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膜结构屋面的应用

屋盖是房屋最上部的围护结构,应满足相应的使用功能的要求,为建筑提供适宜的内部空间环境。屋盖也是房屋顶部的承重结构,受到材料、结构、施工条件等因素的影响。屋盖又是建筑体量的一部分,其形式对建筑物的造型有很大影响,建筑师在完成设计作品中同时十分注意屋盖的美观问题。



随着科学技术的发展,出现了许多新型的屋顶结构形式,如拱结构、薄壳结构、悬索结构、网架结构屋顶等。
无论传统的屋盖形式或者各类新颖的屋盖形式,其构成大致分为两个部分,即支撑体系(粱,檩条),和屋面体系(覆盖面材)。

屋面就是建筑物屋顶的表面,他主要是指屋脊与屋檐之间的部分,这一部分占据了屋顶的较大面积,或者说屋面是屋顶中面积较大的部分。张拉膜结构自其在20世纪中期发展以来,在各种屋面的应用中不容忽视。
通过对各类屋盖结构的观察,可以了解屋盖结构在拉力和压力的结构构件上的行程和传递,我们可以对结构行驶有清晰和系统的认识。比如梁,是能够被结合形成简单结构最普通的结构构件。每个此类构件都可能同时在它们的横截面上承受拉力和压力。竖向荷载下坚支粱的横截面下部表现为拉应力,而在上部则表现为压应力。通过计算及检测,可以看出粱一些情况下不能有效的承重,他的中央区域有显著的重力荷载,却不像外部纤维那样达到应力最大值。建筑学家通过研究将这种简单的梁发展为桁架——兼具承压承拉作用的结构。
桁架是由一列类分立结构构件形成的一个结构单元,起到梁的作用,各个结构单元独立承载拉力或压力,并且可以被优化加强,从而更有效的承载,梁的无效承重区域完全由桁架构件之间的净空间取代。
最简单的是由单一原件承载的体系,譬如膜结构在屋面体系中的应用。
很明显一般传统的屋面面材,覆盖在粱之上,在粱承担自身恒载的同时,至少还有承担面材自重的压力。这两个例子都是平面原件,外加荷载也同样作用于那些平面
当这些结构以及和他们相关的荷载体系演变为三维体系时,情况就变得更为复杂,参照系统图示右边一列的图示为结构只在受压力作用时的承受荷载情况,而左边一列的图示为结构在受拉力作用时的承受荷载情况。中间一列为图示结构在受拉力和压力混合作用的结果。
二维压力圆拱结构被发展成双向壳体结构,然后被发展成为三角形结构壳体结构,最后被发展成为立体壳体结构。相似的只受拉力作用的悬线结构,先被发展成为三角网状结构,最后是结构涂层织物。在结构演变过程的每个阶段,结构元件只受拉力作用。
引入表面曲率可以提高膜结构的承载能力。在膜结构中,荷载作用下的挠度有弯曲度以及永久应力或预应力的量来控制。
左图给出了膜的基本形状,双曲抛物面(4点帆面)筒形拱形(鞍型)圆锥面都表现出负高斯曲面。基本曲率在一个方向上的作用与其他方向上的作用相反。这些预应力一开始被机械的引入结构边缘,一个方向上的预应力与反向的预应力相对而且由其来维持。
双曲表面的具体形状和膜材织物的编织方向对其工程性能是至关重要的。他与预应力的大小一起控制着应力的大小,分布在外加荷载下的挠度。
在满足建筑上和功能上的需求的同时,建筑形式在物理上一定要是可行的,就是说在安装过程中以及非承载状态下要处于平衡状态。在实际中,这意味着在整个结构中应该没有褶皱的织物表面,也不能有松弛的膜面和索。

在建筑外形和工程特征型紧密结合的同时,在结构设计师和工程师紧密配合。这种配合从结构的初始定型中就开始了,如外形选择阶段并一直贯穿整个反复设计的过程,在膜结构的应用开发以及结构的经济性和可建设性的优化方面,与优秀的建筑师合作一直是我们所期待的。


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