膜結構的設計主要包括形態確定,荷載分析,裁剪分析。
1形態確定
1.形狀確定的概念
膜結構的形狀確定問題就是確定初始狀態的問題，在許多專著上被稱為“找形”（FormFinding）。膜結構的形狀確定問題有兩種類型：
（1）給定預應力分布的形狀確定問題：預先假定膜結構中應力的分布情況，在根據受力合理或經濟原則進行分析計算，以得到膜的初始幾何狀態。
（2）給定幾何邊界條件的形狀確定問題：預先確定膜結構的幾何邊界條件，然後計算分析預應力分布和空間形狀。
肥皂泡就是最合理的自然找形的膜結構。最初的找形正是通過皂膜比擬來進行，後來發展到用其他彈性材料做模型，通過測量模型的空間坐標來確定形狀，對於簡單的外形也可以用幾何分析法來確定，膜結構找形技術的真正發展來自計算機有限元分析方法的發展。為了尋求膜結構的合理的幾何外形，需要通過計算機的多次疊代才能得到。
2.常用的計算機找形方法：
（1）力密度法索網結構中拉力與索長度的比值定義為力密度（ForceDensity）。力密度法（ForceDensityMethod）是由Linkwitz及Schek提出來的，原先只是用於索網結構的找形，將膜離散為等代索網，後來，該方法被用於膜結構的找形。把等代為索的膜結構看成是由索段通過結點相連而成，通過指定索段的力密度，建立並求解結點的平衡方程，可得各自由結點的坐標。
不同的力密度值，對應不同的外形。當外形符合要求時，由相應的力密度即可求得相應的預應力分布值。力密度法也可以用於求解最小曲面，最小曲面時膜內應力處處相等，肥皂膜就是最好的最小曲面的例子。實際上的最小曲面無法用計算機數值計算方法得到，所以工程上常採用指定誤差來得到可接受的較小曲面。
力密度法的優點是只需求解線性方程組，其精度一般能滿足工程要求。用力密度法找形的軟體有德國EASY（EasyForm）、義大利Forten32、新加坡WinFabric等。
（2）動力鬆弛法
動力鬆弛法（DynamicRelaxationMethod）是一種專門求解非線性系統平衡狀態的數值方法，他可以從任意假定的不平衡狀態開始疊代得到平衡狀態，最早將這種方法用於索網結構的是Day和Bunce，而Barnes則成功地套用於膜結構的找形。
力密度法只是從空間上將膜離散化，而動力鬆弛法從空間和時間兩方面將膜結構體系離散化。空間上的離散化是將結構體系離散為單元和結點，並假定其質量集中於結點上。時間上的離散化，是針對結點的振動過程而言的。初始狀態的結點在激振力作用下開始振動，這時跟蹤體系的動能；當體系的動能達到極值時，將結點速度設定為零，跟蹤過程重新開始，直到不平衡力為極小，達到新的平衡為止。
動力鬆弛法最大特點是疊代過程中不需要形成剛度矩陣，節約了剛度矩陣的形成和分解時間，並可在計算過程中修改結構的拓撲和邊界條件，該方法用於求解給定邊界條件下的平衡曲面。其缺點是疊代步驟往往很多。用動力鬆弛法找形的軟體有英國InTENS、新加坡WinFabric、英國Suface等。
（3）有限單元法
有限單元法（FiniteElementMethod）最初是用來計算索網結構的非線性疊代方法，但現在已成為較普遍的索膜結構找形方法。其基本算法有兩種，即從初始幾何開始疊代和從平面狀態開始疊代。顯然，從初始幾何開始疊代找形要比從平面狀態開始來得有效，且所選用的初始幾何越是接近平衡狀態，計算收斂越快，但初始幾何的選擇並非容易之事。兩種算法中均需要給定初始預應力的分布及數值。在用有限元法找形時，通常採用小楊氏模量或者乾脆略去剛度矩陣中的線性部分，外荷載在此階段也忽略。
有限元疊代過程中，單元的應力將發生改變。求得的形狀除了要滿足平衡外，還希望應力分布均勻，大小合適，以保證結構具有足夠的剛度。因此，找形過程中還有個曲面病態判別和修改的問題，或者叫形態最佳化（包括幾何形態最佳化、應力形態最佳化和剛度形態最佳化等）。用有限元法找形的軟體有澳大利亞FABDES等。
經過找形確定的結構初始形狀滿足了初應力平衡條件並達到預想的形狀，但其是否滿足使用的要求，還必須進行荷載效應分析。
2荷載分析
1.荷載分析的內容和方法膜結構的荷載分析是在形狀分析所得到的外形與初始應力分布的基礎上進行的，檢查結構在各種荷載組合下的強度、剛度是否滿足預定要求的過程。
膜結構的找形有不同的理論方法，但荷載分析基本上都採用非線性有限元法（NonlinearFiniteElementMethod），即將結構離散為單元和結點，單元與單元通過結點相連，外荷載作用在結點上，通過建立結點的平衡方程，獲得求解。
由於索膜結構是大變形問題，在推導有限元方程時，需考慮位移高階項對應變的影響，即考慮幾何非線性。當然，膜材本身也是非線性的，在工程套用上時，材料的非線性問題一般不予考慮。
2.風荷載作用
膜結構區別於傳統結構的兩個顯著特點是輕和柔。輕，意味著結構自身重量和慣性力小，自重不是主要荷載，地震力可以忽略不計，而風是主要荷載；柔，意味著結構無抗彎剛度，結構對外荷載的抵抗是通過形狀改變來實現的，表現出幾何非線性特徵。膜結構的特點決定了膜結構是風敏感結構，抗風設計在膜結構設計中處於主要地位。
膜結構輕、柔、飄的顯著特點決定了膜結構抗風計算的內容也有自身特點。
（1）靜風壓體型係數的確定
風荷載體型係數是描述風壓在結構上不均勻特徵的重要參數，一般結構的體形係數可以從荷載規範查得。但膜結構形狀各異，不能從荷載規範直接獲得風壓體型係數。所以，較大的膜結構基本都要求進行風洞試驗，以獲得比較正確的膜結構的局部風壓淨壓係數和平均風載體形係數。由於風洞試驗要滿足一系列的相似準則，如幾何相似、雷諾數相似等，通常要完全滿足這些相似條件是不可能的，因此風洞模擬實驗結果有時會超過實測值很多。
（2）脈動風壓係數的確定
膜結構在荷載作用下的位移較大，結構位形的變化會對其周圍風場產生影響，所以膜結構的風動力回響過程是流固耦合過程。這種動力過程的風洞試驗必須採用氣動彈性模型，因此實現起來技術難度較大。近年來發展的“數值風洞”技術受到越來越多的重視。這種技術簡單的說就是將計算流體力學（CFD）和計算結構力學（CSD）技術結合起來，用計算流體力學來模擬結構周圍的風場，用計算結構力學來模擬膜結構，再藉助某些參數的傳遞來實現兩者之間的耦合作用，不過，該方法還處試驗階段。
（3）風振動力分析
風力可分成平均風和脈動風兩部分。平均風的周期較長，其對結構的作用性質相當於靜力。脈動風的周期較短，其對結構的作用為動力性質。當結構的剛度較小，自振頻率較低時，在脈動風荷載的作用下可能產生較大的變形和振動，所以在設計索膜這類小剛度結構時，應進行風振動力計算。索膜結構具有振型頻譜密集、非線性特徵和三維效應不可忽略等特點，針對高層和橋樑結構的風振分析方法不能直接套用。索膜結構的回響與荷載呈非線性關係，對於索膜結構定義荷載風振係數或陣風係數在理論上也是不正確的。
（4）空氣動力失穩
膜結構是風敏感結構，存在空氣動力失穩（AerodynamicInstability）的問題。從本質上看，結構空氣彈失穩是由於結構在振動過程中從與氣流的振型耦合中吸收能量，當吸收能量大於耗散能量時，就會產生能量累積，當這種能量累積達到某一閥值（臨界風速）後，結構就會從一種低能量（穩定）的振動形式躍遷到另一種高能量（不穩定）的振動形式上去。所以，膜結構存在設計風速作用下的動力失穩問題，幸運的是至今還沒有這方面破壞的膜結構實例。
3.膜面褶皺問題
結構上的褶皺（Drape）是指因膜面在一個方向上出現壓應力導致膜材屈服而產生的褶皺現象，而結構鬆弛是指膜面在兩個方向上都呈現無張力狀態，故鬆弛的膜面不能承受任何荷載。
褶皺判別的兩種方法：（設拉為正、壓為負）
（1）應力準則：若主應力σ2>0，膜元是張緊的；若σ2<0且σ2>0，膜元是褶皺的；若σ1<0，單元是鬆弛的。
（2）應變準則：若ε2>0，膜元是張緊的；若ε2<0且ε1>0，膜元是褶皺的；若ε1<0，單元是鬆弛的。
在荷載分析中，在每一荷載增量步中對所有的單元進行逐一判別，如發現褶皺單元，可按以下方法處理：
（1）修改單元剛度：減小褶皺單元對結構總體剛度的貢獻，即修改褶皺單元的剛度矩陣，從而減小自身的實際荷載分擔，結果是增加了相臨單元的負擔。
（2）修改結構剛度：回到找形階段，對曲面進行修正，即通過修改局部區域的邊界條件或調整預應力的方法來修正結構的剛度。
常用的膜結構幾何非線性荷載分析軟體有：美國ANSYS，德國EASY（EasyScan）、義大利Forten32、新加坡WinFabric，英國InTENS等等。
3裁剪分析
1.裁剪分析的內容
裁剪分析，就是將由找形得到並經荷載分析覆核的空間曲面，轉換成無應力的平面下料圖。裁剪分析包含三個步驟：
（1）空間膜面剖分成空間膜條
膜結構是通過結構來表現造型，空間膜面在剖分成膜條時，要充分考慮膜條的邊線即熱合縫對美觀的影響；同時膜材是正交異性材料，為使其受力性能最佳，應保證織物的經、緯方向與曲面上的主應力方向儘可能一致；此外，用料最省、縫線最短，也是進行膜面剖分必須考慮的因素。
（2）空間膜條展開成平面膜片
空間膜條展開成平面膜片，即將膜條的三維數據轉化成相應的二維數據，採用幾何方法，簡單可行。但如果膜條本身是個不可展曲面，就得將膜條再剖分成多個單元，採用適當的方法將其展開。此展開過程是近似的，為保證相鄰單元拼接協調，展開時要使得單元邊長的變化為極小。
（3）應力狀態轉化到無應力狀態
從應力狀態到無應力狀態的轉化，即釋放預應力、進行應變補償。膜結構是在預應力狀態下工作的，而平面膜材的下料是在無應力狀態下進行的，為確定膜材的下料圖，需對膜片釋放預應力，並進行應變補償。這裡的補償實際上是縮減，在此基礎上加上熱合縫的寬度，即可得膜材的下料圖。上述過程，即為裁剪分析。
2.測地線裁剪法
裁剪分析與找形技術的產生及發展過程極為相似，都是從測量實物模型開始的，對於簡單規則的可展曲面，可直接利用幾何方法將其展開。現代概念上的裁剪分析，主要還是依賴於計算機技術的發展而發展的。在此過程中，產生了許多方法，如測地線法、有限元法、最佳化分析法，等等。下面介紹被廣泛套用的測地線法（GeodesicLineMethod）。測地線又稱短程線，是大地測量學的概念，其通常被理解為：經過曲面上兩點並存在於曲面上的最短的曲線。所以用測地線作裁剪分析，就是以測地線來剖分空間膜面。這樣做的好處是熱合縫最短、用料較省，但熱合縫的分布及材料經、緯方向的考慮不易把握。
求曲面上的測地線的問題，實際上是一個求曲面上兩點間曲線長度之泛函極值的問題。由於膜結構幾何外形的新奇多變，也就無法得到曲面上兩點間曲線長度的泛函的顯式，所以通常是求極值確定測地線上的若干點，再用線性插值的方法求中間點，從而求得測地線。
有了測地線就可以確定裁剪線：直接以測地線為裁剪線或從一條測地線向另一條測地線作垂線，以垂線中點的連線作為裁剪線。
3.應變補償
膜結構是在預張力作用下工作的，而膜材的裁剪下料是在無應力狀態下進行的，因而在確定裁剪式樣時，有一個對膜材釋放預應力、進行應變補償的問題。影響膜材應變補償率的因素可歸納為以下幾個方面：
（1）膜面的預應力值及膜材的彈性模量和泊松比，這是影回響變補償率的最直接因素。
（2）主應力方向與膜材經、緯向纖維間的夾角，這一問題變的重要是因為膜材是正交異性材料。
（3）熱合縫及補強層，熱合縫及補強層的性能不同於單層膜，其應變補償應區別對待。
（4）環境溫度及材料的熱應變性能，尤其是雙層膜結構環境溫度相差較大時，要特別注意。
在荷載分析中，在每一荷載增量步中對所有的單元進行逐一判別，如發現褶皺單元，可按以下方法處理：
（1）修改單元剛度：減小褶皺單元對結構總體剛度的貢獻，即修改褶皺單元的剛度矩陣，從而減小自身的實際荷載分擔，結果是增加了相臨單元的負擔。
（2）修改結構剛度：回到找形階段，對曲面進行修正，即通過修改局部區域的邊界條件或調整預應力的方法來修正結構的剛度。
常用的膜結構幾何非線性荷載分析軟體有：美國ANSYS，德國EASY（EasyScan）、義大利Forten32、新加坡WinFabric，英國InTENS等等。
