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多种多样的形态

张拉膜结构的形态千变万化,可以提供改善建筑空间质量的巨大灵活性。膜建筑的找形过程是充分理解其结构形式之后的创作。

找形过程的第一步是确定出整个膜面所要覆盖的区域,以及使膜面处于平衡状态时的内外支承点和边界条件。不同的边界设置可得到不同的膜面形状,有多少种不同的内部支承和边界布置就有多少种不同的膜面形态。边界刚柔度方面的轻微变化也会使膜面形态发生变化。

膜面的曲率保证了张拉膜结构的稳定性和刚度。曲率半径越大,膜面内力也越大,该结论对索也同样适用。膜面的曲率越大,荷载引起的膜面应力增加就越小,膜面应力越小结构自重越小。另外由于大面积平坦曲面对风致“颤振”比较敏感,在风荷载、雪荷载作用下曲面变形较大,故应予以避免。积雪、积水均会对膜面造成损坏,甚至能引起结构的後塌,必须予以避免。第七章将会对这类荷载工况予以详细的讨论。

膜结构具有的三维连续双曲特性使其设计无法仅仅依靠纸笔进行。为了研究膜结构的外观形状,控制其覆盖空间的造型,以及确定其计算分析和裁剪下料所需的精确几何形状,均需借助三维立体模型。物理模型和计算机模型在设计时各自发挥着不同的作用,且都是十分重要的。

制作简单的物理模型具有与用铅笔绘制设计草图同样重要的基础性地位,欲从事设计、建造薄膜结构的人均应具有制作物理模型的经验。

物理模型可以加强我们对双曲膜面张力平衡状态的理解,它还有助于设计者切实体验室内封闭空间的品质,而这是二维模型所无法提供的。改变膜结构的边界条件,观察由之引起的几何形态的改变,并考察其改变后的建筑效果,可以使建筑形体的创作更加具有连贯性。皂膜、织物模型及利用弹簧制作的机械模型都是可供选择的有效方法。

计算机建模与建立物理模型的过程相似,也从确定结构边界条件开始,然后通过数值迭代得到三维模型(图3-5)。

得到的平衡形态是继续下一步工作的基础。通过对结构边界的进一步微调即可得到最终形态。膜结构最终形态的数据是进行膜面与支承结构之间连接设计、建筑表现以及后续结构分析的基础。这些数据在结构分析之后还可直接用于结构的计算机辅助制造。

由于结构形态与性能的相互影响,膜结构设计的关键在于应用物理或数值的手段通过自适应找形方法确定出膜结构的最终形态。近来,人们对利用张力结构形成的各种建筑空间形式进行了广泛的研究,遗憾的是只有一小部分得到了实施。希望从事该方面工作的人员都进行研究并提出具有多种可能性的创新方案。在轻型结构的研究中,以探寻简洁高效的结构形态和细部设计为目标的创新性设计需要人们投人极大的勇气和精力。为了寻找简单有效的建筑方案,必须遵循以降低内力、减轻重量和降低能源消耗为主要特点的简约结构设计的逻辑和原则。

张拉薄膜结构的形态主要分为两种类型:

——负高斯曲面或双曲鞍形面:通过机械方式在膜面内沿着其边界施加预应力而得到的张力平衡且稳定的形态。

——正高斯曲面或双曲球形面:通过在膜面法向上作用气压力或水压力而得到的平衡且稳定的形态,这类结构又可分成气承式和气枕式两类。