膜結(jié)構(gòu)應(yīng)用

目前全世界膜結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)企業(yè)主要集中在美國、日本和德國等少數(shù)幾個(gè)發(fā)達(dá)國家。其中大部分的生產(chǎn)企業(yè)都力具備產(chǎn)品的研發(fā)、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)這一產(chǎn)業(yè)全業(yè)務(wù)鏈模式經(jīng)營。而作為膜結(jié)構(gòu)的主要材料，目前市場(chǎng)上主要是以是PVC膜、PVF膜、PVDF、PTFE乃至新的ETFE 膜材為主。負(fù)高斯膜面高低起伏具有的平衡感使體型較大的結(jié)構(gòu)看上去像擺脫了重力的束縛般輕盈地飄浮于天地之間。

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膜結(jié)構(gòu)建筑特點(diǎn)

膜結(jié)構(gòu)建筑是用輕質(zhì)高強(qiáng)度柔性薄膜材料與支撐體系相結(jié)合形成的具有一定剛度的穩(wěn)定曲面、可承受一定荷載、能夠覆蓋大空間的結(jié)構(gòu)形式。由于充分發(fā)揮了材料抗拉強(qiáng)度高的特性,使得膜結(jié)構(gòu)建筑具有以下優(yōu)點(diǎn):

1.1 跨度大

據(jù)有關(guān)資料推測(cè),跨度越大的建筑,采用膜結(jié)構(gòu)越能體現(xiàn)其經(jīng)濟(jì)性。目前充氣結(jié)構(gòu)建筑的無內(nèi)柱空間路度可做到200m以上。

1.2 結(jié)構(gòu)重量輕

膜材本身質(zhì)輕,支承膜材的鋼桿、鋼架與鋼索比相應(yīng)的鋼筋混凝土也減輕不少重量。1970年日本大阪世界博覽會(huì)中的美國館,屋面重量每平方米僅1122kg。

膜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)步驟

常用的計(jì)算機(jī)找形方法：

（1）力密度法

索網(wǎng)結(jié)構(gòu)中拉力與索長度的比值定義為力密度（ForceDensity）。力密度法（ForceDensityMethod）是由linkwitz及Schek提出來的，原先只是用于索網(wǎng)結(jié)構(gòu)的找形，將膜離散為等代索網(wǎng)，后來，該方法被用于膜結(jié)構(gòu)的找形。（2）主應(yīng)力方向與膜材經(jīng)、緯向纖維間的夾角，這一問題變的重要是因?yàn)槟げ氖钦划愋圆牧?。把等代為索的膜結(jié)構(gòu)看成是由索段通過結(jié)點(diǎn)相連而成，通過確定索段的力密度，建立并求解結(jié)點(diǎn)的平衡方程，可得各自由結(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)。

不同的力密度值，對(duì)應(yīng)不同的外形。當(dāng)外形符合要求時(shí)，由相應(yīng)的力密度即可求得相應(yīng)的預(yù)應(yīng)力分布值。力密度法也可以用于求解小曲面，小曲面時(shí)膜內(nèi)應(yīng)力處處相等，肥皂膜就是建議的小曲面的例子。不同的膜材的柔性程序也不相同，有的膜材柔韌性極佳，不會(huì)因折疊而產(chǎn)生脆裂或是破損，這樣的材料是有效實(shí)現(xiàn)可移動(dòng)、可展開結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)和前提。實(shí)際上的小曲面無法用計(jì)算機(jī)數(shù)值計(jì)算方法得到，所以工程上常采用確定誤差來得到可接受的較小曲面。

力密度法的優(yōu)點(diǎn)是只需求解線性方程組，其精度一般能滿足工程要求。用力密度法找形的軟件有德國EASY（EasyForm）、意大利Forten32、新加坡WinFabric等。

（2）動(dòng)力松弛法

動(dòng)力松弛法（DynamicRelaxationMethod）是一種專門求解非線性系統(tǒng)平衡狀態(tài)的數(shù)值方法，他可以從任意假定的不平衡狀態(tài)開始迭代得到平衡狀態(tài)，早將這種方法用于索網(wǎng)結(jié)構(gòu)的是Day和Bunce，而Barnes則成功地應(yīng)用于膜結(jié)構(gòu)的找形。 　　力密度法只是從空間上將膜離散化，而動(dòng)力松弛法從空間和時(shí)間兩方面將膜結(jié)構(gòu)體系離散化?？臻g上的離散化是將結(jié)構(gòu)體系離散為單元和結(jié)點(diǎn)，并假定其質(zhì)量集中于結(jié)點(diǎn)上。膜結(jié)構(gòu)的清潔膜結(jié)構(gòu)膜面上污垢的堆積與當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境條件、膜結(jié)構(gòu)膜材特性和膜面的形狀有關(guān)。時(shí)間上的離散化，是針對(duì)結(jié)點(diǎn)的振動(dòng)過程而言的。初始

狀態(tài)的結(jié)點(diǎn)在激振力作用下開始振動(dòng)，這時(shí)跟蹤體系的動(dòng)能；當(dāng)體系的動(dòng)能達(dá)到極值時(shí)，將結(jié)點(diǎn)速度設(shè)置為零，跟蹤過程重新開始，直到不平衡力為，達(dá)到新的平衡為止。

動(dòng)力松弛法大特點(diǎn)是迭代過程中不需要形成剛度矩陣，節(jié)約了剛度矩陣的形成和分解時(shí)間，并可在計(jì)算過程中修改結(jié)構(gòu)的拓?fù)浜瓦吔鐥l件，該方法用于求解給定邊界條件下的平衡曲面。其缺點(diǎn)是迭代步驟往往很多。2008年北京奧運(yùn)會(huì)、2010年上海世博會(huì)和廣州亞運(yùn)會(huì)的舉行，以及各種類型的展覽館建設(shè)，使得我國迎來了膜結(jié)構(gòu)建筑的發(fā)展高峰期，這幾年間我國膜結(jié)構(gòu)建筑的建造規(guī)模擴(kuò)張非常迅速。用動(dòng)力松弛法找形的軟件有英國InTENS、新加坡WinFabric、英國Suface等。