膜結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)由于其自身的特點(diǎn)不同于一般傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式,技術(shù)上必須經(jīng)過(guò)如下4個(gè)步驟:
一、建筑方案設(shè)計(jì)(architecture design)
一般同建筑師根據(jù)業(yè)主的意圖、功能要求、環(huán)境條件等初步確定建筑的平面形狀尺寸、空間形式及三維造型、凈空、體量等,并基本確定各控制點(diǎn)的坐標(biāo)。綜合考慮經(jīng)濟(jì)和施工工藝等技術(shù)條件,與膜結(jié)構(gòu)工程師、業(yè)主及施工技術(shù)人員等一起確定經(jīng)濟(jì)合理的初步設(shè)計(jì)方案。
二、找形分析(form-finding)
對(duì)于膜結(jié)構(gòu)而言,在沒(méi)有施加預(yù)應(yīng)力之前,是沒(méi)有結(jié)構(gòu)剛度的,也就是說(shuō)膜結(jié)構(gòu)任何時(shí)候不存在無(wú)應(yīng)力狀態(tài)。由于膜材料本身沒(méi)有抗彎剛度,其曲面形狀與預(yù)應(yīng)力的大小和分布是一一對(duì)應(yīng)的,因此在控制點(diǎn)坐標(biāo)確定后,給定一合理的預(yù)應(yīng)力值及其分布,才能確定合適的膜曲面形狀。預(yù)應(yīng)力值的大小與分布是需根據(jù)多方面的條件進(jìn)行反復(fù)調(diào)整后綜合確定的,這個(gè)過(guò)程叫找形分析。此過(guò)程與方案設(shè)計(jì)過(guò)程往往密不可分,需反復(fù)調(diào)整方可既滿足建筑形狀的要求又保證結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)合理及安全可靠。
三、荷載分析(load-analysis)
膜結(jié)構(gòu)的控制荷載通常是風(fēng)載和雪載。在荷載作用下膜結(jié)構(gòu)的變形較大,因此精確計(jì)算結(jié)構(gòu)的變形和應(yīng)力分布要用幾何非線性方法進(jìn)行。根據(jù)不同工況下計(jì)算出的索、膜、梁、桿等結(jié)構(gòu)構(gòu)件中的內(nèi)力分布的最不利情況,來(lái)選定索、膜等材料的型號(hào)及尺寸,確定詳細(xì)的節(jié)點(diǎn)做法及構(gòu)造措施等。因此,經(jīng)濟(jì)安全的索建筑必須經(jīng)過(guò)仔細(xì)地內(nèi)力分析后才能完成,不是憑經(jīng)驗(yàn)拍在腦袋就能確定的了的,是不能用搭帳篷的的傳統(tǒng)思想不設(shè)計(jì)膜結(jié)構(gòu)的。
四、剪裁分析(cutting)
剪裁分析就是在預(yù)應(yīng)力狀態(tài)下的曲面形體上尋求合理的裁剪位置及其分布,然后按照一定的方法三維曲面展開(kāi)為二維平面。為物盡其用,一般要按照膜材料幅寬進(jìn)行裁剪,但要兼顧到膜面曲率變化情況。由于膜材料具有雙向異性性質(zhì),故裁剪線的布置要與計(jì)算時(shí)所設(shè)定的經(jīng)緯向一致,才能保證計(jì)算結(jié)果與實(shí)際相符。膜材料的裁剪下料通常是在無(wú)應(yīng)力狀態(tài)下進(jìn)行的,如何在預(yù)應(yīng)力的形體上進(jìn)行無(wú)應(yīng)力狀態(tài)下的裁剪分析,國(guó)內(nèi)外的學(xué)者已進(jìn)行了較為深入的研究,提出了諸如幾何法、最小二乘法、動(dòng)態(tài)規(guī)劃法與平面熱應(yīng)力原理相結(jié)合的有限元法等方法。