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膜结构景观中一体化CAD/CAM技术的认识
编辑:山东双天金属制品有限公司   时间:2020-08-05

  膜结构景观是建筑,也是结构,建筑与结构合为一体。设计中建筑与结构的矛盾在膜结构中得到完好的结合。膜结构技术也是建筑技术和结构技术之和谐统一。因此,膜结构建筑的一体化设计包括建筑规划、建筑内外环境、建筑造型、结构传力路线的规划、材料的选择与裁剪、结构荷载作用的静动力分析等,从膜结构建筑的概念设计到加工制作、施工安装的整个过程。

  膜结构的设计通常包括有找形分析、荷载分析与裁剪分析等环节,格外膜结构找形与裁剪分析是膜结构建筑所自有的,而且一直是膜结构研究的热点问题。膜结构设计的这些环节是相互联系、相互制约的,需要采用一体化的设计方法进行设计。结构理论与计算机技术的发展,为膜结构景观的一体化CAD/CAM技术提供了良好的条件,也对膜结构设计提出了越高的要求。以前膜结构设计的一般作法是将膜结构设计的找形、荷载分析与裁剪等三方面为三个步骤,即先寻求所需的几何外形,然后进行荷载分析,末后通过裁剪分析确定适合的裁剪线。然而,现实上,膜结构设计的三方面是相互关联、相互影响的。

  膜结构的找形分析技术是张拉膜结构的技术中越为活跃的研究方向。现代化膜结构的先驱德国建筑师氟赖奥托(Feiot采用皂膜类比模型量测等技术开展了膜结构找形的早期技术,目前大多运用基于形状优化之计算机方法进行的找形。皂膜曲面作为等应力较小曲面,膜结构形状优化找形方法仍然是以等应力较小曲面,即越大结构刚度为目标函数进行找形。膜结构景观是强非线性结构,在荷载分析时须考虑材料的几何非线性问题,这也给膜结构的分析带来一定难度。但随着计算技术的发展,力密度( Force- Density)法、动力松弛( Dynamic Relaxed法、非线性有限元法等数值方法成为膜结构找形和荷载分析的主要方法。

  在找形和荷载分析时,须考虑材料的弹性主轴对刚度矩阵及应力的影响,但弹性主轴又是由裁剪所决定的。膜结构的三维曲面由二维膜材通过拼接、张拉而成,而单片膜材的裁剪和连接是在无应力状态下进行的。为使张成的膜材处于全张拉状态而不出现皱褶,须通过裁剪分析确定适合的裁剪式样。在裁剪时,还要从结构受力、加工制作与视觉效果等方面的综合考虑其膜材焊缝布置和走向。同时,在进行裁剪分析时,如果出现局部皱褶失稳的情况,表明初始几何形状是不合理的,须回到找形分析阶段,对膜结构景观结构进行修改,因此找形分析、荷载分析和裁剪分析是不可分割的,须综合考虑这三方面,采用一体化的设计方法进行设计。

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