膜结构适应性设计应该从整体观出发, 应该不断调整膜结构建筑自身结构来适应客观外部条件的系统行为。本文主要基于膜结构的基本性能, 从建筑设计方法出发, 研究膜结构适应性, 总结分析归纳膜结构的创作规律, 分析它在不同环境下应考虑的因素, 初步提出一个针对膜结构建筑适应性设计手法和原则[2]。

针对目前膜结构设计中的存在的问题, 想和大家探讨一个最基本的问题:在膜结构设计中, 我们的设计院应该在膜结构的设计中做什么?

在一些项目中, 我们的设计院在膜结构的设计和分析过程中被, 基本把工作全部委托给专业膜结构公司。究其原因可以概括为以下几点:

一是我们的研究人员出于无奈;相对而言, 主要是由于大家对索膜结构不是很了解, 膜结构设计经验比较少, 所以做起来比较困难, 自己没有办法, 只能把膜结构设计委托给专业膜结构公司。

二是我们设计人员缺乏分析手段;我们设计人员现在的学历都很高, 很多人在大学甚至研究生读书期间的研究方向主要还是膜结构, 所以他们对膜结构的计算分析对他们来说并不是问题, 特别是目前大设计院更是如此, 但是目前在膜结构设计中缺少相应的分析工具是普遍存在的问题。

三是我们很多研究院人员不愿意做。这也是目前国内设计院普遍存在的问题, 对于那些难、烦、特殊的项目, 多数情况下都是我们都是分包给专业公司和一些高校, 而给我们设计人员留出更多的时间去做获得经济效益更大的项目。目前几个国内知名的设计院也是如此[3]。

有时候委托给专业膜结构公司也不失为一个可行的办法, 但是存在一些潜在的问题。

(1) 膜结构公司基本上都是技术人员, 而在建筑专业上偏弱, 满足不了预定的设计意图;

(2) 通常膜结构公司以施工为主业, 设计水平明显低于设计院;

(3) 大多数情况下膜结构公司以便于施工为目标, 会降低工程的设计水平;

(4) 设计院对膜结构设计和施工过程起不到控制作用, 最终结构是否合理、施工是否满足设计要求无法进行有效的判别。

所以对于大型膜结构, 设计院不能把整个设计工作委托给膜结构公司, 而应该做一些必要的工作。根据参与世博轴膜结构的计算分析经验, 我觉得设计院可以在以下几个方面多做些工作。

(1) 根据建筑要求, 提出设计目标;这个问题在工程中比较重要。建筑外形实际上是应该由建筑师提出的, 而膜结构存在找形问题, 所以建筑师往往要求结构工程师来定。但是找形又不是唯一的, 不同的内力分布就会找到一个不同的建筑外形, 不同的形状直接影响到建筑的效果。值得提出的是, 不同的建筑外形可能直接影响到工程的经济性。因为有些形状比较难实现, 可能需要较大的预应力, 带来的问题就是使用更多的材料和施工技术上的难度。所以, 合理的建筑外形应该是由结构工程师和建筑师合作反复推敲确定的[4]。

(2) 给出荷载、边界等设计条件, 控制设计过程;设计是设计院的强项, 所以对于复杂膜结构, 荷载取值、边界条件等设计条件应该由设计院来定, 特别是风荷载, 可能荷载规范上查不到相关数据, 膜结构公司相对经验比较少。合理确定风荷载取值, 也是保证膜结构经济性的关键措施。

(3) 给出力、位移等控制条件, 控制设计目标;虽然我国有索结构和膜结构方面的规范和规程, 但是相对而言, 还不是很完善, 对于一些特殊问题, 比如膜片位移、拉索位移等具体问题, 还需要设计人员查阅相关工程资料才能确定。这些细节, 只能自己动手仔细研究, 膜结构公司通常不会那么尽力。

(4) 参与计算过程, 采用不同的计算软件, 并将计算结果与膜结构公司计算结果进行对比、校核;如果想了解和把握结构的受力性能, 必须自己动手计算才行。现在的分析工具比较多, 比如EASY、ANSYS、3D3S等, 可以采用任何一款软件, 将计算结果与膜结构公司的计算结果进行对比校核, 这样才能保证计算结果的正确性。如果设计院确实没有计算能力, 可以请第三方参与计算, 毕竟, 工程计算的正确性和合理性才是最关心的。这里与大家分享一下, 世博轴膜结构是由4家计算单位分别采用4款不同的软件进行计算的。所以, 关键的时候不要省不该省的钱。

索膜结构的设计和施工必须紧密结合, 不能把施工和设计分离考虑。因为施工的可能性和可实施性直接决定最终的设计结果和施工质量, 所以设计中必须与膜结构公司加强联系, 及时沟通。最好的办法是设计过程中让膜结构公司提前参与计算。这样膜结构公司专业人员可以及时提醒设计中的不合理之处, 最重要的是设计人员可以随时请教膜结构专业人员。