膜結構的四種基本形狀

    我們見過的安慶膜結構建筑主要有四種基本形狀，分別為鞍形、傘形、拱支式和脊谷式，了解這四種典型結構形式的曲面構成和力學特點，有助于增進對膜結構中形與力的認識。

    1.鞍形(saddleshape)

    鞍形曲面由四個不共面的角點和連接角點的邊緣構件圍合而成，是典型的互反曲面形式。在這四個角點中，通常有兩個對角點為高點(HP)，另兩個為低點(LP)。鞍形膜結構的邊緣構件可以是混凝土梁或空間鋼桁架，即形成所謂的剛性邊界;也可以采用邊索，通過對其施加較大的預張力形成柔性邊界。由于柔性邊界可以較好地適應膜面的變形，避免膜面在安裝和受荷過程中出現褶皺，因而較為常用。

    對于菱形平面的鞍形膜結構，可定義兩對角點間的水平距離L為跨度，高點(或低點)與跨中點間的高差f為矢高，f/L為矢跨比(如圖4b所示)。矢跨比是控制鞍形曲面形狀的重要參數。矢跨比越大，膜面曲率越大，結構剛度就越好;通常矢跨比在1/8～1/12之間。

    鞍形膜結構的適用跨度較小，一般多用于膜結構小品中。

    2.傘形(conicalshape)

    傘形膜結構也是常見的張拉膜結構形式之一。這種結構形式的特點在于，膜單元的周邊相對位置較低，多固定在剛性邊梁或柔性邊索上;在膜單元的中部設有一個或多個高點，多通過獨立柱、飛柱或懸掛環的支承來實現;整個膜面呈錐形為了避免在高點附近的膜材內部應力過大，當膜單元跨度較大時，可在高點和邊界支承點之間設置脊索，以改變結構內部的傳力路徑，避免膜材出現應力集中。傘形曲面還可以倒置應用于工程中。

    3.拱支式(archsupportedshape)

    拱支式膜結構以拱為膜材提供連續的支承點，結構平面多為圓形或近似橢圓形。當跨度較大時，常在中間拱與下部邊緣構件之間布置正交索網。拱支式膜結構多用于封閉式建筑中，如加拿大加爾格里的林賽公園體育中心(LindsayParkSportsCenter)就是典型的拱支式膜結構。

    4.脊谷式(waveshape)

    脊谷式膜結構是在兩高點之間布置相互平行的脊索、在兩低點之間布置谷索，高低相間，曲面呈波浪形;脊索和谷索之間的膜面形成負高斯曲率曲面。當結構跨度較大或荷載較大時，還可在脊索和谷索之間適當布置一些橫向的加強索。脊谷式膜結構的結構平面多呈矩形，如圖7所示。美國的丹佛國際機場和加拿大的CanadaPlace等，都是典型的脊谷式膜建筑。

    盡管上述四種基本形式的造型各不相同，但都遵循一個原則，即要通過剛性支承構件或連接件在膜面內形成一系列的高點和低點;這正是互反曲面的基本特征，即互反曲面的邊界不會位于同一平面內。把握了這一原則，在實際設計中就可以根據支承構件的形式(桅桿、拱或吊環)及其對膜的支承方式(點支承或線支承)，來選取適當的膜結構造型形式。

    以上四種基本形式僅僅是為了加深理解所作的一種簡單歸納，實際膜結構的形狀遠非如此簡單，甚至可以說是鮮有雷同;即便是這四種基本形式本身也可以有多種多樣的變形。在實際設計時，切不可以拘泥于其中，而應把握膜結構自然、流暢的精髓，創造出更多的新穎、別致的膜結構作品。