓬勃發(fā)展的同時，一系列的設(shè)計、施工問題也隨之產(chǎn)生。目前索膜結(jié)構(gòu)的研究主要集中在找形分析、裁剪分析、荷載分析、及施工工藝等方面。與國外相比，國內(nèi)索膜結(jié)構(gòu)的研究和應(yīng)用還比較落后。從上世紀(jì)80年代開始，國內(nèi)個別高校和研究機(jī)構(gòu)已致力于索膜結(jié)構(gòu)的研究開發(fā)工作，并取得了很多成果。但是許多關(guān)鍵技術(shù)仍然只被一些發(fā)達(dá)國家所掌握。

1 索膜結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)

索膜結(jié)構(gòu)是一種新型的空間結(jié)構(gòu)形式，它通過施加預(yù)應(yīng)力，使結(jié)構(gòu)具有一定的剛度以承受各種荷載作用。概括而言，索膜結(jié)構(gòu)有以下的優(yōu)缺點(diǎn)。

(1)更自由的建筑形體塑造。多變的支承結(jié)構(gòu)和柔性膜材使建筑物造型更加多樣化，新穎美觀，富有時代氣息。

(2)更好的經(jīng)濟(jì)效益。膜結(jié)構(gòu)屋面重量僅為常規(guī)鋼屋面的1/30，降低了墻體和基礎(chǔ)的造價。同時膜建筑奇特的造型和夜景效果有明顯的“建筑可識性”和商業(yè)效應(yīng)，其價格效益比更高。

(3)更短的施工周期。膜工程中所有加工和制作均可依照設(shè)計在工廠內(nèi)完成，現(xiàn)場只進(jìn)行安裝作業(yè)。相比傳統(tǒng)建筑的施工周期，它幾乎可以縮短一半。

(4)更低的能源損耗。膜具有良好的透光性，透光率為7%—20%，可以充分利用自然光，減少能源消耗。并且具有良好的阻燃性和自潔性。

(5)更大跨度的建筑空間。由于膜結(jié)構(gòu)自重輕，膜建筑可以不需要內(nèi)部支承，這使人們可以更靈活、更有創(chuàng)意地設(shè)計和使用建筑空間。膜結(jié)構(gòu)的主要缺點(diǎn)是耐久性差?，F(xiàn)在的設(shè)計壽命只能達(dá)20年左右，處于臨時性建筑與永久性建筑的轉(zhuǎn)變時期;其次由于薄膜張力的連續(xù)性，局部的破壞就會造成整個結(jié)構(gòu)破壞。

2索膜結(jié)構(gòu)的研究現(xiàn)狀及存在問題

2.1找形分析

確定一個滿足邊界條件和預(yù)應(yīng)力大小及分布的初始平衡形態(tài)的過程就是索膜結(jié)構(gòu)的找形分析。在索膜結(jié)構(gòu)的發(fā)展初期，找形分析主要是通過物理模型試驗(yàn)來完成，隨著計算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，各種數(shù)值分析方法也都應(yīng)運(yùn)而生。目前，國內(nèi)外在索膜結(jié)構(gòu)找形分析中常用的方法主要有動力松弛法、力密度法、非線性有限元法、最小二乘法和控制點(diǎn)逼近法等。由于柔性結(jié)構(gòu)的分析中存在內(nèi)力判定和形狀判定，所涉及到的內(nèi)容以及成形準(zhǔn)則仍未明確和完全解決，還存在著很多難點(diǎn)，比如關(guān)于復(fù)雜曲面和組合曲面的找形理論還比較少。因此找形分析研究的重點(diǎn)主要包括計算模型的改進(jìn)、初始形態(tài)優(yōu)化設(shè)計等方面。

2.2荷載分析

索膜結(jié)構(gòu)初始平衡形狀確定后，就應(yīng)對其進(jìn)行荷載分析。其目的是為了檢查索膜結(jié)構(gòu)在各種荷載組合作用下結(jié)構(gòu)的剛度是否足夠、膜面的應(yīng)力與變形是否在容許范圍內(nèi)，以保證在敏感荷載作用下滿足強(qiáng)度要求和正常使用要求。目前索膜結(jié)構(gòu)的荷載分析主要使用非線性有限元法。早期的非線性有限元法一般采用直線索單元和三角形膜單元，并考慮幾何非線性和索松弛、膜褶皺問題。近年來，許多學(xué)者在索膜結(jié)構(gòu)的單元模型方面進(jìn)行了研究，比如采用非線性曲面膜單元和曲線索單元;也有學(xué)者提出三維有限元分析方法。由于索膜結(jié)構(gòu)質(zhì)輕面薄，結(jié)構(gòu)剛度很小，對風(fēng)荷載比較敏感，所以耦合風(fēng)振響應(yīng)分析是索膜結(jié)構(gòu)研究領(lǐng)域的難點(diǎn)。因此關(guān)于風(fēng)和索膜結(jié)構(gòu)的耦合響應(yīng)以及可能產(chǎn)生的動力失穩(wěn)問題需要進(jìn)行深入的理論分析和風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)研究。

2.3優(yōu)化分析

目前索膜結(jié)構(gòu)的找形是根據(jù)設(shè)計經(jīng)驗(yàn)假設(shè)一組該索膜結(jié)構(gòu)初應(yīng)力的分布，通常是為了獲得極小曲面而假定一組等初應(yīng)力的分布，然后用適當(dāng)?shù)挠嬎惴椒ǖ玫皆谠摮鯌?yīng)力分布條件下索膜結(jié)構(gòu)的初始形狀。索與膜的初始應(yīng)力如何確定，如何使膜結(jié)構(gòu)處于設(shè)計所追求的最優(yōu)狀態(tài)的研究，并未深入地展開。國內(nèi)方面，錢基宏基于最小變形能理論，提出“最優(yōu)形態(tài)”的概念，建立了膜結(jié)構(gòu)“形態(tài)優(yōu)化”的最小變形能理論模型及求解方法;衛(wèi)東等人結(jié)合遺傳算法的基本概念提出適用于張拉膜結(jié)構(gòu)的優(yōu)化算法，并編制了相應(yīng)的計算程序。作為有限元分析軟件，ANSYS具有專門的結(jié)構(gòu)優(yōu)化程序，但目前利用ANSYS有限元軟件進(jìn)行索膜結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析的研究很少，而對膜結(jié)構(gòu)整體協(xié)同工作下的優(yōu)化分析研究在國內(nèi)外幾乎是個空白。

2.4整體協(xié)同分析

張拉膜結(jié)構(gòu)為柔性結(jié)構(gòu)，在通常的設(shè)計中，為了計算的簡便往往會將膜結(jié)構(gòu)的計算與支承結(jié)構(gòu)的計算分開，即先假設(shè)膜的邊界固定，對膜結(jié)構(gòu)進(jìn)行計算并得到支座反力;然后將支座反力反作用于支承結(jié)構(gòu)來計算支承結(jié)構(gòu)的受力與變形。也就是說，在一般的設(shè)計中是沒有考慮支承結(jié)構(gòu)與膜結(jié)構(gòu)的相互作用問題的。然而，膜結(jié)構(gòu)與支承結(jié)構(gòu)之間肯定是協(xié)同工作的，那么這種簡化計算結(jié)果與實(shí)際情況就會產(chǎn)生偏差。目前對于兩者的共同分析及膜結(jié)構(gòu)的優(yōu)化分析已逐漸得到設(shè)計人員的重視?！赌そY(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(CECS 158: 2004)也指出在膜結(jié)構(gòu)計算時，對于非剛性體系支承結(jié)構(gòu)的膜結(jié)構(gòu)應(yīng)進(jìn)行整體分析。國內(nèi)外關(guān)于這方面的分析很少，考慮索桿與膜整體作用對受力性能的研究也才剛剛開始，已有的協(xié)同分析研究也只是限于結(jié)構(gòu)的荷載受力和靜力特性分析。而在整體模型與分離模型下對膜結(jié)構(gòu)，特別是下部支撐結(jié)構(gòu)有何影響，目前國內(nèi)很少有學(xué)者在這方面進(jìn)行研究。

3索膜結(jié)構(gòu)的工程應(yīng)用

索穹頂結(jié)構(gòu)在近20年來才在工程中實(shí)現(xiàn)，但一經(jīng)問世便成功地應(yīng)用于一些大跨、超大跨度的結(jié)構(gòu)中。在Fuller的張拉整體概念基礎(chǔ)上，David Geiger創(chuàng)造性地提出索穹頂結(jié)構(gòu)的概念，即以連續(xù)的拉索與分散的壓桿構(gòu)成整體結(jié)構(gòu)。美國建筑師M·Levy對DavidGeiger的索穹頂結(jié)構(gòu)技術(shù)做了進(jìn)一步改進(jìn)，他用菱形聯(lián)方空間網(wǎng)格代替了David Geiger型索穹頂?shù)膯胃椛錉顝较蚣顾鳎顾黢讽斀Y(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性更好，剛度也大大提高，抵抗不對稱外荷載或局部荷載的能力也有較大增強(qiáng)。1990年M·Levy設(shè)計完成的佛羅里達(dá)州太陽海岸穹頂直徑達(dá)210 m，是世界上首座索穹頂室內(nèi)足球場。目前世界上最大的索穹頂室內(nèi)體育館是1966年亞特蘭大奧運(yùn)會的Georgia穹頂。20世紀(jì)末建造的千年穹頂則集中體現(xiàn)了20世紀(jì)建筑技術(shù)的精華。

我國對膜結(jié)構(gòu)的研究和應(yīng)用與國外相比起步較晚， 1997年竣工的上海八萬人體育場開啟了我國大型膜結(jié)構(gòu)之先河。近10年間我國索膜結(jié)構(gòu)得到了飛速的發(fā)展，國內(nèi)膜結(jié)構(gòu)設(shè)計施工企業(yè)的相繼成立，推動了索膜結(jié)構(gòu)的發(fā)展。國內(nèi)的一些建筑單位和高校也開始對膜結(jié)構(gòu)進(jìn)行全方位的研究。近兩年我國還興建了一些完全中國技術(shù)的膜結(jié)構(gòu):在北京順義和鞍山相繼建造了兩個氣承式空氣膜的游泳館;在蘇州樂園建成了以懸掛膜和骨架支承膜相結(jié)合的音樂廣場;秦皇島歡樂海洋樂園膜結(jié)構(gòu)工程是國內(nèi)第一家開合式膜結(jié)構(gòu)，設(shè)計施工要求都非常精確。另外，一系列的功能性標(biāo)志性小品膜建筑，如深圳金海灣小品、昆明世博園工程都成為點(diǎn)綴景觀的佳作。

但是與國外相比，無論在建筑設(shè)計理論或是膜結(jié)構(gòu)全過程設(shè)計施工技術(shù)方面，國內(nèi)的技術(shù)力量仍與世界先進(jìn)水平存在著差距。主要表現(xiàn)在缺少有效的自主開發(fā)的膜結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件，技術(shù)力量薄弱，專業(yè)性人員少;國內(nèi)市場上目前還沒有合乎建筑織物標(biāo)準(zhǔn)的膜材，膜材生產(chǎn)和加工還需要依靠國外，國內(nèi)廠家生產(chǎn)的膜材的質(zhì)量，耐久性及自潔性還不能達(dá)到國際標(biāo)準(zhǔn);施工安裝工藝經(jīng)驗(yàn)不足，企業(yè)經(jīng)營運(yùn)作方面缺乏經(jīng)驗(yàn)等。

"4索膜結(jié)構(gòu)研究的發(fā)展方向

張拉膜結(jié)構(gòu)是通過給膜材直接施加預(yù)拉力使之具有剛度，并承擔(dān)外荷載的結(jié)構(gòu)形式。完整的張拉式膜結(jié)構(gòu)一般由張拉薄膜、加勁索及支承結(jié)構(gòu)三部分組成。目前對索膜結(jié)構(gòu)形態(tài)分析仍停留在對初始形狀成因的表面認(rèn)識上，而未能深入研究如何確定最終狀態(tài)下索膜結(jié)構(gòu)的初始應(yīng)力等參數(shù)。

我國的《膜結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(以下簡稱《規(guī)程》)指出在膜結(jié)構(gòu)計算時，對于非體系支承結(jié)構(gòu)的膜結(jié)構(gòu)應(yīng)進(jìn)行整體分析。但至于如何進(jìn)行整體分析，采用整體對結(jié)構(gòu)(包括膜結(jié)構(gòu)與支承結(jié)構(gòu))會產(chǎn)生怎樣的影響，《規(guī)程》暫無詳細(xì)的說明。所以，對這種膜結(jié)構(gòu)與支承結(jié)構(gòu)的相互作用問題及整體協(xié)同工作下的形態(tài)優(yōu)化深入研究，掌握結(jié)構(gòu)的真實(shí)受力與變形情況，對于進(jìn)行更為合理的設(shè)計具有重要意義?！兑?guī)程》規(guī)定:“膜結(jié)構(gòu)計算模型的邊界支承條件應(yīng)與支承點(diǎn)的實(shí)際構(gòu)造相符合，對于可能產(chǎn)生較大位移的支承點(diǎn)，在計算中應(yīng)考慮支座位移的影響，或與支承結(jié)構(gòu)一起進(jìn)行整體分析”。但如何進(jìn)行整體分析，是否采用整體分析，對結(jié)構(gòu)(包括膜結(jié)構(gòu)與支承結(jié)構(gòu))會產(chǎn)生怎樣的影響，《規(guī)程》暫無詳細(xì)的說明。所以，對這種膜結(jié)構(gòu)與支承結(jié)構(gòu)的相互作用問題進(jìn)行深入分析，掌握結(jié)構(gòu)的真實(shí)受力與變形情況，對于進(jìn)行更為合理的設(shè)計具有重要意義。

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