不規則膜結構在建筑工程中的應用

張玉東

（晉能控股煤業集團忻州窯礦，山西 大同 037021）

作為一種高強度的柔性薄膜材料與輔助結構的曲面膜，其通過一定的施工手段促使其內部產生一定的預張應力，形成了在應力控制下的某種空間形狀，以此形成覆蓋結構或者是建筑物的主體部分。這種結構自身所具備的剛度完全能夠抵抗外部荷載作用力。以往純直線的建筑風格模式被膜結構所打破，并且這種曲面能夠隨著設計的需求適當調整，提升建筑工程的美觀性與標志性。現階段我國通常使用半透明薄膜或者是透明的膜材，自然在色彩上稍顯不足，建筑物富有動感的造型以及生動形象的色彩難以充分的展現出來。本文以實際建筑工程為例，對大型彩色不規則曲面膜結構施工技術做出分析，以望參考。

1 工程概況

某建筑工程結構形式采用膜結構進行施工，外觀形同一個彩色的蝴蝶，其膜結構展開的整體面積7000m2，整體成33個膜單元，最大的膜單元面積超過310m2。最大的懸梁挑約52m。整體屋面采用索網強膜結構系統，系統整體由鋼結構骨架、膜以及索網組成，整體蝴蝶型的動感與顏色呈現更加完美。

2 工程技術難點

為了充分保障建筑整體蝴蝶形狀的色彩以及色彩效果的更加的形象與生動，因此建筑整體設計為6種不同的膜材與顏色。這種設計方式在整個建筑業界還屬于第一次。不同的顏色膜材之間的搭接為曲線模式，并且不在索網或者是鋼結構的邊界上。但是這種設計方式會導致整體的施工難度加大，若在施工的過程中出現任何的偏差都會造成價格昂貴及材料損耗的情況發生。

工程鋼索整體貫穿于膜的索套中，而索套的凈空相對較小，每榀鋼桁架上的索及膜鋼構件均與相鄰桁架鋼構件有準確的對應關系，稍有偏差鋼索即會偏離于索套之外。

該工程的膜材展開整體面積多達7000m2，分為33個膜單元，單元膜面積最大的310m2。在進行施工的過程中需要進行高空作業，因此有較高的操作難度，風險相對較高。并且，在施工的過程中若出現風雨天氣，還需要重新的設計施工方案。

3 膜結構深化設計

3.1 膜單元的分割

在開展實際施工的過程中需要在高空開展整體膜結構，但是由于建筑整體的展開面積相對較大，因此施工難度較大。因此，需要參照膜結構的形狀以及顏色進行區域的分割，整體結構被分割成若干個單元。隨后，按照形狀以及顏色等變化進行分割后膜單元的安裝，以此能夠保障施工連接的準確性，設計目標得以充分實現。

3.2 節點優化設計

若按照傳統的優化方式進行設計則會出現一些問題：首先是在按索間距布置在鋼索后結節中的螺旋桿鎖頭必然會出現十分明顯的碰撞[1]；其次，是單元膜邊界并不能調節，安裝過程中存在的誤差難以消除。

優化節點的設計之后，鋼索采用雙叉耳索頭的方式進行設計，傳統設計過程中鋼索索頭出現碰撞的問題能夠得到有效的避免；同時膜邊界采用張拉螺桿的方式進行設置，促使傳統安裝施工過程中存在的誤差能夠得到有效的縮減與調整，安裝效率必然得到充分的提升。

3.3 膜單元剪裁設計

針對工程進行分析可知，膜結構通常情況下都是三維不可拓展空間曲面，通過針對二維材料的焊接以及剪裁、張拉形成所需的三維空間曲面[2]。膜單元可以根據結構的形狀以及顏色變化剪裁得更加標準，如圖1所示。

圖1 徑向桁架上弦有索處膜節點示意

4 膜深化鋼構件制作與安裝

4.1 膜深化鋼構件制作

建筑鋼構件需要在工廠內進行加工，主要用于主桁架上與鋼索連接的耳板，同時還包括與膜連接的方鋼等鋼組件。在進行加工制作的過程中為了能夠充分保障鋼組件的制作精度以及制作質量，選擇使用數控機床進行加工，并且在加工之前還需要以不同的規格為參照對鋼結構的表面處理并噴底漆，隨后分規格進行堆放。

參照工程設計標準，還需要對鋼材料進行防腐處理，在處理的過程中還應當確保防腐手段能夠符合環保設計要求，確保工藝標準以及廠家的操作工藝標準嚴格執行。

施工部門應當及時清理鋼結構表面的污物以及灰塵。在安裝之前，不能對螺栓、摩擦接觸面和需要焊接的部位兩側100mm范圍內進行涂漆，但是需要涂刷環氧富鋅底漆，確保在開展整體施工的過程中不會影響焊接的防銹處理，在整個安裝完成之后需要進行補漆處理。

4.2 膜深化鋼構件的安裝

①在整體主鋼構件安裝完成之后，需要復核主體鋼結構的坐標；②對主體鋼結構坐標的誤差進行復核之后需要進行膜深化構件的安裝。在此過程中，需要使用Tekla軟件，在建立三維空間模型的過程中借助三維坐標點進行設計。由于該工程特點以及工程現場的實際情況，在工廠加工的過程中就進行了第一遍的涂漆，當整體構件運往施工現場的位置之后進行拼裝，在完成整體的拼裝之后還需要檢查工程的施工質量；③膜深化鋼構件節點的各個部件在施工之前還需要標記編號，效驗完成之后需要將標高、中心線等進行標注，若情況需要還應當設置臨時的支撐件；④以Tekla模型的坐標點對膜深化鋼構件進行定位，內環的可以被預設為地點的位置，隨后還需要以電焊的方式進行固定，對整體的拼裝施工進行檢查之后方可進行下一步的焊接與安裝；⑤對主體鋼結構與膜有關系的部分進行測量，以設計數據以及測量結果為參照，深入對比其是否在允許的誤差范圍中，若超出誤差范圍則應當適當整改鋼結構。膜深化鋼構件安裝完成之后形成建筑工程的各個單元。同時還需要對膜單元空間尺寸進行及時的測量之后在進行設計與裁剪。

4.3 鋼索及膜結構安裝

以施工設計方案為準，在展開的膜單元區域進行施工，單元膜安裝完成之后將吊裝帶拆除，并讓吊裝帶運往其他的區域進行使用。

為了保障膜在空中展開后至拉結前的時間得到有效的縮減，還應當提前在安裝部位運輸鋼索和各個附件，對鋼索的長度以及規格進行嚴格的檢查，若鋼索的長度不一則應當按照標號進行布置。隨后使用汽車起重機將膜單元整體吊裝至安裝區域的邊梁位置。

在開展安裝施工的過程中還應當先沿長向從邊梁至內環梁展開施工，隨后再按照短向開展膜單元的施工。在安裝之后還需要在一定的距離內設置防風繩，若膜單元的面積較大則應當用卷揚機牽引展開。

同時，施工人員需要將鋼索的一頭穿入到索套中，隨后再從另一端穿出，與鋼構件耳板和兩端索頭進行連接。待施工完成之后調節鋼索，甚至可以適當調節之后張緊鋼索。

隨后需要將鋁金夾具與膜進行連接，隨后通過張拉螺桿的方式拉結鋼結構的方鋼，對膜進行調節。由于膜的拉張力相對較低，膜面的受力都會通過鋼索傳遞到主結構，因此在進行施工的過程中對膜的張拉力需要控制在適當的范圍。此外，在安裝的過程中安裝人員應當在位置連接膜單元支撐索頭與鋼結構的耳板，確保模板的對稱安裝張拉到位。

在完成膜單元張拉完成之后，需要按照設計圖紙對蓋口進行安裝，還需要通過人力的方式進行提升。現場需要配置小型熱合機焊接，在完成之后還需要做淋水實驗，充分保障結構有著良好的防水性。膜單元安裝并張拉完成后，施工人員站在膜單元平面上安裝蓋口膜；蓋口膜安裝完成后，施工人員即可站在安裝完成的膜單元兩側進行蓋口的熱合施工。

5 結語

總而言之，作為一種全新的建筑施工方式，大型彩色不規則曲面膜結構施工技術能夠最大程度節省傳統施工過程中出現的材料浪費以及無效勞動的現象，施工功效也能夠得到充分的提升。應用該技術需要在工廠進行膜片的鋼結構、鋼索以及裁剪等工序的制作，保障現場施工時間得到充分的縮減，能夠同時進行下部鋼筋混凝土結構或者是構件的施工，有效地避免較差作業的情況出現。在現場進行施工的過程中僅僅需要進行鋼索、膜片以及鋼結構等環節的安裝等，施工十分簡便，其能夠有效縮短工期，經濟效益顯著。