近10余年, 膜结构在我国得到了迅速发展, 这种非传统的全新结构为建筑设计 (包括建筑环境设计) 的进一步发展提供了广阔空间.为了适应膜结构的发展形势, 我国近年出版了一些膜结构设计方面的著作, 但是关于膜结构的体型系数往往着墨不多.风荷载体型系数可按文献[1]确定, 但对于形状复杂或重要的建筑物, 应通过风洞试验或专门研究确定风荷载体型系数.目前, 国内膜结构专业公司在设计时, 对结构的体型系数取值往往是按照偏于安全的方法进行取值, 这就使得结构设计偏于保守, 从而增加了工程成本.本文着重研究了圆锥形和双曲抛物面形膜结构的构造组成, 并进行了数值风洞软件CFX模拟, 进一步对2种膜结构体型系数进行了研究.

膜结构 (Membrane Structure) , 也即张拉膜结构 (Tesioned Membrane Structure) , 是依靠膜材自身的张拉力和特殊的几何形状而构成的稳定的承力体系.它由膜材、钢索及支柱构成, 且膜只能承受拉力而不能受压和弯曲, 其曲面稳定性是依靠互反向的曲率来保障, 且需制作成凹凸的空间曲面, 故习惯上又称空间膜结构.圆锥形和双曲抛物面形膜结构是组成形态各异的膜结构建筑的2种最基本的单元, 这2种曲面的基本特征是它们拥有曲线边界, 都以“负高斯曲面”为基础, 由一组张紧的“拱形”条元和与其反向的“悬挂”条元组成.膜面的形态与建筑的尺度和跨度有关, 圆锥形和双曲抛物面形膜结构需要足够的建筑尺度和跨度来形成其负高斯曲面.负高斯曲面初始边界条件的选择可以遵循关系式:T=p·R, 其中, T为膜材拉力, p为作用于曲面的法向反力, R为膜面的曲率半径.因此, 一旦确定了外荷载和膜材应力的控制值, 则很容易确定膜面的曲率或曲率半径, 进而可与初选的边界几何形状相协调.

CFX软件是全球第一个通过ISO9001质量认证的大型商业CFD软件, 是英国AEA Technology公司为解决其在科技咨询服务中遇到的工业实际问题而开发的, 该软件在复杂几何、网格和求解这3个重点问题上都有重大突破.CFX软件的整个风工程数值模拟过程包括:几何造型、选择湍流物理模、设置流动区域、确定边界条件、网格生成、设置求解参数、计算和计算结果后处理.下面的2种类型的膜结构采用雷诺应力模型 (RSM模型) [2].

图1为圆锥形状膜结构网格的划分, 图中共划分面单元 (仅为建筑表面和壁面) 5 827个 (用到后面双曲抛物面时, 仅数量不同) , 体型单元8 321个, 结点数为13 296个, 其中建筑物本身和其交接的地面附近区域, 网格明显加密.建筑物5 m高处水平截面速度矢量见图2, 建筑物中间的竖向截面流线见图3, 圆锥形曲面的风压力系数分区图见图4.

参数值见表1. (1) 膜面的倾斜角度 (结构边缘和顶点之间的连线与水平线间的夹角A) 如图5所示. (2) 膜结构立面开敞或封闭.

双曲抛物面形膜结构CFX网格划分见图6, 建筑物5 m高处水平截面速度矢量见图7, 建筑物中间的竖向截面流线见图8, 双曲抛物面的风压力系数分区图见图9, 其中风向1参数值见表2, 风向2参数值见表3.

跨高比为对角线跨度L/高低点高差H, 膜结构立面为非封闭曲面.

图10和图11分别为圆锥形和双曲抛物面膜结构应用实例.成本比较分析见表4.

利用CFX软件对圆锥形和双曲抛物面形2种形状的膜结构进行了计算机实体模拟, 对其体形系数进行了深入研究, 得到了这2种形状膜结构的体系系数;同时应用2个相同类型的膜结构工程实例进行了验证.圆锥形和双曲抛物面形膜结构是各种复杂的膜结构的基本组合单元, 通过对这2种形状的膜结构的体形系数的研究, 可为其他复杂组合膜结构设计提供参考.