大跨徑仿生樹狀PVDF膜快速安裝工藝

傅樂平，蔡曉男，楊連佼，林宇翔

(中交三航局第二工程有限公司，上海 200122)

0 引言

索膜結構是指通過拉索給柔性膜材料施加預應力從而獲得承受外部荷載并具有一定剛度的建筑結構，索膜結構豐富的表現力和靈活性受到建筑師的廣泛青睞，如上海世博軸、秦皇島體育館、佛山游泳館等都使用索膜結構。近年來，隨著社會、經濟的快速發展，膜索結構中復合膜材的種類也越來越多，常見的有PVC膜材、PDVC膜材、PTFE膜材、ETFE膜材等。李章珍等依托奧林匹克體育中心工程研究PVC張拉膜的施工工藝，采用雷射自動裁切機加工膜材，張拉時控制批次、順序、量值和速度。潘潤軍研究某大型游樂項目ETFE膜安裝流程及施工工藝，并對與膜材連接的鋁型材進行詳細設計。張勇研究ETFE膜結構的連接節點設計、工廠加工、現場安裝等細節，并探討各種節點形式的優缺點。但目前的索膜結構研究很少涉及仿生結構張拉膜的安裝工藝。

1 工程概況

中國花卉博覽會(簡稱“花博會”)是我國規模最大、規格最高、影響最廣、內容最豐富的國家級花事盛會。第十屆中國花博會選址上海市崇明區東平鎮，計劃于2021年5月21日正式開幕。1號入口大門鋼膜建筑形似2棵枝繁葉茂的大樹，內部采用仿葉脈骨架的鋼管桁架，外部采用仿樹狀的張拉膜體系，造型美觀獨特。1號入口大門建筑高19.21m、長100m、寬40m，建筑面積4 500m2，用鋼量約400t，膜面總展開面積近4 800m2。仿生樹狀構筑物結合雨水回用系統，實現雨水的輸送、儲存、凈化，用于廣場區域的自動灌溉和場地清洗。未來通過3D全息影像技術可在膜材表面投影出絢麗花海(見圖1)。

圖1 主入口大門平面

1號入口大門采用PVDF膜材，它是在PVC膜表面加以PVDF樹脂涂層制作而成，織物基材為聚酯纖維及玻璃纖維。與傳統的PVC膜材相比，PVDF膜材其耐用年限提高2倍以上，且具有自凈自潔性，后期無須清潔維護。1號入口大門膜結構膜面共分為20個單元，最大單元膜面積350m2，該膜材厚度為1.02mm，透光率為3%，具有較高的機械強度與堅韌度及高耐磨性和耐熱穩定性等優點(見圖2)。

圖2 主入口大門膜結構軸測

2 施工重難點

1)1號入口大門的膜結構屬于反吊張拉膜(膜材在鋼桁架下方)，相鄰的膜材必須實現無縫拼接。

2)1號入口大門的膜結構由10組對稱的膜單元無縫拼接而成，各膜單元均是空間異形的不規則四邊形，對膜材的裁剪、下料及制作精度提出很高要求。

3)1號入口大門“上寬下窄”，周邊膜材懸挑長度大且立面坡度較陡，仿生葉脈狀鋼桁架上膜材安裝節點多達2 000多個，鋼桁架上焊接懸挑腳手架的常規方案無法適用。

4)1號入口大門的膜材安裝時間在11—12月，崇明冬季多大風天氣。現場施工需考慮合理安排安裝順序，確保在不利工況下已安裝的膜結構不受大風影響而受損。

綜上所述，本工程首先使用全站儀測量仿生葉脈狀鋼結構的空間點位數據，將其導入BK專用切割系統實現膜材的數字化精確加工；然后沿主要鋼桁架豎向固定數條鋼索及竹爬梯，形成蛛網狀施工操作平臺；最后采用從上至下、相鄰相接的順序安裝膜材。安裝過程中，利用登高車優先固定膜材的上側、左側、右側3個邊的安裝節點，再利用蛛網狀操作平臺固定膜材的下側安裝節點。

3 關鍵施工工藝

3.1 鋼膜安裝節點

為實現反吊張拉膜的無縫拼接、應力分布均勻無褶皺，針對不同桿件設計3種鋼膜連接節點，如圖3所示。其中，A類鋼膜節點適用于1—1，2—2，3—3斷面，采用內扣式U型拉膜專用鋁型材，主要用于較大面積膜材的拼縫處；B類鋼膜節點適用于4—4，5—5，6—6，7—7斷面，采用雙邊拉膜專用鋁型材，主要用于較大面積膜材的中間固定；C類鋼膜節點適用于8—8斷面，采用單邊拉膜專用鋁型材，主要用于結構邊緣懸挑區域的張拉固定。

圖3 鋼膜節點深化設計

3.2 膜材劃分與加工

主入口大門的膜材劃分為對稱的10組，整體上從中間分開安裝，最后閉合1道龍門，如圖4所示，圖中序號代表膜單元的安裝先后順序。主入口大門的鋼結構骨架安裝完成后，先焊接鋼膜節點構件，然后現場使用全站儀對膜材拼縫處的膜節點進行空間數據采集，最后將測量數據導入BK專用切割系統，實現對膜材尺寸的數字化處理，完成膜材的平面排版與立體裁切工作，提高異形不規則膜材的裁切精確度和生產效率。

圖4 膜單元安裝順序示意

3.3 蛛網狀操作平臺

結合主入口大門仿生樹形的建筑特點，提出搭設蛛網狀操作平臺的思路以實現懸挑結構的反吊膜安裝工藝(見圖5)。具體實施方案如下。

圖5 蛛網狀操作平臺平面布置

1)采用10mm鍍鋅鋼絲繩將豎向鋼管的各節點水平橫向拉結，豎向間距2～3m，并用手拉葫蘆將上述鋼絲繩拉緊固定，從而形成多個環狀鍍鋅鋼絲繩圓環，以此作為蛛網狀操作平臺橫向柔性骨架。

2)沿鋼管節點豎向布置竹梯，竹梯與環狀鍍鋅鋼絲繩采用10號鐵絲雙股固定，每節竹梯與鍍鋅鋼絲繩的連接節點≥3道，兩節竹梯之間同樣采用10號鐵絲雙股固定。豎向鋼管兩側的竹梯還須與鋼管節點固定牢靠。豎向竹梯不僅作為珠狀網操作平臺的豎向骨架，也作為上下該平臺的通道。

3)利用登高車在每節豎向主鋼管上各設置1道防墜器，作為膜材安裝人員的安全保障措施。同時，竹梯的上、下兩端要包裹嚴密，防止劃傷鋼管涂裝與膜材(見圖6)。

3.4 膜材安裝工藝

1)安裝順序 膜材按從上至下順序安裝，具體如圖7所示。單片反吊膜先固定膜片的4個角點，經全站儀測量復核后再固定膜片的配件節點，應順著膜片邊的延伸方向，逐個將膜片的鋁合金型材和不銹鋼配件安裝牢固。

2)膜材臨時固定 將膜材放置于相應區域的地面上，人工將拉膜專用鋁材穿拉固定至膜材上，注意膜材方向與結構方向一致。用專用鋼夾板固定膜邊索作為起吊吊點，利用汽車式起重機將整塊膜從下至上吊起，用手拉葫蘆張拉膜邊索內鋼絞線將膜上部2個角點固定至膜角板上。再利用登高車，將膜下部角點通過手拉葫蘆固定至底部鋼桁架上，完成整塊膜的臨時固定。

3)膜節點固定 豎向膜節點利用登高車，從上部膜角板(膜節點)向下依次安裝。安裝時，用3～4根鋼絲繩將膜邊分段，臨時固定至附近膜節點，方便安裝。把拉膜專用鋁材與手拉葫蘆固定，轉動手拉葫蘆將拉膜專用鋁材頂至相應膜節點上，再用手電鉆將M12×90不銹鋼螺栓與拉膜專用鋁材固定至膜節點上。待該段大部分膜節點固定完畢后，解開下方鋼絲繩，進行下一段膜節點安裝。待豎向膜節點安裝完成后，利用蛛網狀操作平臺進行橫向膜節點安裝，安裝方法與豎向膜節點相同。

4)相鄰膜材合龍 先在鋁合金型材側面用直徑10mm鉆頭打孔，內穿直徑6～8mm鋼絲繩，通過手拉葫蘆張拉鋼絲繩使2件鋁型材閉合。確認2個鋁型材的原螺栓孔對齊后，暫時固定張拉鋼絲繩，用M12×90不銹鋼螺栓把2件拉膜專用鋁材固定在一起。最后，松開手拉葫蘆并解下張拉鋼絲繩。

5)膜材及索具張拉 膜材張拉時，通過每塊夾板對膜單元邊界逐一施加張力，補償膜單元邊界的縮量，使膜單元邊界的孔位與夾板孔位一一對應。安裝過程中應及時檢查膜面應力值，確保膜面應力達到設計要求。待所有膜材均固定后，從上往下對每個膜單元進行檢查調整。通過觀察膜面的松弛程度，將對應區域的螺栓進行微調，確保膜面均張拉至光滑無褶皺。待各膜單元均安裝完成后，利用起重機配合索具的安裝。索具安裝完畢后，用發泡劑將索管密封，索螺紋及碰損的油漆重新涂刷。

6)操作平臺拆除 膜片安裝完畢，梯子繩網即可撤除。每單元緊固件全部安裝完畢，碰損油漆及時補刷同時跟進，膜單元檢查無缺陷后即可分步解除梯子，循環使用梯子及繩網。

4 結語

第十屆中國花博會的主入口大門采用仿葉脈狀鋼桁架外掛PVDF張拉膜體系，高19.21m、長100m、寬40m，膜展開面積約4 800m2，會展期間將結合3D全息影像技術營造絢麗花海，其造型獨特、結構優美，但安裝難度很大。施工過程中，將膜面劃分為10組對稱的膜單元，最大單元膜面積350m2。現場采用全站儀測量鋼構件空間數據，將其輸入BK專用切割系統實現膜材的數字化加工。因膜單元屬于反吊膜，現場搭設蛛網狀施工操作平臺用于膜單元的快速安裝。按指定的安裝順序依次完成膜單元的起吊掛膜、臨時固定、膜節點緊固、索具張拉等工藝。