大空間單雙層復合索承PTFE膜結構施工技術

任 俊，董萬龍，杜福祥，侯春明，宋柏瑜

(中建三局集團有限公司，湖北 武漢 430075)

0 引言

薄膜結構在結構及建筑設計上充分體現了膜結構輕巧、高強、透光的特點，可在大跨度、大體量的公共建筑中營造自然、和諧、明亮的內部空間。薄膜結構尤其適用于大型體育場館、展覽中心、大體量公共建筑等。樂山市奧林匹克中心建設項目體育場內圈屋蓋創造性地采用了單雙層混合索膜結構，為世界首例。該結構新穎奇特，造型美觀。

1 工程概況

樂山市奧林匹克中心建設項目為四川省第十四屆運動會主場館，包括體育場、體育館、游泳館、綜合訓練館和產業配套用房、地下車庫及設備用房、室外運動場及相關配套服務設施。總建筑面積為152 804m2，其中體育場建筑面積68 783m2，總坐席數29 984座，其中固定坐席21 510座，臨時坐席8 474座。

主體結構為混凝土框架結構，屋蓋平面近似橢圓形，南北向長約244m，東西向寬約235m，東西結構跨度為205m。屋蓋內圈為車輻式單雙層混合索膜結構，外圈為支撐索膜屋蓋的外環受壓桁架，其中膜結構共42榀，懸挑長44m，單榀跨度12～16m，采用PTFE膜材，索膜結構如圖1所示。膜單元下方為支承膜的拱桿，拱桿兩端設置拱索連接，膜通過專用鋁合金夾具夾持在拱桿上方，膜四周通過專用鋁型材、U形夾具與支承索網徑向索、外環受壓桁架鋼管、邊索形成拉結。鋁型材及U形夾連接節點如圖2所示。

圖1 索膜結構

圖2 鋁型材及U形夾連接節點

2 施工重難點

PTFE膜材是在超細玻璃纖維織物上涂聚四氟乙烯樹脂(PTFE)而成的材料，其透光性好、耐腐蝕、防水防火、自清潔效果好。索膜結構深化設計、施工階段重難點及控制措施如下。

1)由于索膜結構支承于外環受壓鋼桁架上方，且索結構為新型單雙層混合結構體系，其提升方法和預應力張拉方法均與傳統索膜結構不同，對外環受壓鋼桁架和膜結構作用復雜。為保證膜結構的最終成型效果，除嚴格控制鋼桁架安裝誤差外，還應分析索結構提升過程中鋼桁架的應力應變，測量索結構提升完成后鋼桁架的空間位置，在索結構施工階段消除誤差影響。索結構提升過程中鋼桁架應變如圖3所示，鋼桁架空間位置誤差如圖4所示。

圖3 鋼桁架應變

圖4 鋼桁架空間位置誤差(單位：mm)

2)PTFE膜成形效果對膜結構自清潔性能具有決定性影響。為保證PTFE膜安裝順利，獲得較好的自清潔與排水效果，在膜結構深化設計階段需綜合考慮索結構現場施工誤差、膜材伸長率、膜結構張拉過程中產生的二次變形、膜單元熱合長度、卷邊長度等影響因素，通過計算確定膜單元加工尺寸，制訂科學合理的膜材裁剪方案。

3)索結構為柔性結構體系，受膜結構張拉力作用時，徑向索將沿環向產生位移和撓度，導致徑向索空間姿態產生變化，該變化反饋到膜結構，導致膜結構產生二次變形，二次變形對膜單元自身安裝效果及整個膜結構成型效果均有影響。建立計算模型，計算不同荷載組合膜單元支座反力、膜支承體系組合位移及膜應力，從而掌握膜結構施工過程中的徑向索位移，以確定膜結構的二次變形。

4)充分發揮PTFE膜自清潔優點是該項目施工重點。除在深化設計階段通過計算合理確定加工尺寸與裁剪方案外，在施工圖設計階段，計算分析不同坡度、排水系統組合下，膜結構屋面的自清潔效果，選擇具有最佳清潔效果的膜面坡度和排水系統；在施工階段，結合膜屋面施工要點，重點控制膜面繃緊效果，使雨水從膜屋面快速排出，避免積水；膜材熱合施工時，應重點控制膜材的熱合質量，不得燙傷熱合區域周邊膜面，影響自清潔功能。

3 膜結構深化設計與加工

3.1 膜裁剪深化

單榀膜需在后場裁剪熱合后運輸至現場安裝，膜裁剪深化時，應遵循以下原則：①保證受力性能良好 裁剪線與膜徑向一致，沿膜主應力方向；②便于加工 避免裁剪線過于集中，以方便邊角處理；③節省 即節省膜且使接縫總長度盡可能短；④美觀 拱支承膜的裁剪線宜垂直于拱的跨度方向，保證良好的視覺效果。膜裁剪線確定后，根據熱合長度及膜材伸長率計算確定單塊膜材加工尺寸。

3.2 支承拱桿及拱索深化

支承拱桿深化設計主要確定拱桿加工長度，由于拱桿連接單雙層復合支承索網徑向索，深化設計前需采集索網徑向索實際間距數據，按采集數據對拱桿水平長度進行適當深化調整，再根據施工圖中要求的拱徑、拱高確定拱桿加工尺寸，同時確定拱索加工長度。

3.3 膜材加工

1)膜材裁剪 膜材加工采用專用數字化加工設備，通過與設計深化圖數據共享，實現膜片配置全自動化，配置結果傳送到數控裁剪裝置執行自動裁剪。裁剪完成后，由操作人員核對尺寸，裁剪工序均留取原匹樣片備案。裁剪步驟為：①檢查裁剪資料及膜材外觀，獲得缺點位置，決定剪取材料位置，切割位置要避開膜材原料上的瑕疵點；②將裁剪位置資料轉送到自動裁剪機；③裁剪機自動切割膜材；④檢查膜材尺寸及裁剪情況。

2)膜熱合 膜熱合使用的所有熱合機均實行開機試驗，根據當日所加工的膜材特性，調控機械溫度和操作時間進行取樣，實現對膜片的均勻熔接，提高膜片剝離試驗強度，從而控制當日熱合的合格程度和工藝穩定性，每道熱合工序完成后，均安排專人檢查。

3)膜收邊 膜熱合完成后，根據深化設計圖尺寸要求進行收邊，同步完成膜邊繩的安裝。

4 膜結構安裝

4.1 施工通道及焊接平臺方案比選

1)施工通道方案比選 參考實際工程中膜結構安裝施工通道搭設方法，選擇在支承網徑向索下方搭設施工通道。經比選研究，確定膜結構施工通道采用成品鋼跳板，下方設置U形鋼連接件兜底，U形連接件兩端掛鉤掛設于支承索網徑向索上。鋼跳板與U形連接件使用鋼絲綁扎固定，在掛點處使用專用緊固裝置將U形掛鉤緊固于徑向索上，防止施工通道滑動。施工通道搭設完成后，須經驗收合格后再投入使用。鋼跳板與U形連接件在地面拼裝成整體后用起重機吊至安裝位置，由登高車運送工人至相應位置輔助安裝。安裝效果如圖5所示。

圖5 施工通道安裝效果

2)焊接平臺方案比選 鋼結構勁板焊接操作平臺可選擇鋼掛籃或登高車。由于勁板焊接速度較快，單點焊接作業量小，且外環受壓桁架鋼管直徑、支承索網徑向索間距較大，將鋼掛籃掛設在外環受壓桁架鋼管或支承索網徑向索上，都將導致鋼掛籃質量較大，焊接平臺難以快速移動。因此，從現場安裝施工便利性、經濟性和施工速度方面考慮，選擇登高車作為焊接操作平臺。勁板與連接鋼管提前在地面焊接組裝，按4～5m一段分段吊裝至安裝位置，與外環受壓鋼桁架焊接連接，焊接完成后及時對焊縫進行檢測。勁板及連接鋼管焊接效果如圖6所示。

圖6 勁板及連接鋼管焊接效果

4.2 支承拱桿安裝

支承拱桿與拱索分別在后場生產，運輸至現場堆放，預先在地面上連接固定，將牽引繩穿過拱桿頂部的鋁合金夾具，在拱桿中間系纜繩，再整體吊裝。先確定每根支承拱桿的吊裝平衡點，特殊情況下可在弧拱桿上焊接吊點耳板，采用起重機將拱桿吊裝至安裝點位，人員步行至安裝點位，將對拉螺栓穿過耳板預留孔，擰緊螺栓固定。拱桿固定后再將纜繩兩端分別拉設在支承索網徑向索上，對拱桿形成拉結固定。拱桿安裝順序為從內環到外環、東西側對稱同步。支承拱桿安裝效果如圖7所示。

圖7 支承拱桿安裝效果

由于支承拱桿端頭耳板與徑向索夾為銷軸連接，因此只需在支承拱桿吊裝到位后將銷軸穿過支承拱桿端部耳板、徑向索夾預留孔內，擰緊螺母，便可實現支承拱桿與徑向索夾的精準連接。由于拱桿空間設計位置與地面垂直，在支承拱桿安裝過程中需借助人工對拱桿垂直度進行初調，保證基本與地面垂直。由于膜單元相對索結構與外環受壓鋼桁架位置固定，且膜單元與拱桿連接固定，膜單元張拉時，拱桿空間位置也將隨膜單元變動，最終在膜單元張拉固定就位時，支承拱桿也隨之達到設計位置，即依靠膜單元的張拉力可有效實現支承拱桿被動精調。

4.3 膜吊裝

首跨膜吊裝時，需在擬安裝跨設置承壓繩網，作為膜展開時的依托。承壓繩網材料可選擇尼龍繩，繩網安裝時，沿支承索網徑向索方向每隔3m拉1道，繩索兩端通過緊繩器分別與外環連接鋼管、內環索連接。繩網安裝完成后，通過緊繩器對繩索施加足夠的力，以避免膜材在牽引過程中與鋼結構接觸，造成膜面損壞或污染。除第1跨膜外，其余膜直接吊裝至臨跨已安裝膜上方，無須再搭設承壓繩網。

膜材在運輸前已正反折疊，運輸至現場后，清理地面，根據膜安裝部位找出相同編號的膜包，將膜展開，將滾筒吊裝至膜端部，拉動滾筒將膜卷在滾筒表面，再使用起重機將滾筒與膜一起吊裝至內環索上方，準備進行膜的張拉。

4.4 膜張拉展開

1)縱向張拉展開 膜吊裝至安裝位置后，使用專用夾具夾緊膜弦向膜邊繩，再將牽引繩連接在專用夾具上，從左至右依次安裝3～4道，人員站在外環受壓鋼桁架上方同步拉動牽引繩，膜沿徑向開始緩緩張拉展開，在膜兩側施工通道上安排人員輔助張拉，保證膜的順利展開。

2)橫向張拉展開 膜材縱向張拉完成后，取下縱向張拉時安裝的夾具與牽引繩，在膜材兩側徑向膜邊索上安裝專用夾具，再將拱桿頂部的牽引繩連接在專用夾具上，牽引繩另一側連接在手動葫蘆上，手動葫蘆與徑向索連接固定，然后開始橫向牽引膜材。由于膜材平面呈梯形，橫向牽引張拉時，先牽引靠近外環受壓桁架位置處，然后依次牽引中間位置、內環索位置膜材，使膜材與支承拱桿形成一定角度，同步牽引到位，減少膜材張拉過程中的摩擦阻力，便于膜材橫向展開。當現場橫向展開困難時，可在膜材環向膜邊繩上也設置張拉點，方法與上述方法相同，手動葫蘆設置在膜材斜前方的外環受壓桁架和內環索上。膜材橫向張拉展開到位后，應立即固定，無法及時固定時，須在膜上方安裝防風繩，按縱向4m一道布置，綁扎在外環受壓桁架和內環索上。

4.5 膜固定

膜材牽引到位后，先將鋁型材安裝到膜材四周膜邊繩上，再將U形夾套在徑向索、外環受壓桁架處連接鋼管及邊索上，然后拉動手動葫蘆，將膜材張拉至設計位置后，使用螺栓將鋁型材與U形夾連接，完成膜材的固定，同一徑向索兩側的膜材宜對稱同步固定。膜材固定時，應同步安裝蓋口膜支撐鋁板預埋角鋼。膜材固定效果如圖8所示 。

圖8 膜固定效果

4.6 蓋口膜安裝

兩塊相鄰單元膜塊固定安裝完成后，先拆除徑向施工通道，再安裝蓋口膜。在徑向索夾位置，蓋口膜依靠下方支撐鋁板對自身形成支撐作用，因此優先安裝支撐鋁板，支撐鋁板兩端與膜材固定時預埋角鋼通過抽芯鉚釘連接。在靠近索夾徑向索上設置支撐抱箍件，再使用抽芯鉚釘將支撐鋁板與抱箍連接，對鋁板中間形成支撐。在徑向索位置，蓋口膜依靠下方鍍鋅鋼板形成支托，鍍鋅鋼板與兩端U形夾采用抽芯鉚釘連接。支撐鋁板或鍍鋅鋼板安裝完成后，再安裝蓋口膜，蓋口膜與兩端膜采用熱合連接。

5 結語

薄膜結構建筑造型自由輕巧、豐富多變，施工快捷，使用安全，在現代大跨度建筑中應用越來越廣泛。本文以樂山市奧林匹克中心建設項目新型車輻式單雙層混合索膜結構為依托，從深化設計、后場加工及現場安裝等方面詳細介紹了大空間單雙層復合索承PTFE膜結構施工技術。該技術可有效保證膜結構順利安裝，使膜結構施工質量處于可控范圍內。