異形高空反裝骨架支撐式膜結(jié)構(gòu)施工技術(shù)

李逢春 王 勝 韓 秀 張雪瑩 李巧麗

1. 青建集團(tuán)股份公司 山東 青島 266011;

2. 青島建設(shè)集團(tuán)股份有限公司 山東 青島 266071

大面積反裝骨架支撐式膜結(jié)構(gòu)施工方式較為少見，技術(shù)人員經(jīng)過策劃研究，采用了卷揚(yáng)機(jī)和滑輪組進(jìn)行龍骨和膜結(jié)構(gòu)的吊裝，不僅占用工作面小，在大范圍吊裝時(shí)地面特殊造型處也可保證膜面正常吊裝。另外，采用了雙控分次張拉膜面的方式進(jìn)行張拉，并采用新型膜邊鋁型材，解決了新型PTFE膜材張拉難度高的施工難題。

1 工程概況

背景工程位于山東省青島市紅島開發(fā)區(qū)，是紅島地區(qū)的標(biāo)志性建筑，為青島承接國際性大型展會(huì)做準(zhǔn)備，是目前山東省內(nèi)最大的展覽中心。該工程由2座辦公樓、2個(gè)大型展廳和登錄大廳5部分組成。登錄大廳的上部為鋼結(jié)構(gòu)金屬屋面，吊頂是骨架支撐式膜結(jié)構(gòu)，鋼結(jié)構(gòu)屋面頂標(biāo)高為38.8 m，鋼結(jié)構(gòu)底標(biāo)高27.8 m。膜結(jié)構(gòu)的鋼龍骨質(zhì)量約700 t，膜結(jié)構(gòu)由約15 095.2 m2PTFE外膜和約12 706.2 m2內(nèi)膜2部分構(gòu)成（圖1），均為反裝膜結(jié)構(gòu)，為國內(nèi)面積最大的反裝膜結(jié)構(gòu)工程。

圖1 反裝骨架支撐式膜結(jié)構(gòu)效果圖

2 安裝方案選擇

該登錄大廳工程吊頂施工的工期緊、交叉作業(yè)多，針對此種情況，項(xiàng)目對膜結(jié)構(gòu)單元體劃分、龍骨單元拼裝吊裝、膜單元吊裝與張拉等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了深入研究，經(jīng)過多種吊裝、提升方法對比，并結(jié)合施工現(xiàn)場條件，最終決定選用卷揚(yáng)機(jī)、滑輪、倒鏈等起重機(jī)具進(jìn)行內(nèi)膜單元吊裝，通過位移和受力兩方面對膜面張拉進(jìn)行監(jiān)控，該施工方法非常少見[1-3]。該施工方案既保證了施工質(zhì)量及工期，又具備良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

2.1 膜結(jié)構(gòu)施工分析

整個(gè)結(jié)構(gòu)區(qū)域分為5個(gè)區(qū)，1個(gè)室內(nèi)內(nèi)膜區(qū)，4個(gè)室外外膜區(qū)，內(nèi)膜區(qū)又分7個(gè)單獨(dú)區(qū)域，每個(gè)結(jié)構(gòu)單元完全相同，如圖2、圖3所示。

圖2 內(nèi)、外膜分界線示意

圖3 內(nèi)膜分區(qū)示意

主要節(jié)點(diǎn)形式：骨架支撐式膜結(jié)構(gòu)膜面固定在支撐龍骨上，支撐龍骨通過高強(qiáng)螺栓或者焊接固定在屋面的主鋼結(jié)構(gòu)上（圖4）。主鋼結(jié)構(gòu)上連接支撐龍骨的耳板應(yīng)在主結(jié)構(gòu)工廠加工時(shí)同步加工，如加工廠未能同步加工，主鋼結(jié)構(gòu)安裝完成后，連接耳板應(yīng)采用抱箍形式（圖5）與主結(jié)構(gòu)牢固連接。

圖4 龍骨與主結(jié)構(gòu)耳板連接

圖5 龍骨與主結(jié)構(gòu)抱箍連接

2.2 單元龍骨吊裝方法分析

內(nèi)膜鋼龍骨吊裝中，拼裝后的最重龍骨單元質(zhì)量為18 t，采用滑輪組以后，2個(gè)卷揚(yáng)機(jī)起重的最大質(zhì)量為20 t，卷揚(yáng)機(jī)布置在東西兩側(cè)的柱腳平臺(tái)上，滿足吊裝要求（圖6）。外膜龍骨的安裝中，南北兩側(cè)的構(gòu)件可采用汽車吊吊裝，與卷揚(yáng)機(jī)吊裝互不影響，可加快施工進(jìn)度。起重高度為38.778 m，最重構(gòu)件質(zhì)量為6 t，距離汽車吊9 m，70 t汽車吊全臂長42 m工作幅度在9 m內(nèi)的最大吊重為9.2 t，滿足吊裝要求。

圖6 卷揚(yáng)機(jī)平面位置

2.3 膜面選材分析

膜結(jié)構(gòu)有多種表現(xiàn)形式：張拉式膜結(jié)構(gòu)、骨架支撐式膜結(jié)構(gòu)、索具支撐式膜結(jié)構(gòu)與空氣支承式膜結(jié)構(gòu)，或由以上形式混合組成的結(jié)構(gòu)。本工程中采用的是骨架支撐式反裝膜結(jié)構(gòu)，由鋼構(gòu)件或其他剛性結(jié)構(gòu)作為承重骨架，通過骨架塑造復(fù)雜的異形膜結(jié)構(gòu)，安裝形式是自下向上反向吊裝。首要問題是選材，本項(xiàng)目根據(jù)建筑所在位置的環(huán)境條件及工藝所需的張拉應(yīng)力，計(jì)算出室內(nèi)膜面最不利荷載效應(yīng)組合下，經(jīng)向、緯向最大應(yīng)力，確定了內(nèi)膜單元膜面的經(jīng)向每拉伸5 cm所需力應(yīng)大于900 N，緯向拉伸每5 cm所需力應(yīng)大于1 272.5 N；相較于室內(nèi)膜面，室外膜面還需考慮風(fēng)荷載工況，經(jīng)計(jì)算，單元膜面的經(jīng)向每拉伸5 cm所需力應(yīng)大于950 N，緯向每拉伸5 cm所需力應(yīng)大于2 116.3 N。外膜所需的抗拉強(qiáng)度接近內(nèi)膜的2倍，為滿足受力、防火等級(jí)及使用年限的要求，內(nèi)外膜均選用PTFE膜材，外膜選用進(jìn)口材料。

3 工藝流程

單元龍骨吊裝工藝流程為：場地平整、設(shè)置支撐→拼裝單元龍骨→焊接吊點(diǎn)→設(shè)置卷揚(yáng)機(jī)→設(shè)置滑輪組→吊裝單元龍骨→單元龍骨安裝固定。單元膜面吊裝工藝流程為：手拉葫蘆及膜擱置支架安裝→膜就位于展開位置→將膜對應(yīng)著龍骨四角展開→布置膜上防風(fēng)繩→設(shè)置鋁型材和張拉螺栓→用卡具夾緊鋁型材→膜面高空吊裝→膜周邊臨時(shí)固定→膜周邊固定→多次張拉調(diào)整。

4 操作要點(diǎn)

4.1 測量控制

單元龍骨拼裝測量：通過三維模型轉(zhuǎn)換地面拼裝坐標(biāo)，每片拼裝前調(diào)整標(biāo)高，核實(shí)無誤后進(jìn)行拼裝，確保拼裝的精度；設(shè)置多個(gè)測量控制點(diǎn)，且控制點(diǎn)宜設(shè)置在主體結(jié)構(gòu)以外，防止主體結(jié)構(gòu)沉降徐變等對測量精度產(chǎn)生影響；根據(jù)設(shè)計(jì)要求，每塊獨(dú)立膜單元在鋼龍骨現(xiàn)場拼裝完成后，都要測量，并將整理好的實(shí)際模型提供給公司設(shè)計(jì)師，按照實(shí)際測量設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)膜材。

標(biāo)高控制測量：為了保證鋼結(jié)構(gòu)現(xiàn)場拼裝及吊裝的要求，標(biāo)高控制網(wǎng)使用土建提供的高程控制網(wǎng)的基準(zhǔn)點(diǎn)，在安裝區(qū)域每隔10 m布置一個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)，形成一個(gè)閉合的網(wǎng)狀水準(zhǔn)線路，每次使用前都要對其標(biāo)高復(fù)測檢查，以提高測量的精度。標(biāo)高控制網(wǎng)設(shè)在±0 m頂板上，并保證在鋼結(jié)構(gòu)安裝期間相互可以通視。

4.2 單元龍骨吊裝

4.2.1 單元鋼龍骨拼裝

首先，將單元龍骨在地面進(jìn)行拼裝，拼裝時(shí)借助鋼支撐進(jìn)行定位。設(shè)置支撐前需要先平整場地，測放桿件連接的節(jié)點(diǎn)位置。支撐之間要采取鋼構(gòu)件進(jìn)行固定，防止出現(xiàn)變形。之后，按照主龍骨、中間龍骨、吊點(diǎn)處臨時(shí)支撐、吊點(diǎn)的順序依次焊接單元龍骨，注意臨時(shí)支撐僅在吊點(diǎn)鋼梁處設(shè)置。需要注意的是，拼裝時(shí)應(yīng)設(shè)置監(jiān)測點(diǎn)，為保證測量精度，對關(guān)鍵部位要提高精度，拼裝結(jié)束后，要對拼裝體的幾何尺寸進(jìn)行驗(yàn)收測量，為吊裝提供依據(jù)。

4.2.2 單元龍骨吊裝施工

1）內(nèi)膜龍骨單元的吊裝（圖7）：滑輪①與事先預(yù)埋好的地錨相連，滑輪②、③與原鋼結(jié)構(gòu)上焊接的吊耳（吊耳位置通過測量放樣后焊接）相連。為了吊裝方便，將滑輪③和滑輪④組成簡易滑輪組。龍骨單元在地面拼裝后，在預(yù)先計(jì)算好的吊點(diǎn)位置焊接吊耳。用鋼絲繩連接龍骨單元上的吊耳和滑輪④，通過同時(shí)啟動(dòng)2臺(tái)卷揚(yáng)機(jī)來提升小拼單元的高度。

圖7 內(nèi)膜龍骨單元吊裝示意

2）外膜東、西兩側(cè)龍骨單元的吊裝（圖8）：滑輪①與預(yù)先預(yù)埋好的地錨相連，滑輪②、③、④、⑤與原鋼結(jié)構(gòu)上焊接的吊耳（吊耳位置通過測量放樣后焊接）相連。為了吊裝方便，將滑輪⑤和滑輪⑥組成簡易滑輪組。龍骨單元拼裝完成后在預(yù)先計(jì)算好的吊點(diǎn)位置焊接吊耳。用鋼絲繩連接龍骨單元上的吊耳和滑輪⑥，通過啟動(dòng)2臺(tái)卷揚(yáng)機(jī)來提升小拼單元的高度。

圖8 外膜東、西兩側(cè)龍骨單元吊裝示意

4.3 膜面張拉施工

4.3.1 膜面吊裝

膜面展開：首先找出鋼龍骨的中心位置，膜布直接運(yùn)輸?shù)絾卧擙埞窍路竭M(jìn)行展開，展開方向應(yīng)與單元鋼龍骨同方向，減少二次搬運(yùn)。展開后，膜面邊界四周穿上鋁型材，并按照龍骨邊界處螺栓孔數(shù)量，在鋁型材上設(shè)置張拉螺桿，后在膜的適當(dāng)位置安裝工裝夾板。

膜單元吊裝就位：用卷揚(yáng)機(jī)將膜吊到龍骨對應(yīng)位置，與已經(jīng)掛好的手拉葫蘆固定。通過大繩牽引膜面，膜面吊至安裝位置，兩側(cè)工人用繩索拉緊夾具，抖動(dòng)膜面，輔助膜面的牽引。

4.3.2 膜面的固定

首先進(jìn)行臨時(shí)固定，本工程膜結(jié)構(gòu)形式為骨架支撐式膜結(jié)構(gòu)，膜面直接固定在鋼龍骨上，膜單元吊裝基本就位后，用事先布置好的手拉葫蘆、專用夾具和邊界螺栓將膜邊臨時(shí)固定在龍骨上。之后，膜面安裝固定的過程也是張拉的過程，通過手拉葫蘆和邊界螺栓進(jìn)行膜邊固定、張拉，在初始階段張拉時(shí)位移較大，主要采用手拉葫蘆進(jìn)行張拉，張拉后期位移較小，采用螺桿或緊線器張拉調(diào)整，就位后將拉桿與鋼龍骨之間的螺栓固定好，確保膜材張力之后，將手拉葫蘆卸載，膜面張拉、固定完成。

4.3.3 膜面張拉工藝

本工程使用的是新型PTFE膜材，這種膜材有較好的焊接性能，有優(yōu)良的抗紫外線、抗老化和阻燃性能。另外，其防污自潔性是所有建筑膜材中最好的，但柔韌性差，施工較困難。針對此問題，項(xiàng)目技術(shù)人員決定采取多次張拉成形，從位移和拉力兩方面對膜面張拉過程進(jìn)行控制的施工工藝，防止造成破壞。

本項(xiàng)目的膜結(jié)構(gòu)經(jīng)緯方向一般均勻張拉3次才完成，經(jīng)建模計(jì)算，第1次張拉設(shè)計(jì)值為膜邊距鋼龍骨10 cm，第2次張拉設(shè)計(jì)值為膜邊距鋼龍骨約8 cm，第3次張拉設(shè)計(jì)值為膜邊距鋼龍骨5 cm，同時(shí)通過緊線器對膜面周邊進(jìn)行拉力檢測，防止將膜面拉裂。在正常天氣情況下第1次張拉與第2次張拉間隔30～60 min，持續(xù)一段時(shí)間（約2 h）膜面應(yīng)力基本平衡后，再進(jìn)行第3次張拉并固定膜面。

張拉過程中時(shí)刻對膜邊張拉位置和橫向、縱向熱合線的尺寸進(jìn)行測量，同時(shí)與設(shè)計(jì)理論尺寸進(jìn)行比較，以判定膜張力，通過每次張拉位移控制保證膜單元受力均勻，避免張力不足或超張拉。

5 結(jié)語

背景項(xiàng)目的應(yīng)用證明，滑輪組吊裝施工工藝主要特點(diǎn)是占用工作面小，并可為多個(gè)單元龍骨在地面同時(shí)拼裝提供工作面，使流水作業(yè)更為順暢，其不受屋面結(jié)構(gòu)的影響，且為屋面優(yōu)先施工提供了條件，能夠有效地加快施工速度。PTFE新型膜材的張拉施工難度較高，可通過位移和拉力的雙重控制技術(shù)進(jìn)行張拉，以保障其整體受力均勻，塑造出優(yōu)美的曲面造型。

在現(xiàn)有的各類規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)中，鮮有對膜面張拉的相關(guān)介紹和對應(yīng)的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，反裝膜結(jié)構(gòu)的施工要點(diǎn)更是未見提及，且膜面張拉完成后如何對其進(jìn)行驗(yàn)收，如何判別質(zhì)量缺陷，也未尋得好的方法。希望業(yè)界同人日后對此開展進(jìn)一步的研究，并形成相關(guān)的規(guī)范。相信本文中對膜結(jié)構(gòu)張拉工藝的介紹，可為類似的膜結(jié)構(gòu)施工提供幫助，促進(jìn)新型綠色膜材的推廣和應(yīng)用。