從設(shè)計(jì)到維護(hù)，膜結(jié)構(gòu)工程的關(guān)鍵難題與應(yīng)對

膜結(jié)構(gòu)以其獨(dú)特的造型、良好的透光性和較高的性價比，在各類建筑工程中得到廣泛應(yīng)用。然而，從設(shè)計(jì)階段到后期維護(hù)，膜結(jié)構(gòu)工程面臨諸多關(guān)鍵難題，需要專業(yè)的應(yīng)對策略。

一、設(shè)計(jì)難題與應(yīng)對

（一）形狀確定

膜結(jié)構(gòu)的找形分析是設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，不同的找形分析方法存在各自的局限。力密度法計(jì)算相對簡便，但對于復(fù)雜結(jié)構(gòu)精度欠佳。以一些造型獨(dú)特的體育場館膜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為例，當(dāng)結(jié)構(gòu)形態(tài)不規(guī)則，涉及多個曲面組合時，力密度法難以精準(zhǔn)還原設(shè)計(jì)意圖，導(dǎo)致實(shí)際建成后的結(jié)構(gòu)形態(tài)與預(yù)期有偏差。而非線性有限元法雖精度較高，但網(wǎng)格劃分難度大，一旦劃分不合理，就會出現(xiàn)網(wǎng)格畸變，使得計(jì)算難以繼續(xù)。

應(yīng)對這一難題，可采用多種找形方法結(jié)合的策略。先利用力密度法進(jìn)行初步的形態(tài)探索和方案構(gòu)思，快速確定大致的結(jié)構(gòu)形狀；再運(yùn)用非線性有限元法進(jìn)行精細(xì)化分析和優(yōu)化，通過調(diào)整網(wǎng)格劃分參數(shù)，如加密關(guān)鍵部位網(wǎng)格，提高計(jì)算精度，確保膜結(jié)構(gòu)形狀既能滿足建筑美觀需求，又符合力學(xué)性能要求。

（二）荷載分析

膜結(jié)構(gòu)主要承受風(fēng)載和雪載，其大變形特性使荷載分布復(fù)雜。在強(qiáng)風(fēng)作用下，膜面會產(chǎn)生較大的位移和變形，這種變形反過來又會改變風(fēng)荷載的分布情況。同時，風(fēng)荷載分析涉及流體 - 固體兩個物理域，在進(jìn)行數(shù)值模擬時，幾何建模和有限元網(wǎng)格生成的技術(shù)門檻較高。例如，在沿海地區(qū)的膜結(jié)構(gòu)建筑，由于海風(fēng)的不穩(wěn)定性和強(qiáng)腐蝕性，風(fēng)荷載分析難度更大。

為準(zhǔn)確進(jìn)行荷載分析，可借助先進(jìn)的計(jì)算流體力學(xué)（CFD）軟件與結(jié)構(gòu)分析軟件的耦合。CFD軟件負(fù)責(zé)模擬風(fēng)場，計(jì)算膜結(jié)構(gòu)表面的風(fēng)壓力分布；結(jié)構(gòu)分析軟件則根據(jù)風(fēng)壓力和雪荷載等，計(jì)算膜結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)。通過兩者的協(xié)同工作，考慮結(jié)構(gòu)變形與荷載分布的相互影響，提高荷載分析的準(zhǔn)確性。同時，在建模過程中，要充分考慮膜結(jié)構(gòu)的實(shí)際邊界條件和周圍地形地貌對風(fēng)場的影響。

（三）裁剪分析

將二維膜材裁剪并張拉成三維空間曲面是膜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)裁剪分析方法依賴有限元網(wǎng)格，若裁剪線不合理地將單元分成兩半，就需要重新劃分網(wǎng)格，這不僅增加了工作量，還可能引入誤差。比如在一些大型商業(yè)綜合體的膜結(jié)構(gòu)雨棚設(shè)計(jì)中，復(fù)雜的曲面形狀使得裁剪分析難度增大。

針對裁剪分析問題，可采用基于等幾何分析（IGA）的裁剪方法。IGA方法以NURBS（非均勻有理B樣條）曲線和曲面作為幾何模型與分析模型的統(tǒng)一表達(dá)，避免了傳統(tǒng)有限元方法中幾何模型與分析模型轉(zhuǎn)換帶來的誤差。通過IGA方法，可以更精確地進(jìn)行膜材裁剪分析，減少裁剪過程中的材料浪費(fèi)，提高施工效率和膜結(jié)構(gòu)的成型質(zhì)量。

二、施工難題與應(yīng)對

（一）構(gòu)件安裝

在膜結(jié)構(gòu)施工中，構(gòu)件安裝問題時有發(fā)生。鋼材安裝連接點(diǎn)不按規(guī)范固定在預(yù)埋板耳板上，而是錯誤地固定在砌體上并用水泥釘加固，這嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。鋼柱安裝違反操作規(guī)程，如未進(jìn)行垂直度校正就匆忙固定，可能導(dǎo)致整個膜結(jié)構(gòu)出現(xiàn)傾斜。錨固螺栓安裝常見露牙不足、螺栓未擰緊等問題，降低了結(jié)構(gòu)的連接強(qiáng)度?，F(xiàn)場焊縫質(zhì)量問題也不容忽視，如鋼性銜接襯墊的焊縫空隙過小，無法焊透，影響焊接強(qiáng)度。

為確保構(gòu)件安裝質(zhì)量，施工前要對施工人員進(jìn)行嚴(yán)格的技術(shù)交底，使其熟悉安裝規(guī)范和操作規(guī)程。加強(qiáng)對原材料和構(gòu)配件的進(jìn)場檢驗(yàn)，確保其質(zhì)量符合設(shè)計(jì)要求。在安裝過程中，使用專業(yè)的測量儀器，如全站儀、水準(zhǔn)儀等，對鋼柱垂直度、錨固螺栓位置等進(jìn)行精確測量和校正。同時，加強(qiáng)對現(xiàn)場焊接作業(yè)的質(zhì)量控制，嚴(yán)格按照焊接工藝評定確定的參數(shù)進(jìn)行焊接，安排專業(yè)的質(zhì)量檢驗(yàn)人員對焊縫進(jìn)行探傷檢測。

（二）膜材張拉

膜材張拉是膜結(jié)構(gòu)施工的核心環(huán)節(jié)，張拉位置不準(zhǔn)確會導(dǎo)致膜面出現(xiàn)褶皺，影響美觀和結(jié)構(gòu)性能。例如，在一些景觀膜結(jié)構(gòu)工程中，由于張拉位置偏差，膜面出現(xiàn)明顯的褶皺，不僅破壞了整體美感，還可能在褶皺處產(chǎn)生應(yīng)力集中，降低膜材的使用壽命。頂棚張拉膜施工時，若未仔細(xì)檢查膜是否完全遮住鋼構(gòu)，局部鋼構(gòu)偏差過大，后期將難以修復(fù)。

為保證膜材張拉質(zhì)量，在張拉前要制定詳細(xì)的張拉方案，明確張拉順序、張拉量和張拉設(shè)備。使用高精度的張拉設(shè)備，如電動千斤頂、測力傳感器等，確保張拉過程中拉力的精確控制。在張拉過程中，要實(shí)時監(jiān)測膜面的應(yīng)力和變形情況，通過調(diào)整張拉順序和拉力大小，使膜面應(yīng)力分布均勻，避免出現(xiàn)褶皺。同時，加強(qiáng)對膜材和鋼構(gòu)的安裝精度控制，在膜材安裝前，對鋼構(gòu)進(jìn)行全面檢查和校正，確保鋼構(gòu)的安裝精度符合要求。

三、維護(hù)難題與應(yīng)對

（一）清潔問題

膜材表面容易積累灰塵，尤其是PVC涂層的膜材，即便表面涂氟，灰塵附著問題仍難以徹底解決?；覊m積累不僅影響膜結(jié)構(gòu)的美觀，還會降低其透光性，影響室內(nèi)采光效果。在一些城市的膜結(jié)構(gòu)建筑中，由于周邊環(huán)境灰塵較大，膜面很快就變得灰暗，失去了原本的光澤。

為解決清潔問題，可根據(jù)膜材的類型和使用環(huán)境，制定定期清潔計(jì)劃。對于灰塵積累較輕的膜結(jié)構(gòu)，可采用低壓水沖洗的方式進(jìn)行清潔，使用柔軟的刷子輔助去除表面污垢。對于污垢較頑固的情況，可選用專門的膜材清潔劑，但要注意清潔劑的酸堿度，避免對膜材造成腐蝕。同時，在膜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段，可考慮設(shè)置便于清潔的構(gòu)造，如合理設(shè)置排水坡度，使雨水能夠自然沖刷膜面，減少灰塵積累。

（二）老化問題

膜材在長期使用過程中，受到紫外線、溫度變化、化學(xué)物質(zhì)等因素的影響，會逐漸出現(xiàn)老化、褪色、脆化等現(xiàn)象。例如，在戶外使用多年的膜結(jié)構(gòu)停車棚，膜材表面會出現(xiàn)明顯的褪色和裂紋，膜材的力學(xué)性能下降，影響結(jié)構(gòu)的安全性。

為延緩膜材老化，在膜材選擇階段，應(yīng)優(yōu)先選用耐候性好、抗紫外線能力強(qiáng)的膜材，如PTFE膜材。在日常維護(hù)中，定期對膜材進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)膜材表面有損傷或老化跡象時，及時進(jìn)行修復(fù)或更換。同時，可在膜材表面涂刷防護(hù)涂層，增強(qiáng)膜材的抗老化性能。另外，通過合理的建筑設(shè)計(jì)，如設(shè)置遮陽設(shè)施，減少紫外線對膜材的直接照射，也能有效延長膜材的使用壽命。

膜結(jié)構(gòu)工程從設(shè)計(jì)到維護(hù)的各個環(huán)節(jié)都面臨著不同的關(guān)鍵難題，只有深入了解這些問題，并采取科學(xué)有效的應(yīng)對策略，才能確保膜結(jié)構(gòu)工程的質(zhì)量、安全和美觀，使其在各類建筑領(lǐng)域中發(fā)揮出獨(dú)特的優(yōu)勢。