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3.3 负高斯曲率的张力膜结构

当一个物体受到四个以上不在同一平而内的拉力作用.且它们能构成平衡力系时,该物体就能仅在拉力作用下干三维空间内保持稳定。通过这一原则可以确定张力薄膜结构的稳定形状。

负高斯双曲面的正负曲率之和为零(图3-6),

双曲膜结构是依靠形状而非材料来承载的,根据这一原则确定的膜面形状能以最少的材料覆盖最大的建筑而积。

张拉膜面自身又是膜结构的主要构件,其平衡由膜带或索等制成的加劲边来维持,加劲边的空间位置由支承构件及悬挂构件确定。为了覆盖较大面积而不增加不必要的重量,尾面可用一组膜片来形成。

设计师可以通过改变内外支承的布置来得到许多负高斯双曲面。进行综合设计时要同时考虑建筑和结构两方面的因素。在设计过程中,支承构件的布置和尺度以及膜面的形状应与所需覆盖空间的跨度和承受的荷载相联系。这样,通过逐步设计最终得到最优的建筑方案。

工程中常用的只是一些典型的负高斯曲面,其实可以采用的曲面形式是多种多样的。

设计膜屋面形态的基本方法有两种:第一种方法是通过内外支承和边界条件的自由设置得到整个建筑结构的张力自平衡连续曲面,基于该方法可以设计出独特的建筑环境;第二种方法是通过标准双曲面单元的开展和组合来获得较大的覆盖面。

最基本的负高斯曲面结构是高低点间隔布置、用直线或曲线相连结而成的四点鞍形曲面(图3-7)。

以四点鞍形曲面的一个高点或低点为中心,将多个鞍形曲面按放射状排列,可形成一个星形结构,将其按线性排列可形成高低点间隔布置的结构形态。这些只是将基本单元进行重复或局都切割等多种布置方式从而得到曲面的两个示例。

与标准单元的重复扩展不同,自由曲面膜结构是动态和连续的,使其独具魅力(图3-8、图3-9)。它们可由几个支承点和一些简单单元构成,也可以是更为复杂的形式。它们可以是对称的,也可以在任意边界内形成。

自由曲面膜结构的构件重复率较低,性能更为复杂,需要更加精细的设计。从常规建筑角度看,膜结构的建筑形式灵活且建筑空间复杂多样。

膜面的形态也与建筑的尺度有关。张拉膜结构需要足够大的建筑尺度来形成其双曲面。高低支承点所需的高差与结构的跨度、预应力水平以及支承反力的大小有关。

建筑的跨度不同对其形态要求也不同,例如四点鞍形曲面是跨度在15 ~20m之间最轻质高效的结构形式之一。将它应用于大跨度建筑,则会使结构高度和支承反力过大,而且无法完成其作为遮薇物的建筑功能。大跨度薄膜结构需要有内部梁、桅杆等支承构件或外部悬吊的脊索、谷索、环索等内部线型结构。更大规模的建筑也可采用顶部圆形支承环,此时为了保证膜面以及传力路线的连续性,其直径与建筑的跨度之比不能过小。

建筑设计方案要使其结构、外观形态以及经济性的多方面因素与其功能相适应。根据极小曲面原理,建筑师和工程师应明白最简单的方案往往最有效。