膜結(jié)構(gòu)建筑的結(jié)構(gòu)計算通常由計算機(jī)完成,其復(fù)雜型體的整體空間作用和繁雜的抗風(fēng)計算是從事一般建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的工程師難以完成的 。國外各大從事膜結(jié)構(gòu)建筑設(shè)計和安裝的公司,都各自開發(fā)了大型的軟件,但為了控制市場都嚴(yán)格保密。目前國內(nèi)已經(jīng)出現(xiàn)的諸如上海八萬人體育場等少數(shù)膜結(jié)構(gòu)建筑,也都是外國公司設(shè)計的。我國自行設(shè)計的大型膜結(jié)構(gòu)還很少,國內(nèi)也尚無成熟的理論計算方法及相應(yīng)的計算設(shè)計程序,制約了膜結(jié)構(gòu)在我國的發(fā)展、應(yīng)用與研究。
傳統(tǒng)膜結(jié)構(gòu)的設(shè)計主要包括體形設(shè)計、找形分 析、荷載分析、裁剪分析等。
體形設(shè)計確定建筑平面形狀尺寸、三維造型、凈空體量,確定各控制點的坐標(biāo)、結(jié)構(gòu)形式,選用膜材和施工方案。找形分析又稱為初始形態(tài)分析,主要是尋找并確定一個既滿足膜內(nèi)力平衡條件又接近設(shè)計者預(yù)想造型的曲面。由于膜材料本身沒有抗壓和抗彎剛度,抗剪強(qiáng)度也很差,因此其剛度和穩(wěn)定性需要靠膜曲面的曲率變化和其中預(yù)張應(yīng)力來提高,對膜結(jié)構(gòu)而言,任何時候不存在無應(yīng)力狀態(tài),因此膜曲面形狀終必須滿足在一定邊界條件、一定預(yù)應(yīng)力條件下的力學(xué)平衡,并以此為基準(zhǔn)進(jìn)行荷載分析和裁剪分析。膜結(jié)構(gòu)的荷載一般是風(fēng)載和雪載,荷載作用下膜材料的變形較大,要計算結(jié)構(gòu)的變形和應(yīng)力要用幾何非線性的方法進(jìn)行;荷載分析的另一個目的是確定索、膜中初始預(yù)張力。在外荷載作用下膜中一個方向應(yīng)力增加而另一個方向應(yīng)力減少,要求施加初始張應(yīng)力滿足不利荷載作用下應(yīng)力不致減少到零,即不出現(xiàn)皺褶。剪裁分析是在預(yù)應(yīng)力狀態(tài)下的曲面形體上尋求合理的裁剪線位置及其分布,然后按照一定的方法將三維曲面展開為二維平面。膜材料輕柔、自振頻率很低,風(fēng)荷載作用下極易產(chǎn)生風(fēng)振,導(dǎo)致膜材料破壞,如果初始預(yù)應(yīng)力施加過高,膜材徐變加大,易老化且強(qiáng)度儲備少,對受力構(gòu)件強(qiáng)度要求也高,增加施工安裝難度。
初始預(yù)應(yīng)力要通過荷載計算來確定。經(jīng)過找形分析而形成的膜結(jié)構(gòu)通常為三維不可展空間曲面,如何通過二維材料的裁剪,張拉形成所需要的三維空間曲面,是整個膜結(jié)構(gòu)工程中的關(guān)鍵問題,是裁剪分析的主要內(nèi)容。
施工時,應(yīng)根據(jù)膜面的尺寸和施工場地的條件,認(rèn)真確定膜材的結(jié)合位置,以及膜材的捆包、搬運和展開。