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现代膜结构诞生于上个世纪五十年代,在国际上其广泛地为人们所接受已经有了三十多年的历史。由于建筑膜材不断地推陈出新,尤其是抗老化、耐腐蚀新型膜材的出现,使膜结构成为永久建筑中的一员。二十世纪八十年代,膜结构开始进入国内学者的视线,随后被大量应用在体育设施、商业设施、文化设施以及景观设施等众多场馆的建设中。随着“鸟巢”、“水立方”的建设,膜结构又一次引起了国人的广泛关注。
运用有限元理论,编写专门的软件进行膜结构的设计与分析是国内外学者及研究人员的一个主要研究方向。膜结构软件早期所采用的分析方法多为分步计算的方法。随着计算机技术的飞速发展以及工程计算水平的不断提高,这种将上部膜结构的支承结构简单处理为刚性约束的做法越来越暴露出其弊端之所在。因此整体分析方法就应运而生了。该方法建模时考虑的是膜结构支承的实际模型,因此整体分析所采用的力学模型更能反映结构的实际情况。文中通过两个具体算例的整体分析和分步计算结果的分析对比,可以看出两种计算方法有明显的差别。
索膜分析与设计专用程序CAFA,能够进行索膜结构从找形到裁剪、受力分析的全过程分析。经过近年来大量的实践检验在不断地完善,目前该程序的索和膜单元部分已经走向成熟。在前期开发工作的基础上,本文采用fortran90语言编制了空间杆单元的有限元程序,从而使CAFA程序进行索膜结构整体分析成为可能。杆单元部分的前处理开发是以AutoCAD为平台、以ObjectARX2000为工具进行的。在设计和分析过程中能够通过对AutoCAD菜单文件、对话框文件的联合使用,建立友好的用户界面;以中文菜单和对话框提示来帮助用户进行操作和交互输入,并生成计算所需的数据文件。这使得结构分析时建模效率大大提高,并且对熟悉AutoCAD的工程技术人员而言,该前处理具有建模方便、易于接受等特点。
与专门的膜结构设计软件一样,施工技术水平高低也是制约膜结构发展的一个重要方面。参加大量膜结构工程设计、深入膜结构和钢结构加工厂进行认识实践,以及主持两个膜工程的现场施工,使笔者对膜结构施工的自身特点有了一定的认识并积累了一定的实践经验。在此基础上,通过查阅有关膜结构施工技术资料、结合参加工作阶段对传统结构施工的认识和经验,笔者对膜结构施工进行了系统的理论梳理和论述,并提出了自己的见解。
广义的膜结构施工包含施工技术设计和现场施工两个方面。由于在理清、掌握了现场施工的整个流程后,再去制订合理可行的施工技术设计文件应该不是件难事。因此本文重点对膜结构的现场施工进行了叙述。膜结构现场施工可分为三个步骤:各部件的工厂加工和运输阶段、现场安装阶段和后期维护阶段。
针对于钢构件等支承、连接件已经为设计施工人员所熟知的特点,本文依照工序流程着重叙述了膜材在工厂加工以及包装、运输过程中所应注意的问题,尤其是目前被有所忽略的该阶段的施工管理和监理工作。
现场安装是整个膜结构施工过程的中心环节,它又可分为安装前的准备和安装施工两个过程。本文依据所应遵循的施工工序,对该阶段的两个过程从人、材、物以及施工管理和监理工作等方面加以详细论述。
相较于传统结构形式,膜结构在建成后无论是建筑外形或者是其功用性、安全性等方面都更依赖于后期维护工作。国内外也不乏由于后期维护不当而造成事故甚至灾难的膜结构工程事例。文中将后期维护分成了膜面清洁、排水、预应力的二次施加、膜材修补和配件更换五个方面,并有侧重点地进行了叙述。