“只有正確表達結構邏輯的建筑才有強大的說服力與表現(xiàn)力”這句話揭示了膜結構景觀的精髓。對于膜結構景觀,任何附加的支撐和修飾都是多余的,其結構本身就是造型;換句話說,不符合結構的造型是不可能的,因為那樣的薄膜不是飄動的就是缺乏穩(wěn)定性的。膜結構景觀的美就在于其“力”與“形”的完美結合。
膜結構景觀的基本組成單元通常有:膜材、索與支承結構(桅桿、拱或其他剛性構件)。
膜材一種新興的建筑材料,已被公認為是繼磚、石、混凝土、鋼和木材之后的“第六種建筑材料”。膜材本身不能受壓也不能抗彎,所以要使膜結構景觀正常工作就必須引入適當?shù)念A張力。此外,要保證膜結構景觀正常工作的另一個重要條件就是要形成互反曲面。傳統(tǒng)結構為了減小結構的變形就必須增加結構的抗力;而膜結構景觀是通過改變形狀來分散荷載,從而獲得最小內(nèi)力增長的。當膜結構景觀在平衡位置附近出現(xiàn)變形時,可產(chǎn)生兩種回復力:一個是由幾何變形引起的;另一個是由材料應變引起的。通常幾何剛度要比彈性剛度大得多,所以要使每一個膜片具有良好的剛度,就應盡量形成負高斯曲面,即沿對角方向分別形成“高點”和“低點”。“高點”通常是由桅桿來提供的,也許是由于這個原因,有些文獻上也把膜結構景觀叫做懸掛膜結構景觀(suspension membrane)。
索作為膜材的彈性邊界,將膜材劃分為一系列膜片,從而減小了膜材的自由支承長度,使薄膜表面更易形成較大的曲率。有文獻指出,膜材的自由支承長度不宜超過15米,且單片膜的覆蓋面積不宜大于500平米。此外,索的另一個重要作用就是對桅桿等支承結構提供附加支撐,從而保證不會因膜材的破損而造成支承結構的倒塌。
膜結構景觀設計主要包括以下內(nèi)容:
1,初始態(tài)分析:確保生成形狀穩(wěn)定、應力分布均勻的三維平衡曲面,并能夠抵抗各種可能的荷載工況;這是一個反復修正的過程。
2,荷載態(tài)分析:膜結構景觀自身重量很輕,僅為鋼結構的1/5,混凝土結構的1/40;因此膜結構景觀對地震力有良好的適應性,而對風的作用較為敏感。此外還要考慮雪荷載和活荷載的作用。由于目前觀測資料尚少,故對膜結構景觀的設計通常采用安全系數(shù)法。
3,主要結構構件尺寸的確定,及對支承結構的有限元分析。當支承結構的設計方法與膜結構景觀不同時,應注意不同設計方法間的系數(shù)轉(zhuǎn)換。
4,連接設計:包括螺栓、焊縫和次要構件尺寸。
5,剪裁設計:這一過程應具備必要的試驗數(shù)據(jù),包括所選用膜材的楊氏模量和剪裁補償值(應通過雙軸拉伸試驗確定)。
膜結構景觀在方案階段需要考慮的問題有:
1,預張力的大小及張拉方式;
2,根據(jù)控制荷載來確定膜片的大小和索的布置方式;
3,考慮膜面及其固定件的形狀以避免積水(雪);
4,關鍵節(jié)點的設計,以避免應力集中;
5,考慮膜材的運輸和吊裝;
6,耐久性與防火考慮。
在膜結構景觀設計階段所要考慮的要點有:
1,保證膜面有足夠的曲率,以獲得較大的剛度和美學效果;
2,細化支承結構,以充分表達透明的空間和輕巧的形狀;
3,簡化膜與支承結構間的連接節(jié)點,降低現(xiàn)場施工量。
膜結構景觀研究的主要問題有:
1,找形(Form-finding)或更進一步叫“形態(tài)理論”;
2,考慮膜材松弛和各向異性下的結構響應;
3,結構在風荷載作用下的動力穩(wěn)定性;
4,裁剪優(yōu)化;
5,膜與索及支承結構間的相互作用。