某复杂空间网壳的建模新方法

第六届全国现代结构工程学术研讨会

某复杂空间网壳的建模新方法

杨宗林罗晓群张其林

（同济大学建筑设计研究院，上海２０００９２）（同济大学土木工程学院建工系，上海２０００９２）

摘要：本文采用膜结构的形态分析理论来进行某复杂空间网壳的曲面造型设计，利用膜结构的裁剪技术进行曲面的分割得到网格，完成空间网壳的建模过程，思路新颖，方法独特，可以借鉴。

关键词：膜结构，形态分析理论，裁剪技术

一、引言

近１０年来，我国的网壳结构获得了迅速的发展，应用范围日益扩大。网壳结构具有刚度大、自重轻、造型丰富美观，综合技术经济指标好的特点，是大跨度、大空间结构的主要结构形式之一。

网壳结构具有非常丰富的建筑造型，工程师利用各种曲面能创造出许多造型新颖，生动活泼的建筑来。曲面分为两大类，一类是典型曲面，也就是几何学曲面，这类曲面可以用几何学方程表达出来，例如平面、圆柱面、圆锥面、球面、抛物面等；另一类是非典型曲面，也就是非几何学曲面，这些曲面不能以简单的几何学方程来表示。虽然典型曲面以及对典型曲面进行适当的切割组合ｆｌ匕仓，Ｊ造出许多型体优美的网壳结构，但建筑师对非典型曲面却更加青睐，因为非典型曲面能更自由、更理想地创造建筑型体。大量的复杂曲面的建筑设计对结构ＣＡＤ软件建模功能提出了挑战，结构工程师们借鉴工业和机械制造业的ＣＡＧＤ（计算机辅助几何设计）技术，利用Ｂｅｚｉｅｒ、Ｂ样条、非均匀有理Ｂ样条（ＮＵＲＢＳ）等方法来设计空间结构尤其是网壳结构的型体得到了令人满意的结果。

与网壳结构相比，另一种空间结构一一膜结构的曲面造型却更自然和丰富多彩，膜结构和索网结构的发展催生了以计算机技术为基础的形态分析理论（ＦｏｒｍＦｉｎｄｉｎｇ），也就是求满足给定预应力状态和边界条件的结构形状，形态分析可以得到正高斯曲率的曲面（如充气膜结构）也可以得到负高斯曲率的曲面（如张拉膜结构），见图１。

图１充气膜结构和张拉膜结构形态分析过程

我们可以利用膜结构的形态分析方法来解决一些复杂网壳的曲面造型设计，之后利用膜结构的裁剪技术来解决网格划分问题，希望本文对从事空间网壳设计的研究和设计者有所帮助。

工业建筑２００６增刊５１１

第六届全国现代结构工程学术研讨会

某网壳工程建模实例

该工程是一座城市立交桥的景观建筑。结构形式为大跨度空间网壳结构，网壳由周边四个管桁架拱支撑，两个主拱（四管桁架）跨度１３２ｍ，两个副拱（三管桁架）跨度分别为１１４ｍ和１３３．３８７ｍ，为Ｔａｎ强结构的整体稳定性，在两主拱之间设了三道联系拱；网壳网格划分为４ｍ×４ｍ，高度２ｍ，网壳上覆盖白色建筑膜材，膜表面开了五个椭圆型的孔，两个靠近拱脚的孔为轻轨而设，另外三个是玻璃采光棚。

图３某网壳工程效果图

建筑当时只给定了四个拱的控制曲线（见图４），由这四条控制曲线不能找到可以典型曲面（几何学曲面），我们试用了其他建模的方法，得到的曲面都不是很理想，最后决定用膜结构的形态分析方法，通过调整适当的参数，得到了满意的曲面造型，曲面与各控制线都达到了很光滑的过渡，曲面见图５。

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工业建筑２００６增刊图４建筑给定的控制曲线

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图５形态分析得到的光滑曲面

为了将曲面表示为网格的形式，我们应用膜结构的平面和测地线的裁剪方法将曲面切割成等距的网格，进而得到了我们需要的网壳结构模型，见图６：

四、结语

图６网壳模型图

“他山之石，可以攻玉”，在一个领域的问题有可能在别的领域已经得到了解决，或者别的领域的某些方法可以用来解决我们目前的问题，我们利用膜结构形态确定理论和裁剪技术来解决某些复杂曲面网壳的曲面造型和网格划分时有时能够受到事半功倍的效果。

参考文献

（１）张其林．索和膜结构．同济大学出版社

（２）尹德钰，刘善维，钱若军．网壳结构设计．中国建筑工业出版社

（３）公晓莺，罗尧治．面向空间结构自由曲面重建技术．第五届全国现代结构工程学术研讨会论文集

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工业建筑２００６增刊

某复杂空间网壳的建模新方法

作者：杨宗林， 罗晓群， 张其林

作者单位：杨宗林(同济大学建筑设计研究院,上海,200092)， 罗晓群,张其林(同济大学土木工程学院建工系,上海,200092)

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