充气膜结构的成形过程分析

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。

摘要：大跨度空间结构是我国目前发展最快和工业领域应用最广泛的结构类型。

随着社会经济的发展，大跨度膜结构的作用会更加广泛，但膜结构在施工过程中以及建成后的使用和维护，任何的错误或者不严谨都可能会影响到膜结构的正常运行。

因此，我们还需进一步加强对其的研究和施工技术的不足，从而推动大跨度膜结构在我国的健康发展。

关键词:大跨度；膜结构；应用；技术一、充气膜结构的定义与发展充气膜结构是一种新型建筑结构，是轻型空间结构的一个重要分支，有单层、双层、气肋式三种，具有丰富多彩的造型，建筑特性、结构特性和适宜的经济性。

因此，充气膜结构的诞生，就迅速在世界各地发展起来。

充气膜结构是一个相对密闭的空间结构，与传统空间结构不一样的是，它是通过风机向结构整体内部送风，使膜内外形成一定的压力差，以保证膜结构整体的刚度，达到所设计的形状。

之后，由压力控制系统使结构维持一定的内外压差，保证结构的稳定性。

充气膜结构建筑主要应用于体育场馆、大型娱乐休闲设施、展览会馆、物流仓储及环保工业等大跨度建筑结构，其技术广泛应用在比较发达的国家，主要集中在美国、加拿大、日本及欧洲的部分国家。

我国对气膜结构的研究始于上世纪90年代初，当时与世界水平相比，无论是设计理念还是施工技术都存在一定的差距。

充气膜结构不同于其他膜结构，其形状虽然没有张拉膜丰富多样，但要求空间密闭，通过室内外压差保持结构的稳定性和安全性，并符合国内外规范要求和承受风雪荷载。

它是集结构力学、机电系统、计算机控制系统于一体的较高技术水平的系统化结构形式。

充气膜结构突出的优势是智能化管理系统，管理人员可以通过手机APP来实时检测气膜的状况，同时系统也会实时对气膜的状况发送至手机，这样的管理系统让气膜更智能化。

有效的提升建筑的安全稳定性以及使用寿命。

充气膜结构作为一种新型的空间建筑，具有传统建筑无法比拟的优势。

特别对于需要大面积大空间的作业厂区，它比任何建筑更具有优势，因此它可广泛应用在需要大跨度作业空间。

大型充气膜结构及膜材的发展进程膜结构是一种全新的建筑结构形式。

介绍了大型充气膜结构的相关理论及应用概况，并对我国建筑膜材的发展及运用进行了详细的总结，可供参考。

1膜结构的概述及其特点作为现代空间结构体系的一个重要分支，膜结构是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，借鉴现代造型艺术与技术美学的成就，其曲面可以随着建筑师的设计需要任意变化，外观造型新颖独特，内部空间给人一种梦幻般的感觉，很大程度上满足了现代人的审美观念，成为现代建筑的新风格。

同时具有充分利用阳光、空气以及与自然融合的特性，符合当前提倡的“环保、可持续发展”重大战略，也为高科技生态建筑的发展提供了广阔的空间，更受到世界各地绿色建筑运动倡导者们的青睐，．将成为21世纪“绿色建筑体系”的宠儿，具有如下的特点：(1)艺术性：充分发挥建筑师的想象力，又体现结构构件优异的受力特性。

(2)经济性：由于膜材特有透光性，白天可减少照明强度和时间，能很好地节约能源。

同时夜间彩灯透射形成的绚烂景观也能达到很好的建筑艺术效果。

(3)大跨度：膜结构可以从根本上克服传统结构在大跨度(无支撑)建筑上实现所遇到的困难，可创造巨大的无遮挡可视空间，有效增加空间使用面积。

(4)自洁性：膜材自身具有防护涂层，可使建筑具有良好的自洁效果，同时保证建筑的使用寿命。

(5)工期短：膜建筑工程中所有加工和制作均在工厂内完成，可减少现场施工时间，避免出现施工交叉，相对传统建筑工程工期较短。

(6)由于膜结构的独特魅力，其应用领域越来越广泛，目前主要应用于体育设施、交通设施、文化设施、娱乐设施、商业设施、景观小品及标志性建筑等。

2充气膜结构发展历程随着高强度建筑材料，数学力学，结构分析，制作安装技术，计算机技术的发展，膜结构体系不断演化，一般可分为充气膜、张拉膜、骨架式膜及索穹顶膜结构等结构体系[1，4]。

其中充气膜结构是膜结构发展过程中最初阶段的主要形式。

充气膜结构
充气膜结构是一种新型的试验技术，它由一层空气密封薄膜组成，它可以在短时间内快速安装，它可以在室外空气温度下运行，而不需
要耗费大量的能源。

充气膜结构的优点在于它比传统的建筑物更轻，更容易安装和拆卸，可以很容易地在不同的场合进行重新安装。

它实际上是一种装模，可以说是一种安全的外观，而且还可以很好地抵抗阳光，湿度和其他
恶劣的气候。

另外，充气膜结构还有一个特点，就是可以省去传统建筑物建造
时用到的额外材料，可以显著降低最终建筑物的造价，从而帮助节约
大量的费用。

最后，充气膜结构还可以帮助保护自然资源，从而提高建筑物的
能效和寿命。

它有助于减少碳排放，能够有效减少建筑物的维护成本，以及保护环境。

总之，充气膜结构是一种绿色环保、高效、节省成本的建筑解决
方案。

它可以帮助企业实现社会责任、实现可持续发展，使建筑物更
加安全、稳定、节能耐用。

气承式膜结构施工流程气承式膜结构施工可有意思啦，就像搭一个超级大的、特别的帐篷一样。

一、施工前的准备。

施工前得有好多事儿要忙乎呢。

咱得先看看施工场地的情况，场地得足够宽敞和平整，就像给即将出生的小宝宝准备一个舒适的小床一样重要。

要是场地坑坑洼洼的，那膜结构可就没法好好安安稳稳地待着啦。

而且场地周围不能有太多障碍物，不然就像给这个“大帐篷”设置了好多绊脚石，多不好呀。

施工人员也要准备好哦。

这可不是随便拉几个人就能干的活儿。

得找那些有经验、懂技术的师傅们。

他们就像一群超级英雄，要把这个气承式膜结构从无到有地建造出来。

而且施工人员之间还得配合默契，就像篮球队员之间传球一样，一个传不好，可能就会影响整个比赛结果呢。

二、基础施工。

基础就像是气承式膜结构的脚，脚站不稳，那整个结构可就摇摇欲坠啦。

基础施工的时候，得按照设计的要求来。

要是基础打得浅了或者歪了，那这个“大帐篷”可能就会倾斜或者倒下来。

打基础的时候，混凝土得搅拌得均匀，就像做蛋糕的时候要把面糊搅拌均匀一样。

而且要振捣密实，这样基础才会坚固耐用。

在基础里还得预先留好那些安装固定用的孔洞，就像给未来的客人提前准备好座位一样，要是没有这些孔洞，到时候膜结构想安装都没地方安呢。

三、膜结构的安装。

这可是个大工程呢。

膜结构一般都是一大块一大块的，要把它们小心翼翼地铺在已经准备好的基础和框架上。

就像给大地铺上一层巨大的、漂亮的地毯一样。

在铺设的时候，可不能太粗暴啦，得轻拿轻放，不然把膜给划破了或者弄皱了，那可就不美观了，就像新衣服被弄破了一个大口子一样让人难受。

每一块膜之间的连接也很重要。

要拼接得严丝合缝，就像拼图一样，一块都不能拼错。

这个时候那些配件就派上用场啦，用螺栓和夹具把它们紧紧地固定在一起，让整个膜结构成为一个整体。

这时候师傅们可得特别细心，就像绣花姑娘绣花一样，一针一线都不能马虎。

四、充气测试。

膜结构安装好之后，就到了激动人心的充气测试环节啦。

就像给一个大气球打气一样，不过这个“气球”可大多了。

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：/news_show_1629.html
/employ.asp。

充气膜结构的设计方法与成形过程分析的开题报告一、研究背景与意义充气膜是一种轻质、高强度、柔性的建筑结构，具有优异的空间形态和观感效果，被广泛应用于展馆、活动场所、体育场馆等领域。

充气膜结构的设计方法和成形过程分析是充气膜结构研究的重要方向，有助于提高充气膜结构的设计效率和制造精度，推动充气膜结构的进一步发展。

二、研究的目标和内容本研究的目标是通过对充气膜结构设计方法和成形过程的研究，提出一种适合中国实际情况的充气膜结构设计和制造流程，深入探讨充气膜结构的材料、构造、设计和模拟等方面的问题，为充气膜结构的实际应用提供支持。

三、研究方法和步骤本研究将采用文献综述、理论分析和实验研究相结合的方法，具体步骤如下：1. 对国内外相关文献和先前研究成果进行全面的分析和综述，掌握充气膜结构的设计和成形过程中存在的问题和瓶颈。

2. 着重探究充气膜结构的结构特点、力学性能，测量材料的力学性能，建立充气膜静态与动态分析方法，深入研究充气膜的材料、结构、设计和模拟等方面的问题。

3. 通过实验研究验证分析结果的准确性和有效性，进一步完善研究成果。

四、预期研究结果本研究预期掌握充气膜结构的设计方法和成形过程，提出适合中国实际情况的充气膜结构设计和制造流程，深入探究充气膜结构的材料、构造、设计和模拟等方面的问题，提高充气膜结构的设计效率和制造精度，推动充气膜结构的应用和发展。

五、研究的创新性本研究提出了适合中国实际情况的充气膜结构设计和制造流程，研究成果可以为充气膜结构的实际应用提供支持，有助于推动充气膜结构的进一步发展；同时，本研究也深入探究了充气膜结构的材料、构造、设计和模拟等方面的问题，为充气膜结构的研究提供了新的思路和方法。

六、结论与展望本研究将深入研究充气膜结构的设计方法和成形过程，提出适合中国实际情况的充气膜结构设计和制造流程，推动充气膜结构的应用和发展。

同时，本研究的研究成果还可以为其他领域的轻质结构设计和制造提供借鉴和参考，具有一定的学术和社会价值。

充气膜结构设计中的若干问题一、一般因素1、气承式充气膜结构内部压力要略高于外部大气压，以压差为25mm水柱为例，它与25kg/㎡的外力相当。

空气的比重约为1/800，所以25mm的水柱（0.025*800=20m）的空气柱压力想当，即只相当于7层楼高度与地面的气压差。

有也就是说此压力差对人体不会造成损害，也不会引起不适的感觉。

与一般的壳体结构相类似，在压力一定的情况下曲率半径大的地方应力大，半径小的地方（膨胀的形状）应力小。

2、空气膜结构是指利用送风形成的内压使膜而产生张力，同时使结构保持空间上的稳定性及结构整体性，并且采用膜材料建造的建筑物。

3、空气膜结构的基本构成包括膜结构体系，送风系统，控制空气流通的出入口和紧急出口及适当的锚固系统。

另外在有必要的情况下，需要设置膜面补强系统，窗，换气装置，保温隔热材料，冷暖空调和照明系统。

4、空气膜结构的用途，规模，使用时间，建设场所等，在结构上都属于必须保证安全的范畴，另外必须制定安全措施确保膜结构内部所容纳的人员的安全，迅速并且非常便利地撤离危险场所。

5、为了使膜结构能够安全有效的使用，并且在使用期间确保安全，设计者必须编写管理办法的指导资料。

结构物的管理者根据此指导资料进行。

二、结构方案1、建设场地的地基条件，环境条件、荷载条件等以及公众安全方面的调查都必须进行，并作出与此相适应的方案。

2、结构形态应该是由内压形成的稳定的曲面，在荷载和外力的作用下，变形及应力集中很小，另外应该在设计的内压下因风而发生的有害震动不易产生。

3、结构的形态还满足在设计内压下，不易产生积雪，融化的雪水、雨水的淤积问题。

4、膜材料以及膜的连接部位，必须具有足够的强度和刚度，在长时间的使用下显示稳定的性能。

在必要的情况下对膜材料进行防火处理。

5、索材料，连接使用金属部件，锚固基础等必须有足够的强度刚度及耐久性。

6、内压必须根据荷载情况采用并保持必要的内压值。

在通常情况的内压，在比较频繁发生的荷载作用下，必须能够维持建筑物的完美形状与功能。

充气膜结构
充气膜结构是一种新型建筑结构，是轻型空间结构的一个重要分支，具有丰富多彩的造型，建筑特性、结构特性优越，主要分为张拉膜结构、骨架膜结构、充气膜结构、索桁架膜结构等。

充气膜结构介绍
膜结构是轻型空间结构的一个重要分支，除丰富多彩的造型外，还有优异的建筑特性、结构特性、和适宜的经济型，因此膜结构的诞生，就迅速在世界各地发展起来。

而膜结构建筑主要分为张拉膜结构、骨架膜结构、充气膜结构、索桁架膜结构、张拉整体与索穹顶膜结构。

充气膜结构是一个相对密闭的空间结构，与传统空间结构建筑不一样的是，它通过风机向结构内部鼓风送气，使膜结构内外保持一定的压力差，以保证膜结构体系的刚度，维持所设计的形状。

同时压力控制系统可使结构维持一定的内外压，保证结构稳定性。

充气膜结构做一种新型的空间建筑，具有传统建筑无法比拟的优势。

特别对于需要大面积大空间的作业厂区，它比任何建筑更具有优势，因此它可广泛应用在需要大跨度作业空间。

因此它可应用于大面积作业车间、仓库、体育场馆、展览馆等。

充气膜结构的应用
体育场馆应用：由于膜结构内部具有富氧，不受外界天气干扰的重要因素，因此膜结构广泛地应用在体育场馆领域，如滑冰场，游泳馆，羽毛球场等。

由于膜结构具有丰富多彩的造型、优异的建筑特性、结构特性、和适宜的经济型等其他传统建筑无法比拟的优势，膜结构必定越来越广泛地应用于工业与人们的日常生活中，具有广阔的前景。

之后，充气膜结构建筑相继出现在大中型体育场馆以及展览场馆中，得到世人的瞩目以及束自社会更多的关注．其中典型的有：１９７３年美国加利福尼弧州圣兜拉勒人学活动中心（图１．３）、１９７５年美国密歇投州庞蒂亚克“银色穹项”、】９８８年建造的东京后乐园棒球馆（图１．４）等等。

圈１．１富十馆
Ｈ１．２Ｊ、岛巨浪馆
图１．３圣克拉勒大学活动中心
图１．４东京后乐园棒球馆
然而，充气膜结构作为大跨度体育场馆屋顶，由于在恶劣天气时维护不当，曾出现过多次事故。

轻者屋面下瘪，重者膜材被撕裂，砸坏了下面的设旌，这些事故虽然只造成了一些财产损失，并没有人员伤亡，但在公共建筑中屋面问题，还是引起了公众的关注。

同时，充气膜结构在使用过程中需要不断能源供应，致使运行维护费用高；空压机与新风机的自动控制系统和融雪热气系统隐禽事故率高：室内过大的超压环境下人体的排汗、耗氧与舒适性等问题没能很好解决，这些甚至导致了人们对充气膜结构提出了疑问。

因此，在上个世纪８０。

建筑工程实例分析——水立方摘要：国家游泳中心作为2008年北京奥运会的重要场馆，以其独特的建筑外形吸引着全球的目光。

“水立方”采用新型多面体空间结构，并在单纯被切割的空间结构上加以优化，形成了特殊的空间结构。

建筑的外表面全部由ETFE充气膜覆盖，建筑充分利用ETFE充气膜的优势，细化膜结构的构造，形成完整、封闭，具有良好物理性质的使用空间。

本文从“水立方”这一建筑实例出发，着重分析建筑的多面体空间结构，和特殊的膜结构，以及在膜结构基础上进行的排水、保温、隔热、隔声构造处理。

关键词：水立方多面体空间结构 ETFE膜结构1 工程概况国家游泳中心位于奥林匹克大道的西侧，占地61295㎡，在国家主体育场以西约200m。

由中建总公司牵头、联合中建国际(深圳) 设计顾问有限公司、澳大利亚PTW 建筑师事务所和悉尼ARUP 工程顾问有限公司组成的设计联合体提交的“水立方”方案在严格的国际竞赛中胜出成为国家游泳中心的实施方案。

“水立方”由中方建筑师提出的方型建筑造型体现了与国家体育场(“鸟巢”) 的和谐共生, 由ARUP 工程师创造的摹仿水泡组合形式的全新结构形式，具有高度重复性又呈现出一种随机无序的总体感觉，屋面和墙体内外统一采用ETFE 充气枕覆盖，整体建筑形态简洁纯朴而又富于变化。

“水立方”的平面尺寸为176.538m×176.538m，高度约31m，地下2层，地上主体单层、局部5层。

建筑外包钢结构屋盖和墙体采用新型多面体空间刚架结构,屋盖厚71211m，墙体厚31472m 和51876m。

墙体底部支承于11009m(外墙落地墙) 和61350m(内墙及门洞) 标高的钢板2混凝土组合梁平台上。

“水立方”的覆盖结构采用ETFE(乙烯-四氟乙烯共聚物) 充气枕结构，屋盖和墙体的内外表面均覆以ETFE 充气枕，最大的单个气枕面积约71㎡、跨度9m 左右,ETFE 膜材的用量约30 万平方米。

上：赛后座位工程区位下：赛时座位2 多面体空间钢架结构的构造分析国家游泳中心工程地上钢结构墙体和屋盖为新型多面体的空间钢架结构体系，多面体的空间钢架结构几何构成的理论基础是“气泡理论”，即用两种不同的单元体，一种是14面体，另外一个为12面体，将三维空间细分为若干小部分，每个部分的体积相等但保证接触表面积均最小”这种多面体组合被称为wp多面体。