某單柱懸挑張拉膜雨棚結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

·節(jié)能

建筑

LOWCARBONWORLD2019/5

某單柱懸挑張拉膜雨棚結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

廣東

廣州）（廣東省建筑設(shè)計(jì)研究院，

510010

張艷輝

【要膜結(jié)構(gòu)作為一種造型簡潔多變、形態(tài)優(yōu)美、輕盈通透、施工快捷方便的新型建筑結(jié)構(gòu)融合體系

摘越來越得到建筑師及業(yè)主的青睞，特別】，

對其全過程設(shè)計(jì)與分析進(jìn)行詳細(xì)介紹與總結(jié)，包括膜材選，

是對于停車場雨棚、人行道、小品等部位。本文通過某單柱懸挑的張拉膜雨棚工程

擇、找形分析、荷載分析與設(shè)計(jì)。

【關(guān)鍵詞】張拉膜；懸挑雨棚；初始找形分析；鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；膜材分析

【中圖分類號(hào)【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼【文章編號(hào)（）

】】】

TU391A20192095-206605-0212-03

1

引言

建筑專業(yè)在體育場館堯入口廊道堯小品堯停車場雨棚等領(lǐng)

域為了追求其造型自由堯輕盈堯通透堯采光及綠色節(jié)能等的目

的袁膜結(jié)構(gòu)這種可以達(dá)到建筑與結(jié)構(gòu)完美結(jié)合的體系應(yīng)運(yùn)而

生遙膜材作為一種只受拉不受壓的高強(qiáng)度柔性薄膜材料與鋼

材或其它硬支撐體系相結(jié)合袁對膜面施加一定的預(yù)張力后可

以形成具有一定剛度的曲面同時(shí)可以承受較大的外荷載的

空間體系遙從結(jié)構(gòu)形式上大致可分為骨架式堯張拉式堯充氣式

等3種基本形式遙本文通過某單柱懸挑傘狀張拉膜停車場雨

棚進(jìn)行簡單的設(shè)計(jì)與分析過程介紹袁本工程平面尺寸為30m伊

7m懸挑6m袁高6.5m袁采用骨架式膜結(jié)構(gòu)與張拉式淵懸挑邊采

用索進(jìn)行張拉封邊冤相結(jié)合的體系袁結(jié)構(gòu)三維示意圖如圖1

所示遙

通過數(shù)學(xué)分析可知袁穩(wěn)定的膜曲面為負(fù)高斯曲率面袁最基

本的單元為馬鞍形雙曲拋物面和錐形雙曲面遙因此膜初始態(tài)

找形就是為了找到這樣一個(gè)穩(wěn)定曲面袁當(dāng)然還需滿足建筑造

型及使用的需求遙對膜面施加預(yù)張力后袁通過多次方程迭代求

解后袁盡量使得膜面的平衡曲面接近最小曲面袁最終找到一個(gè)

形狀合理堯應(yīng)力分布均勻的曲面形態(tài)遙本工程膜面預(yù)張力為

3MPa袁封邊索預(yù)張力30kN袁通過多次最小應(yīng)力曲面和平衡應(yīng)

力曲面找形后得到的結(jié)果如圖2~圖4所示院結(jié)果表明袁膜面

基本成馬鞍形態(tài)袁可以滿足雙向受力袁符合受力要求曰膜面形

狀沒有出現(xiàn)過多平坦區(qū)域袁初步判斷膜面不會(huì)出現(xiàn)積水現(xiàn)象袁

當(dāng)然這還需通過荷載態(tài)分析確定曰膜面應(yīng)力水平從3.07~

7.60MPa袁除傘狀頂部邊界處應(yīng)力較大外袁裁剪下料及施工時(shí)

需對其適當(dāng)加強(qiáng)構(gòu)造處理袁其它部位應(yīng)力較為均勻袁滿足受力

需求遙

2

初始態(tài)找形分析

圖1雨棚膜結(jié)構(gòu)三維示意圖

圖2找形后側(cè)立面圖

根據(jù)葉膜結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程曳淵CECS-158-2015冤的要求袁根據(jù)

建筑使用需求袁所處環(huán)境袁使用年限等條件袁膜材應(yīng)當(dāng)選用以

下三種膜材院G類淵玻璃纖維基材堯PTFE涂層袁俗稱PTFE膜冤堯

E類膜材淵玻璃纖維基材堯硅酮涂層冤袁俗稱ETFE薄膜冤堯P類

淵聚酯長絲基材堯PVC涂層俗稱PVC膜冤遙PTFE膜具有耐久年

限長淵可達(dá)25年及以上冤堯自潔能力防污性高堯透光率高等優(yōu)

點(diǎn)袁但與PVC膜比較袁材料費(fèi)與加工費(fèi)高袁且柔軟性低袁綜合

考慮使用需求及經(jīng)濟(jì)成本等因素后袁本工程采用PTFE膜材袁

基本參數(shù)詳表1遙

表1膜材技術(shù)規(guī)格表

項(xiàng)目數(shù)據(jù)

顏色白色

厚度0.8依0.1mm

經(jīng)向抗拉強(qiáng)度5000N/5cm

緯向抗拉強(qiáng)度5000N/5cm

抗撕裂強(qiáng)度300N

涂層聚四氯乙烯PTFE

基材玻璃纖維

透光率16%

厚度74%

圖3找形后正立面圖

3

荷載態(tài)分析

（

MPa）圖4找形后膜面應(yīng)力圖

212

3.1

荷載與組合

荷載效應(yīng)分析袁在初始形態(tài)分析確定的幾何形態(tài)和預(yù)張

力的基礎(chǔ)上袁考慮各種可能的荷載組合情況對膜結(jié)構(gòu)內(nèi)力和

變形進(jìn)行計(jì)算與分析設(shè)計(jì)遙分析應(yīng)當(dāng)采用幾何大變形的非線

性計(jì)算袁先進(jìn)行荷載組合再施加荷載袁最后才計(jì)算分析遙

LOWCARBONWORLD2019/5

1mm厚膜材計(jì)算冤曰膜面活荷取0.3kN/m

鋼結(jié)構(gòu)等自重按程序自動(dòng)計(jì)算袁附加恒載院0.015kN/m計(jì)算結(jié)果如圖7堯圖8所示袁桿件最大應(yīng)力比為0.913袁小

0.35kN/m26mm淵向下冤堯組合10工況下懸挑最大豎向位移為39mm淵向

數(shù)1.4淵風(fēng)壓時(shí)袁體系系取0.2冤袁風(fēng)振系數(shù)1.5袁高度系

2

2

淵按

2

曰風(fēng)荷載院基本風(fēng)壓

風(fēng)壓時(shí)取0.105kN/m冤遙淵

22

數(shù)1.0袁最終取值為0.735kN/m上冤袁變形均小于規(guī)范限值48mm淵6000/125冤遙因此本結(jié)構(gòu)可以

2018冤進(jìn)行設(shè)置遙基本組合如下院

荷載組合按葉建筑結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)曳淵GB50068-滿足規(guī)范的極限承載力及正常使用的要求遙

組合1院1.3恒+1.5伊1.0活

組合2院1.0恒+1.5伊1.0風(fēng)吸

組合3院1.3恒+1.5伊1.0風(fēng)吸

組合4院1.3恒+1.5伊1.0風(fēng)壓

組合5院1.3恒+1.5伊1.0活+1.5伊0.6風(fēng)吸

組合6院1.3恒+1.5伊1.0活+1.5伊0.6風(fēng)壓

組合7院1.3恒+1.5伊0.7活+1.5風(fēng)吸

組合8院1.3恒+1.5伊0.7活+1.5風(fēng)壓

標(biāo)準(zhǔn)組合如下院

組合9院1.0恒+1.0活

組合10院1.0恒+1.0風(fēng)吸

3.2

組合11院1.0恒+1.0風(fēng)壓

鋼結(jié)構(gòu)體系為鋼框架結(jié)構(gòu)體系袁單柱懸挑袁長向共分有5

鋼結(jié)構(gòu)計(jì)算與設(shè)計(jì)

個(gè)標(biāo)準(zhǔn)單元袁30m長袁每榀正面懸挑6m袁背面懸挑1m袁采用了

拉桿與拉索進(jìn)行平衡設(shè)計(jì)袁按有側(cè)移框架計(jì)算遙鋼柱采用

P299伊12鋼管截面袁頂部為P168伊10曰懸臂梁采用H淵300~200冤

伊200伊10伊12的工字型梁袁帽子支撐鋼結(jié)構(gòu)采用P102伊5袁拉桿

采用P63伊5袁材質(zhì)均為Q235B袁拉索采用準(zhǔn)30的不銹鋼絞線遙

典型鋼結(jié)構(gòu)布置及立面圖詳圖5堯圖6所示遙

圖5標(biāo)準(zhǔn)單元結(jié)構(gòu)布置圖

圖6標(biāo)準(zhǔn)單元結(jié)構(gòu)剖面圖

建筑

·節(jié)能

于1.0袁滿足規(guī)范要求曰組合9工況下懸挑最大豎向位移為

圖7鋼構(gòu)件應(yīng)力比圖

圖8組合9工況下的豎向變形圖

3.3

3.3.1變形驗(yàn)算

膜材驗(yàn)算

6000/15=400mm袁滿足各膜單元內(nèi)膜面相對法向位移不大于

在組合10工況下變形最大值淵詳圖9冤為106mm

單元名義尺寸的1/15的要求遙

圖9組合10工況下的膜材變形圖

3.3.2應(yīng)力驗(yàn)算

60MPa滿足設(shè)計(jì)要求袁膜面最小主應(yīng)力<0的單元淵即褶皺單

在組合2工況下膜面最大應(yīng)力為17.5MPa淵詳圖10冤小于

元冤的占比為1.53%袁小于規(guī)范限值要求的10%袁滿足要求遙單

元名義尺寸的1/15的要求遙

圖10組合10工況下的膜材變形圖

3.3.2膜面排水分析

在0.3kN/m作用下淵即雨水工況冤以及雨水+風(fēng)載耦合工

2

況下的變形后膜面等高線無內(nèi)部圓形閉合區(qū)域出現(xiàn)淵詳圖

11冤袁說明內(nèi)部沒有出現(xiàn)低點(diǎn)或出現(xiàn)局部過于平坦袁表明膜面

不會(huì)因為降水而產(chǎn)生積水現(xiàn)象遙

213

·節(jié)能

建筑

LOWCARBONWORLD2019/5

非線性建筑設(shè)計(jì)分析

劉偉哲

（廣西農(nóng)墾設(shè)計(jì)院有限公司，廣西南寧）

530000

【要非線性建筑主要是指呈現(xiàn)出連續(xù)流動(dòng)狀態(tài)的形體，其形體效果主要通過建筑性能和建筑附近環(huán)境等因素的整合而來，

摘設(shè)計(jì)的關(guān)鍵就】

以期為設(shè)計(jì)人員開展設(shè)計(jì)工作提供理，

在于這些因素。基于此，本文將非線性建筑設(shè)計(jì)的總體思路入手，闡述了非線性建筑設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵要點(diǎn)

論參考

。

計(jì)算機(jī)技術(shù)】；

【關(guān)鍵詞非線性建筑；參數(shù)

【中圖分類號(hào)】【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】【文章編號(hào)】（）

TU201A20192095-206605-0214-02

前言

非線性建筑的概念最早出現(xiàn)于20世紀(jì)60年代袁當(dāng)時(shí)并

未受到關(guān)注遙隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展袁非線性建筑的設(shè)計(jì)更為

便捷袁促進(jìn)了非線性建筑的迅猛發(fā)展袁使其受到社會(huì)的廣泛關(guān)

注袁并逐漸成為建筑領(lǐng)域的重要組成部分遙在非線性建筑中袁

設(shè)計(jì)方案會(huì)對建筑的外觀效果及功能發(fā)揮產(chǎn)生直接的影響袁

需要受到相關(guān)單位的重視遙

傳統(tǒng)建筑設(shè)計(jì)理念強(qiáng)調(diào)建筑的功能性袁要求其為用戶提

供居住和工作的場所遙在經(jīng)濟(jì)和技術(shù)發(fā)展迅猛的當(dāng)下袁人們對

生活的追求從原本的物質(zhì)轉(zhuǎn)變為精神袁對建筑的需求不再集

中于建筑的功能袁更為注重建筑的精神素養(yǎng)及自然內(nèi)在性能遙

因此袁在新時(shí)期建筑設(shè)計(jì)理念中袁設(shè)計(jì)人員需要注重建筑和自

然環(huán)境及社會(huì)環(huán)境的融合袁呈現(xiàn)出不同的建筑形體

[1]

遙非線性

建筑設(shè)計(jì)理念與新時(shí)期建筑設(shè)計(jì)理念相符袁該理念將建筑作

為媒介與橋梁袁利用建筑實(shí)現(xiàn)人類和周邊環(huán)境的融合袁實(shí)現(xiàn)

人堯建筑和環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展遙非線性建筑設(shè)計(jì)理念是將模糊理

論堯非標(biāo)準(zhǔn)數(shù)學(xué)分析以及哲學(xué)思想作為基礎(chǔ)袁利用計(jì)算機(jī)的各

項(xiàng)功能袁完成參數(shù)分析堯建筑形體生成以及建筑施工指導(dǎo)等各

項(xiàng)工作袁呈現(xiàn)出唯一獨(dú)特的建筑空間形態(tài)袁使非線性建筑具備

獨(dú)有的空間和外觀形態(tài)袁與人們的需求相符遙

在實(shí)際的非線性建筑設(shè)計(jì)中袁設(shè)計(jì)人員需要中生活實(shí)際

入手袁對建筑建設(shè)區(qū)域的周圍環(huán)境進(jìn)行深入明晰袁提煉出多種

環(huán)境現(xiàn)象因素袁并將其轉(zhuǎn)變為建筑形體袁完成與人堯環(huán)境融合

的建筑設(shè)計(jì)方案遙在此基礎(chǔ)上袁非線性建筑設(shè)計(jì)方案并不注重

建筑風(fēng)格和建筑形式袁而是從建筑周圍環(huán)境出發(fā)袁設(shè)計(jì)出多樣

化和不規(guī)格的建筑外觀及空間造型袁具體的非線性建筑設(shè)計(jì)

思路可以參照圖1遙

1

非線性建筑設(shè)計(jì)的總體思路

2

非線性建筑設(shè)計(jì)的關(guān)鍵要點(diǎn)

2.1

建筑外觀的合理設(shè)計(jì)

圖1非線性建筑設(shè)計(jì)總體思路示意圖

在非線性建筑中袁建筑外觀輪廓主要通過建筑空間的感

知來實(shí)現(xiàn)袁而建筑空間的感知是由非線性建筑和周圍空間的

對比產(chǎn)生的袁如果非線性建筑和周圍空間的邊界相對模糊袁將

會(huì)在一定程度上弱化非線性建筑的形態(tài)袁導(dǎo)致不同空間中呈

現(xiàn)出曖昧的狀態(tài)袁呈現(xiàn)出模糊的非線性建筑外觀輪廓遙因此袁

在進(jìn)行非線性建筑設(shè)計(jì)的過程中袁設(shè)計(jì)人員需要注重非線性

后袁進(jìn)行荷載施加袁并按最新的可靠度標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行工況組合袁進(jìn)

行承載力及正常使用狀態(tài)下非線性分析計(jì)算袁對計(jì)算結(jié)果進(jìn)

行分析遙計(jì)算結(jié)果表明鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力比堯變形可以滿足規(guī)范要

求曰膜材的變形堯應(yīng)力以及膜面排水也可以滿足要求遙本文對

類似工程的設(shè)計(jì)有一定的借鑒參考意義遙

[1]葉膜結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程曳淵CECS-158-2015冤.

[2]葉鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)曳淵GB50017-2017冤.

[3]葉建筑結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)曳淵GB50068-2018冤.

參考文獻(xiàn)

4

結(jié)論

214

圖11雨水工況下的膜材變形等高線圖

本文通過對某單柱懸挑的張拉膜雨棚工程進(jìn)行了詳細(xì)分

析袁包括膜材基本技術(shù)規(guī)格參數(shù)的確定袁膜材的選取袁膜面的

初始張力施加以及初始態(tài)的找形分析袁找到合適合理的形態(tài)

收稿日期：

2019-4-11

作者簡介：

張艷輝淵1987-冤袁男袁工程師袁碩士研究生袁從事大跨

鋼結(jié)構(gòu)堯膜結(jié)構(gòu)等建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作遙