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膜结构的四种基本形状
2019-04-09 09:46:45
  我们见过的膜结构建筑主要有四种基本形状,分别为鞍形、伞形、拱支式和脊谷式,了解这四种典型结构形式的曲面构成和力学特点,有助于增进对膜结构中形与力的认识。

  1.鞍形(saddle shape)

  鞍形曲面由四个不共面的角点和连接角点的边缘构件围合而成,是典型的互反曲面形式。在这四个角点中,通常有两个对角点为高点(HP),另两个为低点(LP)。鞍形膜结构的边缘构件可以是混凝土梁或空间钢桁架,即形成所谓的刚性边界;也可以采用边索,通过对其施加较大的预张力形成柔性边界。由于柔性边界可以较好地适应膜面的变形,避免膜面在安装和受荷过程中出现褶皱,因而较为常用。

  对于菱形平面的鞍形膜结构,可定义两对角点间的水平距离 L 为跨度,高点(或低点)与跨中点间的高差f 为矢高,f / L为矢跨比(如图 4b所示)。矢跨比是控制鞍形曲面形状的重要参数。矢跨比越大,膜面曲率越大,结构刚度就越好;通常矢跨比在 1/ 8~1/ 12之间。

  鞍形膜结构的适用跨度较小,一般多用于膜结构小品中。

  2.伞形(conical shape)

  伞形膜结构也是常见的张拉膜结构形式之一。这种结构形式的特点在于,膜单元的周边相对位置较低,多固定在刚性边梁或柔性边索上;在膜单元的中部设有一个或多个高点,多通过独立柱、飞柱或悬挂环的支承来实现;整个膜面呈锥形为了避免在高点附近的膜材内部应力过大,当膜单元跨度较大时,可在高点和边界支承点之间设置脊索,以改变结构内部的传力路径,避免膜材出现应力集中。伞形曲面还可以倒置应用于工程中。

  3.拱支式(arch supported shape)

  拱支式膜结构以拱为膜材提供连续的支承点,结构平面多为圆形或近似椭圆形。当跨度较大时,常在中间拱与下部边缘构件之间布置正交索网。拱支式膜结构多用于封闭式建筑中,如加拿大加尔格里的林赛公园体育中心(Li ndsay Park Sport s Cent er)就是典型的拱支式膜结构。

  4.脊谷式(wave shape)

  脊谷式膜结构是在两高点之间布置相互平行的脊索、在两低点之间布置谷索,高低相间,曲面呈波浪形;脊索和谷索之间的膜面形成负高斯曲率曲面。当结构跨度较大或荷载较大时,还可在脊索和谷索之间适当布置一些横向的加强索。脊谷式膜结构的结构平面多呈矩形,如图 7 所示。美国的丹佛国际机场和加拿大的 Canada Place等,都是典型的脊谷式膜建筑。

  尽管上述四种基本形式的造型各不相同,但都遵循一个原则,即要通过刚性支承构件或连接件在膜面内形成一系列的高点和低点;这正是互反曲面的基本特征,即互反曲面的边界不会位于同一平面内。把握了这一原则,在实际设计中就可以根据支承构件的形式(桅杆、拱或吊环)及其对膜的支承方式(点支承或线支承),来选取适当的膜结构造型形式。

  以上四种基本形式仅仅是为了加深理解所作的一种简单归纳,实际膜结构的形状远非如此简单,甚至可以说是鲜有雷同;即便是这四种基本形式本身也可以有多种多样的变形。在实际设计时,切不可以拘泥于其中,而应把握膜结构自然、流畅的精髓,创造出更多的新颖、别致的膜结构作品。

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