膜结构设计的特殊性

膜结构不同于一般的传统结构，由于膜结构不存在稳定的无应力状态，需要施加一定的预张力才能形成结构的基本形态和抵抗外部荷载的能力。为了使膜结构可称为“结构”，就必须对曲面施加的预应力作计算分析，保证曲面造型同时有一定的结构承载力和刚度，所以膜结构的设计过程需要分为两个阶段:形态分析阶段和荷载状态分析阶段。

1.形态分析阶段

在形态分析阶段中包含初始(几何)形态建立和初始形态的确定两部分内容。

(1)初始(几何)形态建立是建筑师根据其设计经验灵感和膜结构造型规律创造出的建筑形式，这成为整个膜结构体系进行深化的基础，立足于此，相关的工作步骤可以得到相应的开展。

(2)初始形态的确定是结构师根据建筑师提供的初始(几何)形态寻找满足控制点边界条件和初始预应力荷载平衡条件的膜结构形状，以及与之相关的初始预应力分布。即通常所说的“找形”。事实上，找形的目的不仅仅是找出一个满足平衡的形状，还包括对所找出曲面的预应力及刚度的分析，或者说是对曲面的病态判别及其修改。

总之，膜结构的“自由造型”需要满足力学平衡。膜结构的造型设计，需要建筑师与结构师共同完成。

2.荷载状态分析阶段

荷载分析是检验结构能否在实际环境中风、用或雪等荷教作用下正常工作，不发生过大的变形和不出现褶皱和松弛。

从结构的设计、使用和美观等角度来说，都不应出现膜面的褶皱和索的松弛现象。若不然，应重新进行形态分析，直到形态和荷载分析均达到要求。作用在张拉膜结构上的外荷载一般有自重、雪荷载、风荷载、温度应力等，这些因素都会对膜结构的设计产生一定的影响，而决定最终的造型可能。因此，在膜结构设计过程中，需要在形态分析的基础上，将材料的本构关系和荷载状况输入计算机，通过相应专业软件计算可求出荷载作用下的张拉膜结构变形和单元应力状态。同时，在进行荷载分析时，需要对计算的各单元中的最大应力和最小应力进行判断。在迭代计算过程中若出现膜的褶皱或松弛情况，应相应修改其单元本构矩阵后再进行下一步迭代计算，以达到最后的受力体系的平衡。这一环节主要由结构师完成。

严格来讲，在建筑、结构技术设计基本完成，绘制施工图前，还应对确定的造型进行裁剪分析。膜结构的裁剪分析是膜结构设计中的一个关键技术。现有研究裁剪的工作是在基于形状判定和荷载分析后的特定几何外形上进行。

裁剪分析中，最棘手的问题是考虑初始预应力造成的膜材经、纬方向的伸长对裁剪下料的影响。由于膜结构是张力结构的一种—其整体刚度主要由初始预应力提供—单片膜材的裁剪和拼接是在无应力状态下进行的，而结构张成后膜材必须处于全张力状态，裁剪分析过程中必须选定合适的裁剪式样并精确确定连接坐标，把膜材由空间的预应力状态还原为平面的无应力状态。所以，如何把膜材由预应力状态还原为无应力状态是进行膜结构裁剪分析中的关键技术，但这个问题至今还未得到很好的解决。由于裁剪分析与膜结构的形状、大小、曲率、材性等许多因素有关，使得目前各种裁剪方法的应用均受到一定程度的限制。根据已有的资料进行总结，裁剪分析方法总的来说分为:物理模型方法，几何模型方法，平衡模型方法。

正是由于膜结构所用的材料的特殊性决定了其结构设计的特殊性，区别于一般传统的建筑设计中的结构设计。