索膜结构工程分析与设计综述
摘要：膜结构是一种柔性结构，其设计理念与方法与传统结构有很大差异。膜结构的设计一般可以分为找形分析、荷载分析和裁剪分析三个阶段。本文阐述了膜结构设计理论，分析了当前国内外膜结构的研究现状，并介绍了当前国内外常用的膜结构设计软件及功能。
关键词：膜结构；找形分析；荷载分析；裁剪分析；设计软件膜结构是上世纪中期发展起来的一种新兴的结构形式，其造型优美，极富现代气息，结构轻巧，有极强的空间跨越能力，且易于建造搬迁，有明显的经济效益，因此膜结构建筑成为近几十年蓬勃发展的一种新型的大跨度空间形式。
膜结构的设计也迥异于传统的刚性结构。由于膜材的柔性特征，其本身没有抗压刚度和抗弯刚度，需赋予一定的预拉力才能形成确定的空间曲面形状和抵抗外荷载的能力，成为真正的结构。
一、膜结构设计分析
由于膜材的柔性特征，膜结构是一种柔性张力体系，与一般的刚性结构在设计分析上有很大的区别。膜结构的设计分析包括找形分析、荷载分析和裁剪分析三个方面。
（一）找形分析
索膜材料是柔性材料，本身是没有抗压刚度和抗弯刚度，也就需要施加一定的预张力来张成一定的空间形状，同时通过预张力和曲面的变化来维持体系的刚度和稳定性，而这种在一定预张力作用
ADINA膜结构分析概略 西南交通大学土木学院余志祥 膜结构分析主要包括三个流程：找形分析，荷载分析和裁剪分析。找形阶段也有个别学者将其细分为找形与找态。国外专业的膜结构设计软件价格昂贵，利用常见的通用分析平台进行膜结构设计是一种可行且可替代的办法，但目前裁剪分析还得依靠自编程序或者专业的裁剪软件实现。02年的时候，我利用ANSYS摸索了一套膜结构找形、荷载分析的方法，并发布在专业论坛，实践证明其具有较高通用性，且结果较准确，并且还应用在了个别实际工程中。 膜结构主要分为张拉膜、骨架膜以及充气膜三大类，就找形方法而言，三者基本相似，但在分析方法上，充气膜存在明显差别。无论张拉膜抑或骨架膜，通过找形分析之后获得的结构物理模型基本上算是确定模型，但充气膜在获得初始形态之后仍然不具有确定性，因为这个初始态和必须和相应的气压对应，且在充气膜受荷过程中互动变化，不如张拉膜或者骨架膜，可以在膜材内部导入相应的应变场保持其初始形态和初应力场的对应，保持其形态、应力在受荷阶段实现自动呼应。充气膜要模拟其膜面内压，必须引入第三方介质，即空气场并保证荷载、结构、内压场互动呼应。 基于ADINA卓越的非线性分析能力，进行膜结构分析主要有几个关键点，首先说张拉膜结构和骨架膜。 1、根据建筑设计确定其初始平面形状。这个形状称为零状态形状，可以为平面，也可以为一个实 际模型较为接近的三维曲面形态。 2、膜单元采用adina的2D Solid，并设置相应的单元选项为3D membrane。索单元可以直接用truss 单元等代，两种材料均可直接采用线弹性材料。 3、膜面网格采用三节点三角形或者四节点四边形。单元列式为线形完全积分格式。根据非线性计 算的收敛难易程度，可以关闭非协调元模式。 4、将索和膜材弹性模量降低1000倍，设置支座提升量、增量分析参数，为获得结构找形初始形态 完备分析参数。小弹性模量方法的本质在于让材料自由“伸长”，但内应力却几乎可以不变。 5、虽然adina能够直接提供输入膜材和桁架单元的初始应变，但实际操作中，除桁架单元可以通过 初应变提供预应力外，膜面预应力一般不采用导入初始应变场的方式，那样在完成第一次找形之后，新的应力场无法和初始形态形成平衡，导致存在一系列问题。但3D membrane单元必须依靠一个很小的初始应变场来支撑膜单元的非线性分析（程序单元属性设置使然），因此，可以预定义一个很小的应变场，并赋予相应的膜单元，这个应变场产生的应力应该小到相对于工程预应力可以忽略。膜面的预应力最好通过降温方法施加，方法很简单，给膜材设置一个虚拟的热膨胀系数，比如1，但需要保证加载温度、膨胀系数和膜面预应力的对应关系，由于不是物理意义上的热分析，因此，温度、热膨胀系数都可以虚拟，但由此产生的膜面预应力却是必须符合实际的。具体计算公式很简单，可以参考任何一本弹性力学教材。 6、完成找形分析之后，可以在后处理获取相应的节点position，并导出为txt文件并在excel中完成 编辑复制。 7、在前处理器中将零状态模型打开之后另存一份，并在其中进行编辑：首先将excel中的节点新位 形数据黏贴到node define菜单的表格中，完成坐标更新；并将膜材和索材弹性模量还原到实际状态。这个过程需要注意的是，由于材料物理属性发生变化，控制产生索预应力或者膜预应力的应变设置、温度设置都要相应变化，目的是保持找形后的模型中的预应力保持不变，比如膜材的弹性模量还原时增加1000倍，则热膨胀系数降低1000倍，或者该系数不变，将温度降低1000倍，索单元的属性参数亦然。调整完之后计算分析，可以获得真实参数下的结构新位形。
大家听说过索膜结构吗？其实从严格意义上来说，索膜结构就是我们平时所说的张拉膜结构，也是膜结构的常见形式之一，外表轻巧、美观、柔美，寿命也很长，很受人青睐。要说一个完整的索膜结构需由膜材、索结构、支架结构三部分组成，缺一不可。其实索膜结构有很多我们不了解的好处，今天我们就来详细了解一下。 （索膜结构-图例） 【索膜结构介绍】 大家对索膜结构了解多少呢？它也被称为张拉膜结构，是膜结构三种常见形式之一，其以膜材、钢结构支柱、拉索等共同作用，使膜面形成一定的张力从而形成承受外载荷的某种稳定的空间结构，与骨架式、充气式结构相比索膜结构是很能体现膜结构精髓的形式，由于其强度决定于受拉构件的承载能力而不是结构的稳定性，所以能够充分发挥钢索和膜材受拉工作时强度高、自重轻的特点，更加适合于大跨度结构中。 其造型也更加的灵活、轻巧、柔美，对于索膜结构来说不需要多余的支撑体系也不需要多余的装饰，其结构本身就是一种艺术造型。所以索膜结构非常适合用在标志性建筑上，如体育场馆、商场、交通设施、娱乐设施、文化景观设施等，不仅如此因为造型感强、制作简单、安装便捷、节能环保、安全性好所以索膜结构现在应用范围非常广泛。
【索膜结构组成】 一个完整的索膜结构一般由三部分组成：膜材、索结构、支架结构，下面我们简单说下这三部分。 1.形成曲面结构的张拉膜材，膜材作为结构材料，要能够抵抗一定的载荷而不致引起过大变形，同时作为结构中的覆盖材料，需要满足一定的建筑功能，如遮蔽、防火、耐久等，常用的为PVC/PVDF 膜材。 2.用于加强膜面的脊索、谷索以及将膜内力传向支撑结构的边索，索结构除了对膜面受力方面有加强作用，更重要的是它们起到了改变建筑造型的作用，尤其是脊索和谷索的灵活设置可能对整个建筑带来奇妙的视觉效果。 3.索膜结构体系中的支架结构，支架结构中常用的是钢结构，也可以采用混凝土结构，一些情况下甚至可以使用木结构或其他结构，支架结构除满足将索膜体系的内力传递到基础这一要求外，其构造形式也直接影响了索膜结构的整体造型。 【索膜结构特点】 一个好的索膜结构就需具备以下特点： 1.造型自由灵活艺术感强 因为索膜结构整体构造非常简单，支架结构、索结构以及膜材的灵活搭配组合，打破了传统以直线为主的建筑结构形式，可以创造出各种富有时代气息的优美曲面造型，特别是夜晚配合灯光更容易形成
重庆·三江原生态文化城—演艺中心舞台雨棚钢膜结构工程 施工组织设计 徐州鹏程钢结构工程有限公司 二○一八年四月三日
目录 一、编制说明………………………………………………………………… 二、工程概况………………………………………………………………… 三、施工布置………………………………………………………………… 四、施工准备工作…………………………………………………………… 五、施工方案………………………………………………………………… 六、质量保证计划…………………………………………………………… 七、安全技术措施…………………………………………………………… 八、工程相关技术标准与规范………………………………………………
一、编制说明 本工程位于重庆·三江原生态文化城演艺中心,本施工组织设计选择钢柱支撑及张拉膜结构复合体系方案，对土建基础以上膜结构工程安装、施工部分进行施工组织安排和指导。 二、工程概况 1、施工现场情况 工程地址：西藏昌都市 2、工程概况 本工程工作量较大，制作精度要求严格，整体结构要求悦目、精美，表面涂装严格。本项目总建筑面积为6692.2平方米，舞台采用管桁架膜结构体系，屋面结构由PTFE膜材覆盖：膜结构屋面投影面积6692.22㎡. 2.1钢管、钢板材质为Q345B; 2.2焊接材料为手工电弧焊焊条：E4315/E5016系列焊条，气体保护电弧焊焊丝：ER50-6。 三、施工布置 1、工程进度控制计划（见表1） 2、现场施工人力资源计划及组织机构设置（见表2）
工程进度计划表（按全部工程编制） 专业知识整理分享
索膜结构罩棚工程施工技术案例分析 摘要：体育场索膜结构罩棚钢结构部分采用大跨度悬挑斜拉索结构体系的开敞式新颖结构形式。看台顶棚钢结构为斜拉索加钢管桁架结构体系，由于悬挑较长且为开敞式，故弯矩大受风荷载影响明显加之沙漠地区风荷载更加明显，深化设计中活荷载取0.3km/m2风荷载取0.55km/m2，雪荷载取0.3km/m2。与主体钢结构对应，膜顶棚由29个马鞍形膜单元组成，峰谷鲜明，矢高2.5m，每个膜单元面积约100m2，每个膜单元之间天沟连接相邻单元天沟间防水膜覆盖。由于膜材是一种柔性织物，要想作为一种建筑材料具有一定的造型，必须给其施加一定数值的预张力，可以通过膜节点索的调节从而使预张力达到设计要求。本工程膜结构形式为张拉膜形式，沿径向硬边用螺栓与铝压板与主体钢结构桁架梁连接，檐口采用弧形软边钢索张拉，硬边的安装过程同时也是沿经线方向张拉的过程，硬边安装完成后要达到受力要求。 关键词：非线性；有限元；大跨度悬挑；卸载 1 工程概况 张掖国家沙漠体育公园位于甘州区城南13km处，东南宽 4.3km，南北长11.4km，总面积35km2，是全国距离城市最近的沙漠体育公园，公园国际赛车场占地面积约60000m2，按国际标准赛车场设计，主看台坐北向南，为极富动感的圆弧造型，面向沙漠，背靠绿洲，视野开阔，长170m，宽22m，设有3000个坐席，看台上方的风雨罩棚为索膜结构，膜棚为时尚浅黄色，与沙漠浑然一体。整体投影面呈月牙造型，流畅、美观。索膜结构罩棚投影面积2059m2，展开面积2326m2。钢结构为钢管柱主支撑，悬挑变载面钢管桁架梁，桁架梁之间连接圆弧热钢管连系梁，相贯线焊接。悬挑桁架梁与钢管柱通过Φ20柔性钢索张拉连接，悬挑桁架檐口相对标高12.7m，工程最高相对点标高24.6m超过24m，悬挑梁最长处悬挑16m，属长臂悬挑桁架梁，弯矩较大给结构施工带来很大难度，钢管柱采用Φ530mm×16mm，Q345B热钢管，桁架梁上下弦杆均采用Φ180mm×6mm 垫钢管，腹杆采用Φ60mm×3.5mm。支座采用刚性固定支座，本工程整体用钢量较大，沙漠地区施工条件艰苦，早晚温差大，而且几乎每天下午15：00都会伴随一场沙尘暴，所以施工难度相对较大，本文就本工程的特点作施工技术说明（见图1）。 2 技术措施 2.1 施工进度计划 本工程工期紧、工作量大，沙漠地区气候相对恶劣，安装难度大，新材料、新工艺、专业性强，部分材料需提前定做，所以必须进行统筹规划，做好详细的施工进度计划，根据现场土建施工及吊装机具情况及工厂车间生产情况以及各时间节点参数、工艺参数拟如下双代号网络图作为施工进度计划严格执行，如图2。
钢结构储煤棚与充气膜结构比较 一、结构安全的差异 充气膜结构是通过机械系统(8台风机)向室内空间连续不间断充气，气体在密闭的空间中逐渐加压而最终使室内外保持一定的压力差，膜体受到上浮力，产生的预张力以托起大空间。单纯的充气膜抵抗风雪荷载的可靠性差，应对极端大风、大雪存在隐患，硬物一旦刮伤损坏，自然塌落，不适用于大跨度的永久性建筑。充气膜结构只能作为条形煤场相对简易的临时仓储，无法适应圆形煤场、异形煤场及超大跨度永久煤场的工程要求，质量缺陷多，有很大局限性。 钢结构网架采用实心球(材质45#高强度钢)及钢管紧密连接，使用年限50年，按70年一遇的地震及风压雪压考虑。其构件在生产车间内加工，标准化程度高，质量易于保证。储煤棚上部钢结构网架，与下部现浇混凝土支承柱及挡煤墙连成整体，传力稳定平衡，制造质量精良，工地安装便捷，此结构被广泛使用。 二、维护使用的差异 充气膜煤棚建设时必备两路电源，满足其加压风机及消防用电。一路6kV电源引自厂区，一路增加设置二套400kW 660V柴油发电机组，作为备用电源。后期使用时，完全依靠电能，不可断电。以一万平方米储煤棚估算，一年消耗超过15万元的电费，增加后期使用成本。 钢结构网架在工厂内机械抛丸除锈，然后喷漆、喷塑或喷锌 处理，增强了抗腐蚀性，在煤棚密闭环境中，需要10-12年对钢架表面防腐处理，按建筑面积计算，每次油漆费用约35-45元/方。 三、建成运行案例的差异
充气膜结构由国外引进，多用于临时建筑(汽车旅馆、临时展出大棚等)拆建方便，气膜储煤棚在国内案例没有20个，也只局限在神华集团的煤炭储煤场方面的临建工程。 钢结构网架储煤棚，技术成熟稳定，后期运营费用极低，初期投资节约，钢材可以回收利用增加效益，诸多优势明显。在电厂、集装站、储运物流园、选煤厂、水泥厂、煤化工项目的封闭煤场项目应用广泛，25年来运行安全可靠。华能、大唐、华电、国电、中电投等,大电力公司、地方电厂、煤炭、钢铁、水泥项目案例超过10000座，且运行安全良好。 四、工程造价的差异 充气膜材料自重轻，对基础挡墙要求相对低，但膜材价格高，上部充气膜1200元/方，2.5米高挡墙无法满足内部输出煤工艺，整体造价高过1500元/方，使工程造价比预期提升。 钢结构网架对基础挡墙要求相对高，网架工厂化制作，在施工现场只须小型工具，不需要脚手架平台，即可拼装，大大节约造价，上部网架900-1000元/方，整体造价1100-1300元/方，。 五、建筑效果的差异 充气膜为白色或彩色,,,膜材，建筑外观漂浮蓬松，像搭建的大帐篷，空间层次上比例失调，显得死板、压抑。
索膜结构的应用及其发展方向 钢构09-2 顾建伟 0940193207
索膜结构是用高强度柔性薄膜材料经受其它材料的拉压作用而形成的稳定曲面，能承受一定外荷载的空间结构形式。其造型自由、轻巧、柔美，充满力量感，阻燃、制作简易、安装快捷、节能、易于、使用安全等优点，因而使它在世界各地受到广泛应用。 索膜结构作为新的建筑形式于本世纪五十年代在国际上开始出现，至今已有四十多年的历史，特别是到了七十年代以后，膜结构的应用得到了迅速发展。膜结构的出现为建筑师们提供了超出传统建筑模式以外的新选择。 膜结构一改传统建筑材料而使用膜材，其重量只是传统建筑的三十分之一。而且膜结构可以从根本上克服传统结构在大跨度（无支撑）建筑上实现时所遇到的困难，可创造巨大的无遮挡的可视空间。其造型自由轻巧、阻燃、制作简易、安装快捷、节能、易于、使用安全等优点，因而使它在世界各地受到广泛应用。另外值得一提的是，在阳光的照射下，由膜覆盖的建筑物内部充满自然漫射光，无强反差的着光面与阴影的区分，室内的空间视觉环境开阔和谐。夜晚，建筑物内的灯光透过屋盖的膜照亮夜空，建筑物的体型显现出梦幻般的效果。这种结构形式特别适用于大型体育场馆、入口廊道、小品、公众休闲娱乐广场、展览
会场、购物中心等领域。 其主体分为 张拉膜结构 PTFE建筑膜材 玻纤PVC建筑膜材 ETFE建筑膜材等形式。 只有正确表达结构逻辑的建筑才有强大的说服力与表现力”这句话揭示了张拉膜结构的精髓。对于张拉膜结构，任何附加的支撑和修饰都是多余的，其结构本身就是造型；换句话说，不符合结构的造型是不可能的，因为那样的薄膜不是飘动的就是缺乏稳定性的。张拉膜结构的美就在于其“力”与“形”的完美结合。张拉膜结构的基本组成单元通常有：膜材、索与支承结构（桅杆、拱或其他刚性构件）。 膜材一种新兴的建筑材料，已被公认为是继砖、石、混凝土、钢和木材之后的“第六种建筑材料”。膜材本身不能受压也不能抗弯，所以要使膜结构正常工作就必须引入适当的预张力。此外，要保证膜结构正常工作的另一个重要条件就是要形成互反曲面。传统结构为了减小结构的变形就必须增加结构的抗力；而膜结构是通过改变形状来分散荷载，从而获得最小内力增长的。当膜结构在平衡位置附近出现变形时，
膜结构设计规范 I、膜结构之类别 膜结构之造型类别可分为以下四类： 1．骨架式膜结构：此类膜结构是固定在精致钢材、空间桁架或其他坚固的构架上，称之为骨架式膜结构。 2．张力式膜结构：仅利用简单的支撑系统及膜素材自身的张力特性，构成此类膜结构。3．气充式膜结构：充气在由膜结构所构成之封闭区间内，随着气压升高所产生之力量，可使膜结构支撑在所须之位置，并提供膜结构所须之张力及对抗载重和外力。 4．开启式膜结构：在张力式膜结构和气充式膜结构中，被允许局部或全部是可开启的，此类为可开启式膜结构。 II、材质 1．膜素材材质可分为三大类： （1）类型A：此材质是指以玻璃纤维为其素材，而表面处理为PTFE，且其品质之要求如下： a．玻璃纤维之单位重量应大于150g/m2。 b．表面处理的材质单位重量应介于400g/ m2与1100 g/ m2之间。 c．膜素材之厚度应高于0.5mm。 （2）类型B：此材质是指以玻璃纤维为其素材，而表面处理为PVC，且其品质之要求如下： a．玻璃纤维之单位重量应大于150g/m2。 b．表面处理的材质单位重量应介于400g/ m2与1100 g/ m2之间。 c．膜素材之厚度应高于0.5mm。 d．膜素材应提供防火之处理。 （3）类型C：此材质是指以聚脂树脂、人造纤维…等或其他类似之材质为其素材，而表面处理为PVC或其他类似之原料，且其品质之要求如下： a．玻璃纤维单位重量应大于100g/m2。 b．表面处理的材质单位重量应介于400g/ m2与1100 g/ m2之间。 c．膜素材之厚度应高于0.5mm。 d．膜素材应通过JISA 1322之自然试验第二级。 2．膜素材之张力应满足下列六项条件： （1）其张力应大于20kg/cm，在经向（warp）和纬向（weft）的张力差应低于20％。（2）张力强度之测试应遵照JISL1096的标准，且特别著重于长条测试，且膜测试之样本应超过5件，取其张力测试之平均值。 （3）在张力测试时，其伸长量（破坏实验）应低于35％。 （4）在撕力测试时，其测试宽度为10mm，其撕力大小应高于10kg以及张力之大小之
充气膜结构的研究进展 提要：本文从充气膜结构的结构设计原理入手，综述了其形态分析、荷载分析、剪裁分析等方面的研究现状与发展方向。 关键字：充气膜结构;形态分析;荷载分析;剪裁分析 充气膜结构是以性能优良的薄膜为材料，通过向薄膜构成的密闭空间内充气，利用空气压力支撑膜面，从而形成具有一定刚度、能够覆盖大跨度空间的结构体系。 由于膜材所特有的非线性力学特点以及膜结构整体所表现的柔性、张力与形态的统一性，其结构设计原理显著区别于传统结构，属于大形变条件下应变和应力问题[1]。主要包括四个阶段：方案设计、形态分析、荷载分析、剪裁分析。其中，找形分析是基础，荷载分析是关键，剪裁分析是目标和归宿。有关充气膜结构的主要研究工作也就集中在这三者之上[2-4]。 1形态分析 又称找形分析、找形，目的是寻找满足边界条件和初应力平衡条件的结构形状。初始平衡态的寻找是形态分析的关键，力密度法、动力松弛法和非线性有限元法是索膜结构初始形态分析的主要方法。其中，非线性有限元法在我国相关领域内应用最为广泛。 陆鉴恒等人[5]针对膜结构找形中最小曲面的确定问题，采用动力松弛法，对迭代参数进行分析和简化，使迭代参数的简化只跟时间步长有关。从算例数据可得出，在收敛范围内，迭代次数n随着迭代步时间步Δt的增加大体呈先减少再增加的趋势，最小值在T/4附近。并发现：a.动态阻尼动力松弛法的两个参数是相互联系的，跟每一时间步质点对应的周期有关；b.参数的取值：虚拟质量为任意常数，时间步长与对应时刻的质点周期对应，取值范围为(0，T/π)，建议取T/4左右；c.此方法简化了参数的选择，明确了参数选择的物理意义。简化虽然增加了迭代的次数，但是在可接受的范围内，且误差比较说明提出的方法计算精度高，结果可靠，值得尝试和进一步研究改进。 东南大学的周树路等人[6] 则针对力密度法的找形过程进行改进，避开其中“力密度”的概念，直接引入膜面应力和索拉力作为初始条件，以节点不平衡力作为控制误差，避免了传统力密度法需要反复试算力密度取值的弊端，使找形计算过程简洁高效。据此编制找形程序，通过复杂算例验证了该算法的正确性和普适性。 鉴于力密度法原理简单但找形结果往往不能满足精度要求；非线性有限元法结果精度高但存在确定初始坐标问题和非线性系统的收敛问题。针对这两种方法的不足，温世峰等人[7]在综合以上两种方法后得到了混合法对膜结构进行找形。
国外经典索膜结构建筑 国外大型膜结构建筑通常是由索膜及索网结构搭配构造，这种结构在体育场上的应用非常普遍，另外还经常应用于车站屋顶或商业娱乐中心设施上。世界上第一个索网结构建于1951年，是美国MatthewNowiski和FredSeverud共同设计的RaleighArena(雷里活动中心)，索网为双曲抛物面。FredSeverud的学生FREIOtto在此基础上，提出物理模型法的找形理论，并应用于膜结构。1967年，蒙特利尔展览会西德馆首次将索网结构与膜结构结合起来，被业界认为是索膜结构在大跨度建筑结构领域应用的里程碑。 此后，索膜结构开始广泛应用于大跨度建筑结构，典型的国外工程实例有沙特阿拉伯吉达国际航空港、美国圣地亚哥会议中心、美国丹佛国际机场等。下面为收集整理的一些国外知名膜结构建筑，供爱好者阅读。 1.德国汉堡网球场 德国汉堡网球场膜结构展开面积约10000平方米，采用PVC(PVDF面层)膜材。屋顶是可开合式膜结构，这种屋顶能确保在任何季节举行网球比赛，避免重要赛事因天气原因中断或延迟。 2.英国泰晤士河千年穹顶 千年穹顶1999年底建成，其造型很奇特，它有12根穿出屋面高达100米的桅杆，屋盖采用圆球形的张力膜结构。膜面支承在72根幅射状的钢索上，远远望去像一个白色的大帐篷。
3.美国丹佛国际机场候机大厅 美国丹佛国际机场的特别之处在于屋顶用特殊布料覆盖及采用张拉结构的设计，令人联想到冬天受冰雪覆盖的落矶山脉。 4.2005年日本爱知世博会膜结构建筑超过50万平方米，其中日本国家馆代表着当时膜结 构的最尖端水平。 5.Khan Shatyr娱乐中心 Khan Shatyr娱乐中心150米高的悬索帐篷是世界上最高的拉力结构，也是这座中亚城市的最高建筑。用EFTE材料制作的穹顶覆盖了10万平方米的面积，包括一座公园、一座水上公园和一座上部平台以及无数娱乐休闲和零售设施等。
膜结构找形及节点分析 摘要：文章概要对比分析了各种膜材料的物理特性及其力学性能，膜结构形状的类型及各种类型的特点及适用范围，并着重分析了应用广泛的张拉式结构型式，简要概括了膜结构常用的找形方法和节点连接方式，最后通过上海世博挪威馆实例分析了膜结构的连接和主要的节点构造，结果表明了木结构和膜结构结合的可行性和可靠性。 关键词：膜材膜结构形状找形分析节点连接 0引言 膜结构与传统的建筑结构相比，形体多样、重量轻，可获得较大跨度的建筑空间，具有较好的经济效益。膜结构的加工和制作均在工厂内完成，仅在现场安装即可，与混凝土结构相比大大缩短了了施工工期。膜结构具有易拆，易建，易搬迁和易更新的特点，膜结构具有较低的能耗、较高的反射性和较低的吸光率，已被广泛用于大型的体育场馆和公共建筑。如美国丹佛国际机场，英国的格林威治的“千年穹顶”张拉膜结构。近年来我国的膜结构也有了较快的发展，上海八万人体育场馆成为我国第一个永久性的膜结构工程，2008年奥运场馆“鸟巢”及2010年上海世博轴的建成表明了膜结构在我国得到了较快的发展。这种独特的建筑形式得到了越来越多的关注和发展。本文主要从膜材，膜结构类型的选择及找形方法和节点连接方面分析了膜结构的特点，并结合上海世博挪威馆分析了膜结构的应用。 1膜材料物理及力学性能分析 膜材料主要有PVC膜材，PTFE膜材及ETFE膜材，其物理力学性能对比分析见表1。 表1：膜材材料物理及力学性能指标比较 2膜结构形状及特点分析 2.1 骨架式 骨架式膜结构以钢构或集成材料构成屋顶骨架在其上张拉膜材的构造形式。其下部支撑安定性高，因屋顶造型比较单一，开口不易受限制，具有经济效益高等特点，广泛应用于任何大小规模的空间。 2.2 充气式
索膜结构规范 Prepared on 22 November 2020
第一章总则 一、为了在膜结构的设计与施工中，做到安全可靠、技术先进、经济合理，根据我公司多 年来设计、施工经验及技术经济的发展要求，特制定本规程。 二、本规程适用于一般永久性、临时性民用建筑屋盖及构筑物，除开合式和充气膜结构之 外的膜结构设计、施工与验收。 三、对超过本规程规定的建筑膜结构参照使用本规程时，除应进行充分的可行性规范、规 程或标准的规定。对超过本规程规定的膜材、配件等应参照相关的规定进行试验。四、设计膜结构时，必须根据设计条件进行计算分析，严禁盲目套用其他膜结构的设计或 计算结果。 五、膜结构的设计、施工和验收，除应执行本规程外，尚应符合国家现行有关标准的规 定。 第二章术语和符号 第一节术语 一、膜材membranematerial 由高强度的织物基材和聚合物涂层构成的复合材料。涂层对基材起保护作用，并形成 膜材料的密封性能。 二、膜片membranesheet 膜材的裁剪片。 三、膜体membranefield 由膜片连接加工而成的膜区域。 四、膜面membranesurface 张拉并安装就位于支承结构上的膜体。 五、膜结构membranestructure 由膜面和支承结构共同组成的属于建筑物或构筑物的一部分或整个结构称为膜结构。 六、充气膜结构air-supportedmembranestructure 利用充气方式使膜面内外产生压力差，从而保持稳定的膜面形态的膜结构。 七、开合式膜结构retractablemembranestructure 利用机械方式使膜在开启和闭合的膜结构。 八、张力膜结构tensilemembranestructure 由膜面与索通过施加预张力形成具有一定刚度的稳定曲面，从而能够承受一定外荷载
索膜结构施工要点_索膜结构性能特点 索膜结构兴起于20世纪60年代,直到21世纪才逐步引入中国并被广泛应用于体育馆、展览中心、步行街等文体商业设施，索膜结构的施工可以交由专业的膜结构公司去全程把脉，作为业主们要能了解一些基础的膜结构施工要点也是能对施工过程起到一个很好的监督作用，，本文就针对索膜结构的施工要点和性能特点给大家做个介绍，以便您对索膜结构有个了解，下面就跟随致彩膜结构公司的小编一起看看吧。 【索膜结构施工要点】 一、支承结构，应事先确定好具体的安装步骤及安全技术规范，检查相应钢材有无锈迹、腐蚀，索跟锚具的接触面是否有异常。 二、膜面，膜面要求无积水、无腐蚀、无颜色异常，各节点固定要结实。 三、膜材设计及安装，膜材设计是索膜结构施工前准备工作中的重中之重，应要求相关的设计人员量好膜材相应的尺寸，把控好每个控制点的未来装置误差，要对膜材出厂时的各类质量保证相关文件、
数据进行检验，检查膜材表明是否有磨损，装置时要密切注意气候的变化，避免膜材发生抖动的假象。【索膜结构性能特点】 一，自然光的灵活转换，透光是所有膜结构建筑都共有的性能，我们还可以采用人工干预的方式控制自然光的照射，满足了对于建筑内光亮在不同时间段有着不同要求的业主们。 二，索膜结构的自重非常小，这是因为它是依靠预应力形态来保持整体结构的稳定性，使得其自重要比传统的建筑结构小多了。 三，可灵活移动及多次重复使用，由于索膜结构的自重很小，组装快速，多次重复使用，经济又环保。四，环境适应性强，索膜结构能够通过改变自身的形式来适应不同的空间布局及其天气变化。 五，安全可靠，依据行业规范设计出来的索膜结构都具有足够的安全性，即使坍塌，危险性也会很小。【索膜结构基本介绍】 目前膜结构找形分析的方法主要有动力松驰法、力密度法以及有限单元法等。荷载分析既是分析结构在各种荷载工况下的响应。而另一个目的是确定索、膜中初始预张力。在外荷载作用下膜中一个方向应力增加而另一个方向应力减少，这就要求施加初始张应力的程度要满足在不利荷载作用下应力不致
大跨度钢结构及索膜结构 大跨度钢结构和索膜结构作为大型公共建筑的主要受力部分和新型屋面系统，其质量直接影响到建筑物的安全和使用功能。本文仅结合上海体育场、浦东国际机场、虹口足球场、上海新国际博览中心等工程的监理实践，对大跨度钢结构和索膜结构施工质量控制的几个主要方面进行一些讨论。 ⑴对桁架钢构件制作质量的控制①对于钢构件制作的胎架划线和搭设 尺寸、钢构件拼装时的基准线和定位方式等进行严格检查控制。②钢 构件拼装检查应在制作焊接完成后自由状态下进行。应按每榀构件拼装 胎架中每一支点的三维空间位置验收结构尺寸。 ⑵钢结构焊接①对于施工单位首次焊接的钢种，一定要进行焊接工艺评 定，并制定相应的焊接工艺。②监理一定要抓住对焊工合格证的检查。 检查内容应包括：母材及焊材种类、焊接位置、焊工合格证的有效期。 ③严格把住接头装配质量关。接头的装配质量包括：坡口质量，根部 间隙，对口错边量等几个方面。④当焊接表面潮湿、有油污，焊接环 境温度过大或焊接部位受风、雨、雪直接侵袭时，都无法保证焊出高质 量的焊缝，特别是焊低氢焊条时更容易出现问题，施工单位应在工艺方 案及对焊工进行施工交底时明确。⑤焊接过程中为减少焊接应力，防 止产生焊接裂纹，应严格按照标准规定要求对焊接部位进行预热，在整 个焊接过程中应随时加热以保证焊缝道间温度并一次焊完一条焊缝，在 焊接完成后应及时按标准要求进行后热。⑥对设计及国家规范要求探 伤的焊缝，应对每条焊缝按比例要求进行无损探伤。检验位置及长度由 质检人员指定并书面通知NDT人员。检验后NDT人员应出具探伤报告， 探伤报告应标明探伤的具体部位。焊缝完成后质检人员及时按设计和 GB50205等标准要求进行外观检查和无损检验，不合格部分及时通知焊 工返修（返修焊缝工艺也必须是评定合格的）。 ⑶钢结构安装质量控制①安装前，施工单位应对构件的产品合格证、设 计文件与预拼装记录进行检查，并复验记录构件的尺寸。钢结构的变形、 缺陷超出允许偏差时，应进行处理。②钢结构吊装就位后，应对构件 定位轴线、标高等设计要求控制点进行测量做好标记，对吊装对接接头 质量进行焊前检查。安装好临时支撑及钢浪索以使钢屋架在施工过程中 安全稳定。③钢结构安装时，施工单位应提交每榀构件吊装后的标高 尺寸、焊接、涂装等分别向监理提交验收。
小区膜结构遮阳棚的使用寿命一般15-30年，由于其使用寿命长，造型多变受到很多小区景观园林、繁华街道的青睐。下面由膜结构遮阳棚设计建造厂家同利钢膜结构工程为大家介绍下遮阳棚施工过程中应注意的事项。 1、做好施工的警示标志、护栏，注意摆放位置尤其是在一些危险地段。 2、注意对各种电动工具使用漏电保护断路器，尽量做到一台设备一闸。 3、施工场的通道都必须保障畅通，在需要位置放置标识。 4、高空做个时需要，高空作业工具需要安全牢固，比如梯子必须牢固，与地面保持合适的角度。
5、吊装是需要注意钢丝绳等主要以辅助间的磨损、重物下方严禁站人，材料一定要拴好系牢。 6、起重机处于可碰触高压架空电线的危险环境，必须保持一定距离，如果无法避免需要采取合适的措施。 7、连接电源接线工作时，需要做断电出来，在工作环境周边部允许有易燃、易爆物品。 8、做焊接等工作需按要求做好安全防护，尽量应该有良好的通风、排气装置，有良好的照明。 安徽同利钢膜结构工程有限公司是一家专业从事钢膜结构工程的综合性公司。目前公司主营膜结构设计、膜裁剪设计、膜材加工及钢结构安装与维修。公司拥有一批国内早期从事膜结构建筑行业的工程技术人员和多年从事膜结构工程安装、经验丰富的施工队伍。公司
的工程技术人员不断对膜结构的节点形式、膜材加工工艺进行研究与开发，充分保持企业在膜结构行业的技术地位。 质量至上、信誉至上、技术先进、严格管理、优良效率，顾客满意是公司追求的目标，努力实现人类居住环境保的自然性和现代景观艺术的结合，充分满足二十一世纪飞速发展的中国社会经济人们对美的不断追求。安徽同利膜结构工程有限公司始终秉持诚信、合作、创新、拼搏、发展的企业理念，为广大业主单位打造精美的膜结构工程。更多详情请点击官网安徽同利钢膜结构工程有限公司进行进一步咨询了解。
张拉索膜结构体系及其施工技术 膜结构是指积极地利用膜状材料，并在结构及建筑设计上充分体现膜结构特点的结构形式。上世纪50-60年代，随着化学工业的飞建发展，加工复合材料工艺的进步，使作为屋顶使用的膜材的综合性能得以改善和提高，为这一新兴建筑形式的流行打下了良好的物质基础。同时，随着社会发展和生活水平提高，人们希望突破传统建筑结构形式和风格的局限，膜结构以其新颖独特的建筑造型顺应了人们的这一愿望。 现代膜结构工程是集建筑学、结构力学、化工学、材料学及计算机学为一体的高科技工程。由于它独特的性能和强烈的视觉冲击效果，很快被人们所接受，并出现了不可阻挡的发展态势。膜结构建筑适用范围很广，可用于体育建筑、展览建筑、娱乐建筑、演出建筑、机场建筑及各类海滨娱乐休闲建筑及设施。 1膜结构分类 从结构形式上膜结构建筑可简单地概括为充气式、骨架式和张拉式三大类口。 1．1充气式膜结构(AirSupportedMembraneStructure) 充气式膜结构是依靠膜曲面内外气压差来维持膜曲面的形状。这种索膜建筑历史较长，但因在使用功能上明显的局限性(如形象单一、空间要求气闭等)，使其应用面较窄；但充气式索膜体系造价较低，施工速度快，在特定的条件下又有明显优势。1970年日本大阪万国博览会的美国馆，采用的就是这种结构，它标志着膜结构的开始。
1．2骨架式膜结构(FrameworkMembraneStructure) 骨架式索膜建筑常在某些特定的建筑中被采用，是由于其结构形式本身的局限性(骨架体系自平衡，膜体仅为辅助物，使膜体强度高的特点发挥不足等)；而骨架形式与张拉形式的结合运用，常可取得更富于变化的建筑效果。骨架式索膜体系建筑表现含蓄，结构性能有一定的局限性，造价低于张拉式体系。1996年亚特兰大奥运会主体育馆(佐治亚穹顶)为这类结构的典型工程。 1．3张拉式索膜结构(TensionedCable-MembraneStructure) 张拉式索膜建筑可谓索膜建筑的精华和代表。张拉索膜结构中膜曲面通过预应力维持自身形状，膜既是建筑物的圈护体又作为结构来抵抗外部荷载效应。由于其建筑形象的可塑性和结构形式的高度灵活性和适应性，该结构形式的应用极其广泛。张拉式索膜结构又可分为索网式、脊谷式等。这种体系富于表现力，结构性能强，但造价稍高，施工精度要求也高。这类工程最典型的是美国丹佛机场候机大楼。 2张拉索膜结构体系 张拉式索膜结构体系由膜体(膜材)、张拉索(边索、谷索、脊索和拉地索)、支承结构、锚固体系及各部分之间的连接节点等组成。 2.1膜材 膜材是由高强度的织物基材加上聚合物涂层构成的复合材料。膜材根据基材和表面涂层的不同，一般分为三大类：A种膜材(玻璃纤维基材、PTFE涂层)、B种膜材(玻璃纤维基材、硅酮涂层)、C种膜材(聚酯长丝基材、PVC涂层)。其中A种膜材多用于美洲和日本，C种膜材在
骨架式膜结构 以钢构构成的屋顶骨架后，在其上方张拉膜材的构造形式。下部支撑结构安定性高，因屋顶造型比较单纯，开口部不易受限制，且经济效益高等特点，广泛适用于任何大，小规模的空间。 张拉式膜结构 以膜材、钢索及支柱构成，利用钢索与支柱在膜材中导入张力以达安定的形式。除了可实践具创意，创新且美观的造型外，也是最能展现膜结构精神的构造形式。 张拉式膜结构 以膜材、钢索及支柱构成，利用钢索与支柱在膜材中导入张力以达安定的形式。除了可实践具创意，创新且美观的造型外，也是最能展现膜结构精神的构造形式。 充气式膜结构 充气式膜结构是将膜材固定于屋顶结构周边，利用送风系统让室内气压上升到一定压力后，使屋顶内外产生压力差，以抵抗外力，因利用气压来支撑，及钢索作为辅助材，无需任何梁，柱支撑，可得更大的空间，施工快捷，经济效益高。 膜材料用于膜结构建筑中的膜材是一种具有强度，柔韧 性好的薄膜材料，是由纤维编织成织物基材，在其基材两面以树脂为涂层材所加工固定而成材料，中心的织物基材分为聚酯纤维及玻璃纤维，而作为涂层材使用的树脂有聚氯乙烯树脂（PVC），聚四氟乙烯树脂（PTFE）。 织物基材——抗拉强度，抗撕裂强度，耐热性，耐久性，防火性。 涂层材——耐候性，防污性，加工性，耐水性，耐品，透光性。 二、建筑物的构造组成 基础 墙或柱 楼地层 六大基本组成 楼梯 屋顶 门窗 特有构配件：阳台、坡道、雨篷、女儿墙、台阶、花池等 基础 是墙和柱子下面的放大部分，它直接与土层相接触， 承受建筑物的全部荷载，并将这些荷载连同本身的重量 一起传给地基。 基础是建筑物的主要承重构件，处在建筑物地面以 下，属于隐蔽工程。基础质量的好坏，关系着建筑物的 安全问题。建筑设计中合理地选择基础极为重要。
第一章总则 一、为了在膜结构的设计与施工中，做到安全可靠、技术先进、经济合理，根据我公司多 年来设计、施工经验及技术经济的发展要求，特制定本规程。 二、本规程适用于一般永久性、临时性民用建筑屋盖及构筑物，除开合式和充气膜结构之 外的膜结构设计、施工与验收。 三、对超过本规程规定的建筑膜结构参照使用本规程时，除应进行充分的可行性规范、规 程或标准的规定。对超过本规程规定的膜材、配件等应参照相关的规定进行试验。四、设计膜结构时，必须根据设计条件进行计算分析，严禁盲目套用其他膜结构的设计或 计算结果。 五、膜结构的设计、施工和验收，除应执行本规程外，尚应符合国家现行有关标准的规定。 第二章术语和符号 第一节术语 一、膜材membrane material 由高强度的织物基材和聚合物涂层构成的复合材料。涂层对基材起保护作用，并形成膜材料的密封性能。 二、膜片membrane sheet 膜材的裁剪片。 三、膜体membrane field 由膜片连接加工而成的膜区域。 四、膜面membrane surface 张拉并安装就位于支承结构上的膜体。 五、膜结构membrane structure 由膜面和支承结构共同组成的属于建筑物或构筑物的一部分或整个结构称为膜结构。 六、充气膜结构air-supported membrane structure 利用充气方式使膜面内外产生压力差，从而保持稳定的膜面形态的膜结构。 七、开合式膜结构retractable membrane structure 利用机械方式使膜在开启和闭合的膜结构。
由膜面与索通过施加预张力形成具有一定刚度的稳定曲面，从而能够承受一定外荷载的空间结构形式。 九、索cable 是钢丝索以及平行线绞合钢丝束的总称，有时也指数根据绳索或平行线绞合钢丝束构成的集束体。 十、形状设计form finding 根据建筑要求，寻找膜结构在预张力状态下的初始平衡形状的过程。 十一、荷载分析loading case analysis 基于形状分析确定的安装初始平衡形状，对膜结构在可能的荷载作用下的受力性能进行计算分析的过程。 十二、裁剪设计cutting pattem 确定膜面上的裁剪线以及生成膜面上各个裁剪膜片的过程。 十三、脊索ridge cable 在膜脊索处支承膜面的索称脊索。所谓膜脊是指不同区域膜面在较高位置上的交汇处。十四、谷索valley cable 在膜谷处支承膜面的索称谷索。所谓膜谷是指不同区域膜面在较低位置上的交汇处。十五、柔性支承结构体系cable-tensioned membrane structure 膜面支承于索结构，膜面与支承索结构共同作用的结构体系。 十六、刚性支承结构体系frame-supported membrane structure 膜面支承于钢、铝、混凝土等材料构成的框架上结构的结构体系。 十七、混合支承结构体系hybrid membrane structure 膜面支承于框架与索共同组成的结构上的结构体系。 十八、连接connection 膜片间和膜面与支承结构间的相互连接。 第二节符号 S---荷载组合设计值； G k---永久荷载标准值； Q ik---可设荷载标准值Q ik其中Q lk为诸可变荷载中起控制作用者； γG---永久荷载的分项系数；
索结构、膜结构、框架结构的比较 摘要：随着科学技术与施工技术的发展，在建筑结构方面出现了越来越多的新型结构代替了传统的框架结构。在新型结构中比较突出的有索结构，膜结构，它们造型自由、轻巧、柔美，充满力量感，阻燃、制作简易、安装快捷、节能、易于、使用安全等优点，因而使它在世界各地受到广泛应用。 关键词：索结构、膜结构、框架结构、材料用量、受力、区别、工程实例 正文： 框架结构： 框架结构住宅是指以钢筋混凝土浇捣成承重梁柱，再用预制的加气混凝土、膨胀珍珠岩、浮石、蛭石、陶烂等轻质板材隔墙分户装配成而的住宅。适合大规模工业化施工，效率较高，工程质量较好。框架结构由梁柱构成，构件截面较小，因此框架结构的承载力和刚度都较低，它的受力特点类似于竖向悬臂剪切梁，楼层越高，水平位移越慢，高层框架在纵横两个方向都承受很大的水平力，这时，现浇楼面也作为梁共同工作的，装配整体式楼面的作用则不考虑，框架结构的墙体是填充墙，起围护和分隔作用，框架结构的特点是能为建筑提供灵活的使用空间，但抗震性能差。 水平方向仍然是楼板，然后楼板应该搭在这个梁上，梁支撑在两边的柱子上，这就把重量递给了柱子，沿着高度方向传到基础的部分，即梁、板、柱构成的承重体系。框架结构的特点非常突出：所有的墙都不承重跟厂房的承重没有关系，那个承重，是板搭在梁上，梁传给了柱子，墙都是后坐上去的用于其他的轻质材料，墙都不会承重，应用的时候都很灵活，如想要大房间不要墙，就要大房间，不想要大房间，想要小的，就可以在其中用其它的轻质材料来进行房间的划分，房间划分成若干个小房间，因此它的墙不承重，及起着一个划分空间的作用，仅起着一个保温，隔热，隔声的部分。注意：框架结构：指梁、板、柱的承重体系。框架建筑的主要优点是空间分隔灵活，自重轻，有利于抗震，节省材料；同时具有可以较灵活地配合建筑平面布置的优点，利于安排需要较大空间的建筑结构；同时框架结构的梁、柱构件易于标准化、定型化，便于采用装配整体式结构，以缩短施工工期。框架结构体系的缺点为：①框架节点应力集中显著；
充气膜结构的受力分析 膜结构车棚采用的充气膜结构技术，其受力分析为解决气枕式充气膜结构在荷载作用下的变形问题，采用非线性有限元方法对气枕式充气膜结构进行形态分析的基本方法。 气忱式充气膜结构的形态分析分为找形分析和找态分析两个阶段，由此可得到满足相应要求的几何模型与应力状态． 假设密封气枕内质量一定的气体满足理想气体状态方程，在荷载作用下，内压随着体积的变化而变化。给出在一定压力作用下半球状气枕的验证算例并与材料力学中给出的理论解进行比较；基于该方法，另对气枕式充气膜结构在不同外荷载作用下的受力状态进行分析并给出相应的算例，计算结果表明采用理想气体状态方程可以模拟在外部荷载作用下气枕的变形、应力状态以及内压变化情况，且是合理有效并具有较高的准确性。 张拉膜结构的找形采用动力松弛法，对膜结构找形分析时，为了防止节点的聚集以获得更精确的膜曲面，提出了一种新的控制网格变形的找形技术。 膜单元采用平面三角形单元描述，在单元每两节点间引入了与单元边长变化速率成正比的阻尼项，通过阻尼项产生的节点力来控制网格在找形过程中的变形，对悬链面找形时发现，当黏性系数不大于0.7时，动力松弛法收敛，网格节点分布较无阻尼时均匀。 对Scherk-1ike曲面找形时发现，能够控制网格变形且满足收敛性的黏性系数的上限为1.5。此方法能够有效地解决膜结构找形分析中网格的大变形问题，保证了单元密度，尤其是克服了曲率较小处网格过于稀疏的缺陷。 文章来源：https://www.doczj.com/doc/3615954051.html,/news_show_1629.html https://www.doczj.com/doc/3615954051.html,/employ.asp