膜结构工程设计与施工

摘要：膜结构又叫张拉膜结构（Tensioned Membrane structure），是以建筑织物，即膜材料为张拉主体，与支撑构件或拉索共同组成的结构体系，它以其新颖独特的建筑造型，良好的受力特点，成为大跨度空间结构的主要形式之一。 作为一种全新的建筑结构形式，它集建筑学、结构力学、精细化工与材料科学、计算机技术等为一体，具有很高技术含量。本文就膜结构在实际工程的使用情况进行介绍，通过对设计和施工中有关问题的解决处理，分析和探讨膜结构的性能和使用。

关键词：膜结构；曲面有限单元；膜材；设计；施工

Abstract: Tensioned membrane structure architecture (Tensioned Membrane structure), is building fabric, including membrane material tensioning structure system for main body, composed together with the support member or cable, with its unique architectural style, good mechanical characteristic, become one of the main forms of large span space structure. As a kind of new building structure, it combines architecture, structural mechanics, fine chemical engineering and materials science, computer technology, as a whole, with high technical content. In this paper the use of membrane structure in practical engineering are introduced, through the solution of the problems concerned in design and construction, analysis and discussion of membrane structure and performance.

Key words: surface membrane structure; finite element; membrane material; design; construction

中图分类号：TU2 文献标识码： A文章编号：

1工程概况

某体育场看台为二层框架结构，二层看台面积1616.5㎡，建筑高度9.15m。看台的膜结构在中间主席台由一个在中央的双圆锥结构构成，在两侧看台各一组六个双圆锥结构组成的。整个结构向后倾斜。雨水将流向背后。两边的双圆锥结构设计成锯齿状。

2膜结构的设计

2．1曲面有限单元建立的膜结构理论分析

膜结构的设计总体思路为：先找出一个初始平衡形状，然后进行各种荷载组合下的力学分析，最后裁剪制作。关于膜结构的计算方法，目前以有限元法为最先进、最普遍被采用的方法。而单元类型皆为三角形平面常应变单元，该方法是从刚性板壳大变形理论移植过来的。

膜结构作为只能抗拉的软壳体是不适宜采用这种平面单元的，因为对于刚性壳体来说，这种平板单元可以看成平面应力单元和平板弯曲单元的组合，其单元刚阵可以由这两种单元刚阵合并而成。而膜结构作为软壳体是不能抗弯的，只能靠薄膜曲面的曲率变化，从而引起膜表面中内力重分布来抵抗垂直于曲面的外荷载。如果还是采用这种只有平面内应力的板单元，则应变的线性部分将不反映平面外z方向位移的影响，这导致单元不包含z方向节点反力，就每个单元来说静力是不平衡的。所幸的是应变的非线性部分考虑了z向位移的影响，使得各单元合并起来的总的平衡方程通过不断迭代能近似达到平衡，缺点是需要过多的平面内位移来满足平衡的要求，而实际情况是只需要一定的平面外和平面内的位移及曲率变化就可以了。

考虑到以上因素，采用曲面膜单元，应变的线性部分引入了z向位移及单元的曲率和扭率，非线性部分仍然保留z向位移的影响项。这样无论是每个单元还是各单元合并后的平衡方程都能很容易满足，迭代次数大为减少，而变形结果也更符合真实情况。而且由于单元内各点应力都不相同，据此判断皱折是否出现会更为精确。最后求出的每个单元的曲率和扭率对于判断初始找形的正误和优劣以及裁剪下料都能提供很多非常有用的信息。用曲面有限单元建立的膜结构找形及内力计算方法极小曲面具有非常完美的表面形状和应力状态，是膜结构最合理的理想初始状态。

2．2 膜结构设计模型分析

对于两边的膜结构，每个架间由一片双圆锥膜组成。中间的膜结构仍由一片双圆锥组成。所有的膜都将会有放射性接缝的设计，这是一种最完美的双圆锥膜结构设计。

2．3对膜结构进行以下几种荷载工况分析：

（1） 预应力

（2） 均布雪荷载0.4KN/sqm

（3） 均布风压力q＝0.4KN/sqm，Cp=0.6

（4） 均布风吸力q＝0.4KN/sqm，Cp=1.0

（5） 风荷载Y+Ve（正面），q＝0.4KN/sqm，Cp不定

（6） 风荷载Y—Ve（背面），q＝0.4KN/sqm，Cp不定

（7） 风荷载Y+Ve（侧面），q＝0.4KN/sqm，Cp不定

风荷载和雪荷载分析依据中国建筑规范要求，在负载的情况下，不会有积水产生。

2．4支撑结构

支撑结构包括一根悬臂构架和桅杆的组合，高点是由短桅杆支撑在构件上，以便膜结构以下的空间不阻隔。使用膜结构的反力来分析支撑结构并且选用相应的材料。

2．5膜材选择

在选择膜材时，采用国际上通用的安全系数5，无论任何工况下的最大膜应力均可适用。参照上海膜结构技术规范（DGJ08-97-2002，J10209-2002）从膜应力分布中可以看出，最大的应力集中于高点位置。为了优化材料的选择，在这一区域使用补强片来增强它的强度。通过使用补强片，可以计算出这一部分的强度为通常强度的1.5倍。

2．6安装程序

首先，钢结构将被全部安装完成，由于膜结构是独立的部分，因此膜结构的安装可以同时进行。对于两边的膜结构，首先中间的架间将被安装，然后再安装两边，这样可以最小限度对钢结构造成损害。

膜材料的裁剪制作

膜材料的裁剪拼接过程是有误差的，这是因为首先用平面膜片拼成空间曲面就一定会有误差，其次膜布是各向异性非线性材料，在把它张拉成曲率变化多端的空间形状时，不可避免的会与初始设计形状有出入。所以就有可靠性、灵活性和完成时间这三个标准来判断裁剪方法是否实用。布置膜结构表面裁剪缝时要考虑以下几个因素：

表面曲率。采用的是曲面膜单元分析法，得到每个单元的曲率。如果相邻单元曲率相差很大，说明在这个位置，曲面扭曲得很严重，如果裁剪缝在此处不切断重新开始，那么裁剪膜块的边界在此处就会有很大的弧形。

（2） 膜材料的幅宽。找形分析过程中的平面网格划分时，就要考虑到膜材料的幅宽。尽量使一块膜布中包含的膜单元是完整的，否则还要通过插值计算确定膜块边界点的位置。

（3） 边界的走向。如果边界比较平直，可以考虑用一个膜块的长边作为这条边界。否则只能用多个膜块的短边拼接成这条边界。

（4） 美观。

4膜结构的安装

4．1施工顺序

（1） 钢结构进行到一定阶段时膜结构进场，并且依照施工顺序来进行膜结构安装。

（2） 正确卸料，膜材的每个角于出厂前都会贴上标识注明位置，确认所需的膜材及预安装的位置是否符合，以避免膜材错装或重复搬运的工时浪费。

（3） 小心拆除包装箱，避免膜材受损，拆箱后依照膜材的展张的方式图对膜材进行最优化的吊装及展张工作，吊运时要求多人在不同角度观察，以避免不必要的灾害发生。

（4） 膜材安装时，先安装中间部分的膜材，并将膜材从中间高点向外延展，施工人员同时于双向随时与之固定。

（5） 将两边的膜部分固定就位，然后各点同步实施平均拉伸，确保膜材达到设计要求。

4．2施工注意问题

（1） 施工安装前应对膜体及零配件的出厂报告、产品质保书、检测报告以及品种、规格、色泽、数量进行验收。安装前检查的项目有：膜体外观质量；膜体上所有的拼缝及结合处的质量；螺栓、垫圈及铝合金、不锈钢压条无拉伤和锈蚀；索、锚具无涂层破坏及锈蚀；缆绳无污损。

（2） 工程现场的膜体应安放在搭设的辅助架之上，保证安全，防止膜体污损。

（3） 膜的紧固夹板再安装前必须倒角打磨平整，不应有锐角锐边。螺栓不应有飞刺，所有与膜体接触的金属件不应有尖锐棱角。

（4） 膜结构安装时，应在膜面上安设爬用安全网，作业人员在膜面上行走时应穿软底鞋，不应佩带钥匙等硬物。不应破坏膜面。膜面与支撑结构间必须设隔离层，不得直接接触。

（5） 膜结构安装宜在风力不大于四级的情况下进行。在安装过程中应充分注意风速和风向，避免颤动现象。发生强风时，应终止作业。

（6） 膜结构的构件施工必须严格按照规范、工艺标准和施工组织设计执行。

5、膜结构应用前景

膜结构是一种建筑与结构完美结合的结构体系。它是用高强度柔性薄膜材料与支撑体系相结合形成 具有一定刚度的稳定曲面，能承受一定外荷载的空间结构形式。其造型自由轻巧、阻燃、制作简易、 安装快捷、能易于、使用安全等优点，因而使它在世界各地受到广泛应用。这种结构形式特别适用于 大型体育场馆、人口廊道、展览会场、购物中心等领域。相信将来，膜结构在建筑领域有着更为广泛的应用前景。