课程设计--花瓣形索膜结构找形(3D3S)

《空间结构》课程设计“花瓣形”张拉膜结构分析

By imbz

2010年04月16日

目 录

1.膜结构概述 (1)

1.1 膜结构的定义 (1)

1.2 膜结构的类型 (1)

1.3 膜结构的发展历程 (2)

1.4 膜结构的特点 (4)

2.“花瓣形”张拉膜结构分析（3D3S） (5)

2.1 膜结构相关数据 (5)

2.2 建模计算过程 (5)

3.膜结构体系设计的理论简介 (10)

3.1 初始形状确定方法 (10)

3.2 膜面的剪裁算法 (11)

4.膜结构部分图纸 (11)

4.1 工程概况 (11)

4.2 膜剪裁结果 (11)

5.结语 (13)

参考文献 (13)

“花瓣形”张拉膜结构分析

1.膜结构概述

1.1膜结构的定义

《膜结构技术规程》(CECS 158:2004)定义：“膜结构(membrane structure)是由膜材及其支承构件组成的建筑物或构筑物。”

《全国民用建筑工程设计技术措施-结构(结构体系) (2009版)》定义：“膜结构是以性能优良的织物为材料，或是向膜内充气，由空气压力支撑膜面，或是利用柔性钢索或刚性骨架将膜面绷紧，从而形成具有一定刚度并能覆盖跨度不超过300m的结构体系。其自重轻、造型丰富、透光性好、具有自洁性。”

1.2膜结构的类型

膜结构根据建筑造型需要，按其支承方式不同，分为整体张拉式膜结构、骨架支承式膜结构、索系支承式膜结构和空气支承式膜结构，以及以上形式的组合成的结构。

(1)整体张拉式膜结构一般采用独立的桅杆或拱作为支承结构将钢索与膜材悬挂起来，然后利用钢索向膜面施加张力将其张紧，形成具有一定刚度的屋盖结构（图1）。

图1 整体张拉式膜结构

(2)骨架支承式膜结构是以钢骨架作为承重骨架，然后在骨架上敷设膜材并张紧，骨架可按建筑要求选用拱、网壳等类型的结构（图2）。

图2 骨架支承式膜结构

(3)索系支承式膜结构，是由钢索、膜材及少量的受压杆件组成，主要用于圆形或椭圆形多边形平面的大跨建筑（目前最大跨度已达200m以上）（图3）。

图3 索系支承式膜结构

(4)空气支承式膜结构，又称充气结构，是指向气密性好的膜材所覆盖的空间输送空气，利用内外空气的压力差，使膜材处于受拉状态，结构就具有一定刚度来承受荷载。充气支承式膜结构又分气承式和气胀式两种；两者的区别在于，前者是向膜所覆盖的建筑空间充气（图4a），后者是向膜所形成的封闭体充气（图4b）。气承式可用于跨度较大的建筑，气胀式主要用于跨度较小的临时性建筑。

a.气承式膜结构

b.气胀式膜结构

图4 空气支承式膜结构

1.3膜结构的发展历程

膜结构这种结构体系最早可追溯到古代游牧民族的帐篷，模仿风帆的古罗马斗售场看台挑蓬；这些都可以看作是当今世界上流行的薄膜结构的原型。现代意义上的膜结构起源于20世纪初。1917年英国人nchester提出了用鼓风机吹胀膜布用作野战医院的设想，并申请了专利。但当时这个发明只是一种构想。直到1946年，该专利的第一个产品才正式问世，

这就是Watler Bird为美国军方设计制作了的一个直径为15m的球星充气雷达罩。1957年他有将自家的游泳池罩在一个充气膜结构中，并在美国的生活杂志上作了介绍，从此这种结构形式开始被世人知晓。他的Birdair公司在20世纪60年代已经能用当时的膜材建造跨度在60m以上的充气膜结构。

20世纪50年代，德国建筑师Otto创立了预应力膜结构理论，并在帐篷制造公司的支持下完成一系列张拉膜结构；其代表作有1967年的加拿大Montreal博览会的德国馆，1972年Otto与Behnish合作完成的Munich奥林匹克中心；这两项设计想人们展示了柔性张拉结构及其丰富的艺术表现力，也使得Otto称为膜结构技术的先驱者。

膜结构的第一次集中展示并引起社会广泛关注与兴趣的是在1970年日本大阪万国博览会上。由于日本是个多地震国家，且博览会会址的地质条件较差，各国建筑师与工程师纷纷选择了膜结构这种自重轻、抗震性能好、施工速度快且形态各异的结构形式作为临时展馆，如建筑师Davis、Brody与工程师David Gerger设计的美国馆。

膜结构的发展离不开新型膜材的不断出现。20世纪70年代初，由David Gerger等人组成的研究小组在美国Ford基金会的支持下研制开发了强度更高、耐久性更好的以玻璃纤维为基材涂敷据四氯乙烯（PTFE，商品名Teflon）的膜材，使膜结构作为永久建筑称为可能。

1973年建筑师John Shaver为美国加利福尼亚州Santa Clara La Verne学院设计的单桅杆中新支撑体系的La Verne学生活动中心是第一个采用PTFE膜材的薄膜结构。这个后来被称为“超级帐篷”的活动中心深受学生们的喜爱，并成为当地标志性建筑。

当David Gerger致力于充气膜结构时，其长期（1968～1983）合作者Horst Berger则偏爱于张拉膜结构的设计。继1976年美国费城200周年庆典工程成功后，Horst Berger几乎参与了当今所有最具影响的张拉膜结构工程，如1981年的沙特阿拉伯Haj国际航空港，1989年的美国San Diego会议中心，1993年美国Denver国际机场候机大厅。

自1970年起以后的10多年间，美国又建起了大约8座大型永久性充气膜结构体育馆，日本也分别在1988年和1992年先后建成了东京后乐园棒球馆和熊本公园穹顶。但充气莫结构的多次事故使David Gerger对充气膜结构的前途产生怀疑，他转而寻求其他的支承形式。在Fuller的张拉整体（Motro，1984，1997；Lalvani，1996）概念基础上，David Gerger创造性地提出了“索穹顶”（Cable Dome）结构的概念，即以连续的拉索与分散的压杆构成整体结构。

“索穹顶”作为一种索系支撑的膜结构，最早应用于1986年韩国汉城亚运会的体操馆及击剑馆。1989年建成了美国第一个索穹顶结构Normal市伊利诺斯州大学红鸟体育馆，1990