道尔顿公园的张拉膜结构
项目概述
道尔顿公园 (Dalton Park) 是位于英国达勒姆郡默顿 (Murton) 的奥特莱斯购物中心开发项目，总投资约 2000 万英镑，采用各种织物膜结构雨棚。两排单体店铺单元排列在中心街道两侧。街道部分区域由七个基于单圆锥和多圆锥形状的织物膜结构雨棚覆盖。

项目中应用的软件

主雨棚长60米，宽14米，由四个相连的圆锥体组成，这些圆锥体由飞桅支撑，飞桅又由缆索支撑，并连接到主高层钢结构。其中两个雨棚采用四根斜桅，另两个采用直桅。织物膜的边缘由沿长边的边界缆索支撑，短边则直接固定在倾斜的钢拱上。两个独立的较小雨棚（面积约20平方米）位于街道的拐弯处。它们形成单个低矮的圆锥体，大型椭圆环悬挂在斜拉桅杆上。入口雨棚约16米 x 18米，由一个由中央倾斜飞桅构成的单个圆锥体组成。每个雨棚的所有膜内力均由周边钢框架承担。该框架由从主钢结构上部结构到街道两侧商铺单元的支架进行垂直和横向支撑。

这些顶篷的设计旨在遮风避雨、遮阳，同时营造明亮通风的户外环境。最终建成的结构无论从内到外都呈现出引人注目的建筑方案，其形状不仅体现了场地的滨海位置，也赋予了项目独特而易识别的形态。受力膜的总面积略超过5000平方米，用于织物、缆绳和专用钢结构的成本约为125万英镑。
Oasys 如何证明其价值
面料材质选择
采用涂有PVC涂层的聚酯纤维织物出于多种原因，包括其成本低廉以及在制造和安装过程中不易损坏。PVC-聚酯纤维织物的低剪切刚度使其能够实现圆锥形状的双曲率，且几乎不会起皱。本项目所选用的织物透光率约为8%，足以提供良好的漫射日光。PVC涂层在织物的整个使用寿命期间均具有出色的防水性，预计使用寿命将超过15年。PVC涂层聚酯纤维织物的防火性能众所周知：该材料会在火焰中退缩，从而使顶篷能够自行通风。

道尔顿公园的织物顶篷边缘采用钢制边缘索、膜板以及在环和拱处与圆形空心钢型材的连续连接等多种方式支撑。膜板将织物固定在两块用螺栓固定在一起的钢板之间，并在底板上焊接短段钢管，以便于与边缘索连接。通过这些管内的螺纹螺柱端子可调节边缘缆线的长度。由于这些区域可能出现应力集中，因此使用了一层织物加固层。同样，在圆锥体的顶环周围使用焊接双层织物，以根据需要增强膜的强度。

在外部荷载作用下，织物结构预计会发生相对较大的挠度和旋转，这可以通过膜板和周边框架之间的不锈钢连接件来调节。这些连接件允许进行现场调整和公差，或用于将来的重新张紧。膜本身在荷载作用下会发生显著的挠度，在极端风力条件下，面板中部的预计位移有时会超过 500 毫米。典型的适用性考虑因素包括膜的暂时应力释放或织物表面翻转的可能性。
结构分析
Stress distribution in entrance canopy using GSA fabric tools
确定最小表面形状（找形）和荷载下的大位移行为需要非线性有限元分析。道尔顿公园雨棚采用了 GSA 有限元软件和 GSRelax 非线性求解器。该软件基于动态松弛算法和恒定应变三角形公式。对结构上的风荷载和雪荷载的分析——结合设计师的经验——决定了维持膜张力所需的预应力水平。对于屋顶较平坦的区域（例如主雨棚上的圆锥体之间），必须确保织物形状得以维持并且不会发生雨水或融雪的积水。为了达到这些标准，道尔顿公园的标称目标预应力为：主雨棚 1.5kN/m，关节空间 3kN/m，入口雨棚 2kN/m，以反映不同的雨棚几何形状。将预应力引起的织物拉伸应力和剪切应力与适当的雪荷载和风荷载组合相结合，以检查织物强度并为支撑电缆和钢结构的设计提供荷载。
安装
织物膜表面必须细分为可从扁平织物卷上切割下来的面板。随后，这些面板在受控环境中焊接在一起，形成完整的顶篷，以便运往现场安装。在预应力过程中，膜的性能表现为高度非线性，经纱和纬纱之间会发生复杂的相互作用。因此，必须对织物面板进行补偿，以确保预应力施加后，它们具有适合屋顶几何形状的正确尺寸。

道尔顿公园的每个顶篷，织物面板都经过切割、焊接并作为一个整体运往现场。织物膜在现场铺设，并固定在飞杆和边缘缆索上。每个顶篷都使用多达四台起重机单独吊装到位。然后将顶篷的边缘固定回主钢结构上，并在顶篷从起重机上卸下之前安装支撑飞杆的杆。每个飞杆都用千斤顶顶起，以在织物和缆索/杆中达到所需的预应力。所有顶篷的安装大约耗时一个月。在此期间，强风带来的动态荷载有效地“调节”了织物，消除了大部分初始蠕变。
结论
与传统屋顶结构相比，织物的非线性行为、大位移以及利用膜作用抵抗荷载，需要一种截然不同的结构设计方法。

织物结构需要经验丰富的设计师、GSA Fabric 等专业软件以及经验丰富的承包商，才能将项目从建筑师的草图转化为现实。复杂的设计流程最终呈现出一种看似简单、轻巧而优雅的结构。

参考文献
Bridgens, B.N., Gosling, P.D., Birchall, M.J.S., “张拉膜结构：概念、实践与发展”，《结构工程师》，2004年7月20日，第21-27页
Birchall, M., “膜结构”，Oasys用户组会议 2005
客户：伦敦和阿姆斯特丹发展公司
建筑师：Napper Architects
膜结构顶篷和支撑钢结构设计：Arup
主承包商：Ballast Construction
膜结构、缆索和专用钢结构分包商：Architen-Landrell Associates
膜结构制造商：Verseidag
有任何疑问？欢迎留言与我们联系，我们的工程师将尽快回复您。
  • 姓名
  • 电话（微信）
  • 单位
  • 内容
  • 验证码
提交