负高斯曲率的张力膜结构设计膜屋面形态的基本方法有两种:种方法是通过内外支承和边界条件的自由设置得到整个建筑结构的张力自平衡连续曲面,基于该方法可以设计出独特的建筑环境;第二种方法是通过标准双曲面单元的开展和组合来获得较大的覆盖面。
最基本的负高斯曲面结构是高低点间隔布置、用直线或曲线相连结而成的四点鞍形曲面。以四点鞍形曲面的一个高点或低点为中心,将多个鞍形曲面按放射状排列,可形成一个星形结构,将其按线性排列可形成高低点间隔布置的结构形态。这些只是将基本单元进行重复或局部切割等多种布置方式从而得到曲面的两个示例。
与标准的重复扩展不同,自由曲面膜结构是动态和连续的,便其独具魅力。它们可由几个支承点和一些简单单元构成,也可以是更为复杂的形式。它们可以是对称的,也可以在任意边界内形成。自由曲面膜结构的构件重复率较低,性能更为复杂,需要更加精细的设计。从常规建筑角度看,膜结构的建筑形式灵活且建筑空间复杂多样。
膜面的形态也与建筑的尺寸有关。张拉膜结构需要足够大的建筑尺寸来形成其双曲面。高低支承点所需的高差非与结构的跨度、预应力水平以及支承反力的大小有关。
建筑的跨度不同对其形态要求也不同,例如四点鞍形曲面是跨度在15~20m之间最轻质高效的结构形式之一。将它应用于大跨度建筑,则会使结构高度和支承反力过大,而且无法完成其作为遮蔽物的建筑功能。大跨度薄膜结构需要有内部梁、桅杆等承支构件或外部悬吊的脊索、谷索、环索等内部线型结构。更大规模的建筑也可采用顶部圆形支承环,此时为了保证膜面以及传力路线的连续性,其直径与建筑的跨度之比不能过小。
建筑设计方案要使其结构、外观形态以及经济性的多方面因素与其功能相适应。根据极小曲面原理,建筑师和工程师应明白最简单的方案往往最有效。
3正高斯曲率的张力膜结构编辑
正高斯曲率膜结构靠膜面内外的气体或液体形成的压力差成形、施加预应力和保持稳定。膜面内力与其曲率成比例,曲率半径越大,内力越大。按照流体静力学原理形成的结构是自然界中最的效的荷载分配体系,比如水滴和活细胞就显示出这样的特性,静水压力随着高度而逐渐增大,从而形成曲率半径连续变化的形状。另外,自然大气中的气枕式充气结构可以认为是均匀受力的。