淺論21世紀的大跨度索MO膜結構

柳曉博，陳  昆，孫景芳

(聊城市規劃建筑設計院，山東聊城252000)

    索膜結構雛形可追溯到古代游牧民族使用的帳篷結構。自1967年加拿大博覽會德國館創造性地大規模采用索膜結構以來，索膜結構以其豐富的建筑造型和優異的結構受力特性得到了廣大建筑師、結構師的青睞，廣泛應用于商業、體育、工業等大跨度建筑結構及戶外設施、文化娛樂建筑等各種建筑小品中。其中具有代表性的有沙特的利雅得體育場、美國的丹佛新國際機場、英國的千年穹頂以及韓日世界杯比賽的體育場館等。

    在索膜結構蓬勃發展的同時，一系列的設計、施工問題也隨之產生。目前索膜結構的研究主要集中在找形分析、裁剪分析、荷載分析、及施工工藝等方面。與國外相比，國內索膜結構的研究和應用還比較落后。從上世紀80年代開始，國內個別高校和研究機構已致力于索膜結構的研究開發工作，并取得了很多成果。但是許多關鍵技術仍然只被一些發達國家所掌握。

1.索膜結構的特點

    索膜結構是一種新型的空間結構形式，它通過施加預應力，使結構具有一定的剛度以承受各種荷載作用。概括而言，索膜結構有以下的優缺點。

    (1)更自由的建筑形體塑造。多變的支承結構和柔性膜材使建筑物造型更加多樣化，新穎美觀，富有時代氣息。

    (2)更好的經濟效益。膜結構屋面重量僅為常規鋼屋面的1／30，降低了墻體和基礎的造價。同時膜建筑奇特的造型和夜景效果有明顯的“建筑可識性”和商業效應，其價格效益比更高。

    (3)更短的施工周期。膜工程中所有加工和制作均可依照設計在工廠內完成，現場只進行安裝作業。相比傳統建筑的施工周期，它幾乎可以縮短一半。

    (4)更低的能源損耗。膜具有良好的透光性，透光率為7％～20％，可以充分利用自然光，減少能源消耗。并且具有良好的阻燃性和自潔性。

    (5)更大跨度的建筑空間。由于膜結構自重輕，膜建筑可以不需要內部支承，這使人們可以更靈活、更有創意地設計和使用建筑空間。

    膜結構的主要缺點是耐久性差。現在的設計壽命只能達20年左右，處于臨時性建筑與永久性建筑的轉變時期；其次由于薄膜張力的連續性，局部的破壞就會造成整個結構破壞。2索膜結構的研究現狀及存在問題

    2.1找形分析

    確定一個滿足邊界條件和預應力大小及分布的初始平衡形態的過程就是索膜結構的找形分析。在索膜結構的發展初期，找形分析主要是通過物理模型試驗來完成，隨著計算機技術的迅速發展，各種數值分析方法也都應運而生。目前，國內外在索膜結構找形分析中常用的方法主要有動力松弛法、力密度法、非線性有限元法、最小二乘法和控制點逼近法等。由于柔性結構的分析中存在內力判定和形狀判定，所涉及到的內容以及成形準則仍未明確和完全解決，還存在著很多難點，比如關于復雜曲面和組合曲面的找形理論還比較少。因此找形分析研究的重點主要包括計算模型的改進、初始形態優化設計等方面。

    2.2荷載分析

    索膜結構初始平衡形狀確定后，就應對其進行荷載分析。其目的是為了檢查索膜結構在各種荷載組合作用下結構的剛度是否足夠、膜面的應力與變形是否在容許范圍內，以保證在敏感荷載作用下滿足強度要求和正常使用要求。目前索膜結構的荷載分析主要使用非線性有限元法。早期的非線性有限元法一般采用直線索單元和三角形膜單元，并考慮幾何非線性和索松弛、膜褶皺問題。近年來，許多學者在索膜結構的單元模型方面進行了研究，比如采用非線性曲面膜單元和曲線索單元；也有學者提出三維有限元分析方法。

    由于索膜結構質輕面薄，結構剛度很小，對風荷載比較敏感，所以耦合風振響應分析是索膜結構研究領域的難點。因此關于風和索膜結構的耦合響應以及可能產生的動力失穩問題需要進行深入的理論分析和風洞實驗研究。

    2.3優化分析

    目前索膜結構的找形是根據設計經驗假設一組該索膜結構初應力的分布，通常是為了獲得極小曲面而假定一組等初應力的分布，然后用適當的計算方法得到在該初應力分布條件下索膜結構的初始形狀。索與膜的初始應力如何確定，如何使膜結構處于設計所追求的最優狀態的研究，并未深入地展開。國內方面，錢基宏基于最小變形能理論，提出“最優形態”的概念，建立了膜結構“形態優化”的最小變形能理論模型及求解方法；衛東等人結合遺傳算法的基本概念提出適用于張拉膜結構的優化算法，并編制了相應的計算程序。作為有限元分析軟件，ANSYS具有專門的結構優化程序，但目前利用ANSYS有限元軟件進行索膜結構優化分析的研究很少，而對膜結構整體協同工作下的優化分析研究在國內外幾乎是個空白。

    2.4整體協同分析

    張拉膜結構為柔性結構，在通常的設計中，為了計算的簡便往往會將膜結構的計算與支承結構的計算分開，即先假設膜的邊界固定，對膜結構進行計算并得到支座反力；然后將支座反力反作用于支承結構來計算支承結構的受力與變形。也就是說，在一般的設計中是沒有考慮支承結構與膜結構的相互作用問題的。然而，膜結構與支承結構之間肯定是協同工作的，那么這種簡化計算結果與實際情況就會產生偏差。目前對于兩者的共同分析及膜結構的優化分析已逐漸得到設計人員的重視。《膜結構技術規程》(CECS l58：2004)也指出在膜結構計算時，對于非剛性體系支承結構的膜結構應進行整體分析。國內外關于這方面的分析很少，考慮索桿與膜整體作用對受力性能的研究也才剛剛開始，已有的協同分析研究也只是限于結構的荷載受力和靜力特性分析。而在整體模型與分離模型下對膜結構，特別是下部支撐結構有何影響，目前國內很少有學者在這方面進行研究。

3.索膜結構的工程應用

    索穹頂結構在近20年來才在工程中實現，但一經問世便成功地應用于一些大跨、超大跨度的結構中。在Fuller的張拉整體概念基礎上，David Geiger創造性地提出索穹頂結構的概念，即以連續的拉索與分散的壓桿構成整體結構。美國建筑師M.Levy對David Geiger的索穹頂結構技術做了進一步改進，他用菱形聯方空間網格代替了David．Geiger型索穹頂的單根輻射狀徑向脊索，使索穹頂結構的穩定性更好，剛度也大大提高，抵抗不對稱外荷載或局部荷載的能力也有較大增強。1990年M.Levy設計完成的佛羅里達州太陽海岸穹頂直徑達210 m，是世界上首座索穹頂室內足球場。目前世界上最大的索穹頂室內體育館是t966年亞特蘭大奧運會的Georgia穹頂。20世紀末建造的千年穹頂則集中體現了20世紀建筑技術的精華E73。

    我國對膜結構的研究和應用與國外相比起步較晚，l997年竣工的上海八萬人體育場開啟了我國大型膜結構之先河。近10年間我國索膜結構得到了飛速的發展，國內膜結構設計施工企業的相繼成立，推動了索膜結構的發展。國內的一些建筑單位和高校也開始對膜結構進行全方位的研究。近兩年我國還興建了一些完全中國技術的膜結構：在北京順義和鞍山相繼建造了兩個氣承式空氣膜的游泳館；在蘇州樂園建成了以懸掛膜和骨架支承膜相結合的音樂廣場；秦皇島歡樂海洋樂園膜結構工程是國內第一家開合式膜結構，設計施工要求都非常精確。另外，一系列的功能性標志性小品膜建筑，如深圳金海灣小品、昆明世博園工程都成為點綴景觀的佳作。

    但是與國外相比，無論在建筑設計理論或是膜結構全過程設計施工技術方面，國內的技術力量仍與世界先進水平存在著差距。主要表現在缺少有效的自主開發的膜結構設計軟件，技術力量薄弱，專業性人員少；國內市場上目前還沒有合乎建筑織物標準的膜材，膜材生產和加工還需要依靠國外，國內廠家生產的膜材的質量，耐久性及自潔性還不能達到國際標準；施工安裝工藝經驗不足，企業經營運作方面缺乏經驗等。

4.索膜結構研究的發展方向

    張拉膜結構是通過給膜材直接施加預拉力使之具有剛度，并承擔外荷載的結構形式。完整的張拉式膜結構一般由張拉薄膜、加勁索及支承結構三部分組成。目前對索膜結構形態分析仍停留在對初始形狀成因的表面認識上，而未能深入研究如何確定最終狀態下索膜結構的初始應力等參數。    我國的《膜結構技術規程》(以下簡稱《規程》)指出在膜結構計算時，對于非體系支承結構的膜結構應進行整體分析。但至于如何進行整體分析，采用整體對結構(包括膜結、構與支承結構)會產生怎樣的影響，《規程》暫無詳細的說明。所以，對這種膜結構與支承結構的相互作用問題及整體協同工作下的形態優化深入研究，掌握結構的真實受力與變形情況，對于進行更為合理的設計具有重要意義。

    《規程》規定：“膜結構計算模型的邊界支承條件應與支承點的實際構造相符合，對于可能產生較大位移的支承點，在計算中應考慮支座位移的影響，或與支承結構一起進行整體分析”。但如何進行整體分析，是否采用整體分析，對結構(包括膜結構與支承結構)會產生怎樣的影響，《規程》暫無詳細的說明。所以，對這種膜結構與支承結構的相互作用問題進行深入分析，掌握結構的真實受力與變形情況，對于進行更為合理的設計具有重要意義。

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(本文來源：陜西省土木建筑學會  文徑網絡：尚雯瀟 尹維維 編輯  文徑 審核)