[科普中国]-张力膜结构

张力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，正高斯曲面或双曲球形面。力值控制预张力的施加水平可能会受到摩擦力等多种因素的干扰。在有代表性的施力点，抽检力值作参考，更有利于预张力施加的控制1。

结构类型张力膜结构的形态主要分为两种类型：

1、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。

2、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，这类结构又可分为气承式和气枕式两类2。

负高斯曲率当一个物体受到四个以上不在同一平面内的拉力作用，且它们能构成平衡力系时，该物体就能仅在拉力作用下于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。

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面积。

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寸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。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部切割等多种布置方式从而得到曲面的两个示例。

与标准的重复扩展不同，自由曲面膜结构是动态和连续的，便其独具魅力。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寸有关。张拉膜结构需要足够大的建筑尺寸来形成其双曲面。高低支承点所需的高差非与结构的跨度、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蔽物的建筑功能。大跨度薄膜结构需要有内部梁、桅杆等承支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3。

正高斯曲率正高斯曲率膜结构靠膜面内外的气体或液体形成的压力差成形、施加预应力和保持稳定。膜面内力与其曲率成比例，曲率半径越大，内力越大。按照流体静力学原理形成的结构是自然界中最的效的荷载分配体系，比如水滴和活细胞就显示出这样的特性，静水压力随着高度而逐渐增大，从而形成曲率半径连续变化的形状。另外，自然大气中的气枕式充气结构可以认为是均匀受力的1。

施加预张力施加预张力是膜结构工程施工安装的关键环节，也是整个膜结构体系抵抗外荷载做到安全可靠的重要保障。

施加预张力方案在初步设计中就应确定，在施工图中应明确表述，在施工安装方案中做详细的操作策划。

膜结构体系中的各结构部件应力求制作准确，施工安装在严格的测量监控下应力求定位准确，在这一前提下，位移控制膜结构体系的预张力水平更直观到位，力值也应基本吻合设计值。位移允许偏差±109^，可以包容制作、安装的累积偏差。

力值控制预张力的施加水平可能会受到摩擦力等多种因素的干扰。在有代表性的施力点，抽检力值作参考，更有利于预张力施加的控制1。

本词条内容贡献者为:

石季英 - 副教授 - 天津大学