索膜在盧塞爾體育場(chǎng)屋蓋結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用技術(shù)

張軍輝

(中國鐵建股份有限公司，北京 100855)

0 引言

屋蓋索膜結(jié)構(gòu)作為一種大型建筑屋蓋結(jié)構(gòu)，具有結(jié)構(gòu)跨度大、空間結(jié)構(gòu)輕巧、強(qiáng)度高、自重輕、造型新等優(yōu)點(diǎn)，是一種柔性的空間網(wǎng)狀建筑結(jié)構(gòu)支撐體系，在空間上由高強(qiáng)的層膜和拉索組成，通過空間張拉形成拉應(yīng)力，在拉應(yīng)力的整體作用下形成空間結(jié)構(gòu)，適用于大型體育場(chǎng)館、展覽中心、大體量公共建筑等，能營造自然、和諧、明亮的內(nèi)部空間[1]。

1 工程概況

卡塔爾盧塞爾體育場(chǎng)位于卡塔爾首都多哈北部的盧塞爾市，是2022年世界杯主體育場(chǎng)，其外形像一個(gè)巨大的有馬鞍形邊緣的金碗，可容納9.2萬個(gè)觀眾。體育場(chǎng)主體結(jié)構(gòu)為鋼結(jié)構(gòu)，為48幅V型柱，上面壓有鋼壓環(huán)，屋蓋采用索和膜共同構(gòu)成的柔性結(jié)構(gòu)，主索網(wǎng)由上下環(huán)索和徑向索共同構(gòu)成的單層輪輻式張拉應(yīng)力結(jié)構(gòu)，總體跨度307.7 m，索結(jié)構(gòu)懸挑長度92.85 m，外觀看是一個(gè)輪輻式的金碗蓋。東西側(cè)高程為76.60 m，南北側(cè)高程為61.03 m，整體外觀呈現(xiàn)出東西高、南北矮的馬鞍形。項(xiàng)目整體用鋼量達(dá)10萬t，膜材結(jié)構(gòu)面積為4.5萬m2，是迄今為止世界上最大的索膜屋蓋結(jié)構(gòu)單體建筑(見圖1)。

2 主體結(jié)構(gòu)體系

馬鞍形的空間鋼結(jié)構(gòu)、柔性的索網(wǎng)體系、大面積張拉狀態(tài)的膜材結(jié)構(gòu)共同組成盧塞爾體育場(chǎng)的獨(dú)具特色的空間屋蓋結(jié)構(gòu)。盧塞爾體育場(chǎng)屋蓋結(jié)構(gòu)投影整體呈環(huán)形，外環(huán)直徑307.7 m，中間環(huán)形露天區(qū)域直徑為122 m，東西兩側(cè)分別設(shè)有雨棚，雨棚也使用膜結(jié)構(gòu)材料。

屋蓋從結(jié)構(gòu)上可細(xì)分為外圍鋼結(jié)構(gòu)(含V柱和壓環(huán))、索網(wǎng)、膜面三個(gè)部分。索網(wǎng)結(jié)構(gòu)由徑向索、上內(nèi)環(huán)拉索、下內(nèi)環(huán)拉索、水平和豎向交叉索組成，其中內(nèi)環(huán)索通過48幅徑向索與外圍鋼結(jié)構(gòu)連接成穩(wěn)定的主索系(見圖2)，并通過交叉索形成整體預(yù)應(yīng)力索網(wǎng)，徑向索上面設(shè)有拱桿和飛桿，在拱桿上面敷設(shè)層膜材料，層膜表面部分由48個(gè)單元膜片組成。主索結(jié)構(gòu)由主索(含徑向索和上下環(huán)索)、短柱、節(jié)點(diǎn)板、交叉拉索構(gòu)成。

徑向索每幅分為四部分，從壓環(huán)至環(huán)向索之間從上而下分別分為CS1(Φ124)，CS2(Φ104)，CS3(Φ108)，CS4(Φ124)等四部分，徑向索交叉設(shè)置，交叉部分用交叉節(jié)點(diǎn)板連接，CS3與CS4之間設(shè)置5個(gè)短索柱使徑向索形成魚腹形狀(見圖3)。

環(huán)向索由上環(huán)索、下環(huán)索及交叉索組成，上、下環(huán)索分別由8根D90和D110鋼索用節(jié)點(diǎn)板鎖定而成。上環(huán)索最高、最低點(diǎn)高差3.1 m，下環(huán)索最高、最低點(diǎn)高差2.0 m。

在徑向索上安裝支撐層膜材料的鋼管拱，其上敷設(shè)層膜材料。盧塞爾體育場(chǎng)優(yōu)化后采用單層膜材，跨度在100 m左右，整個(gè)膜屋面由96幅膜單元組成，總面積約56 300 m2，馬鞍形曲面最大高差15.53 m。

索膜屋蓋結(jié)構(gòu)充分發(fā)揮了索、膜兩種材料協(xié)同作用的力學(xué)性能，設(shè)計(jì)新穎、結(jié)構(gòu)合理、造型美觀[2]。

3 索膜屋蓋結(jié)構(gòu)施工方案

在外圍鋼結(jié)構(gòu)安裝完畢，形成穩(wěn)定的支撐體系后再進(jìn)行索網(wǎng)結(jié)構(gòu)安裝和層膜的鋪設(shè)，索膜施工前在看臺(tái)上安裝鋼絲網(wǎng)進(jìn)行安全防護(hù)。

3.1 索結(jié)構(gòu)安裝工藝

整體索結(jié)構(gòu)安裝、徑向索提升工裝設(shè)備、環(huán)向索工裝設(shè)備、作業(yè)平臺(tái)等的計(jì)算報(bào)告必須得到業(yè)主監(jiān)理單位批準(zhǔn)。

將體育場(chǎng)內(nèi)劃分為8個(gè)施工區(qū)域(見圖4)，按照規(guī)劃安裝6臺(tái)塔吊、2臺(tái)履帶吊作為索網(wǎng)結(jié)構(gòu)起吊設(shè)備，進(jìn)行索網(wǎng)、膜結(jié)構(gòu)吊裝作業(yè)。施工前在看臺(tái)上設(shè)置安全防護(hù)網(wǎng)，然后進(jìn)行索網(wǎng)的安裝，具體步驟如下：在體育場(chǎng)球場(chǎng)區(qū)域地面上搭設(shè)內(nèi)環(huán)索鋪設(shè)支架(高8 m)，然后在內(nèi)環(huán)索鋪設(shè)支架上鋪設(shè)8根上內(nèi)環(huán)索并鎖定在節(jié)點(diǎn)板上形成完整的環(huán)狀，在看臺(tái)鋼結(jié)構(gòu)上鋪設(shè)徑向索CS3，CS4，并將CS3與上環(huán)索在節(jié)點(diǎn)板處連接固定；在壓環(huán)梁上部CS1徑向索位置安裝內(nèi)環(huán)索臨時(shí)提升設(shè)備，張拉臨時(shí)提升設(shè)備緩慢通過臨時(shí)索將上內(nèi)環(huán)索提升離開地面17 m；檢查鋪設(shè)支架，確定完好后再鋪設(shè)8根下環(huán)索并鎖定節(jié)點(diǎn)板形成環(huán)狀，安裝上下環(huán)索間的交叉索及短柱，將上下環(huán)索組成整體內(nèi)環(huán)索結(jié)構(gòu)，將徑向索CS4與下環(huán)索的節(jié)點(diǎn)板連接，再次張拉臨時(shí)提升設(shè)備整體提升上下環(huán)索，直至下環(huán)索與鋪設(shè)支架分離；在鋪設(shè)下環(huán)索及提升上下環(huán)索的同時(shí)，在看臺(tái)鋼結(jié)構(gòu)上鋪設(shè)CS1和CS2徑向索，將徑向索交叉節(jié)點(diǎn)板吊裝到設(shè)計(jì)位置下方的看臺(tái)上，與徑向索CS1，CS3，CS4與連接鎖定，將臨時(shí)張拉設(shè)備與CS1連接固定；用臨時(shí)張拉設(shè)備提升CS1直到CS1和CS4受力；繼續(xù)提升CS1直至所有徑向索脫離看臺(tái)，安裝CS3與CS4間短柱，用鋼絲繩固定；繼續(xù)提升CS1直至距離壓環(huán)上的連接板2.5 m，移除看臺(tái)上的鋼絲安全防護(hù)網(wǎng)，繼續(xù)提升CS1到設(shè)計(jì)位置，用銷軸固定；將CS1處的臨時(shí)提升設(shè)備移至CS2徑向索處，將CS2提升到設(shè)計(jì)位置用銷軸固定，主索結(jié)構(gòu)安裝完成。主索安裝工藝流程：鋪設(shè)CS3,CS4及提升上環(huán)索的臨時(shí)吊索→鋪設(shè)上環(huán)索→連接壓環(huán)與上環(huán)索間的臨時(shí)吊索→鋪設(shè)下環(huán)索并與CS4索連接→安裝上下環(huán)索間交叉索及短柱→張拉臨時(shí)索提升下環(huán)索離開鋼支架→張拉CS1索至CS4索離開看臺(tái)→依次安裝CS3與CS4索間短柱→提升CS1至連接板、拆除臨時(shí)索→安裝銷軸將CS1固定到連接板→安裝CS2固定到連接板→安裝水平索及拱桿、飛柱[3-4]。

3.2 拱桿和飛柱安裝

3.2.1 拱桿設(shè)置

盧塞爾屋蓋拱桿分主拱和次拱，各有48榀，間隔設(shè)置。每個(gè)主拱由6個(gè)拱段組成，相鄰拱段由銷軸固定在連接節(jié)點(diǎn)板上，節(jié)點(diǎn)板安裝在48幅徑向索的5根短柱上，另外一個(gè)安裝在徑向索的交叉節(jié)點(diǎn)板上的短柱上面；每個(gè)次拱由7個(gè)拱段組成，下設(shè)飛柱，次拱與主拱段相錯(cuò)設(shè)置，次拱下的飛柱與主拱的短柱之間通過豎向交叉索連接，主拱的短柱頂(或壓環(huán)與主拱連接板)與次拱的拱腳處在水平方向通過水平交叉索連接，共同組成穩(wěn)定的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。

校企合作是高職院校培養(yǎng)高素質(zhì)技能型和應(yīng)用型人才的必由之路，高職院校辦學(xué)的基本目標(biāo)之一是向社會(huì)、向企業(yè)輸送具有高素質(zhì)、多技能符合社會(huì)多樣化需求的復(fù)合型、創(chuàng)新型、應(yīng)用型專門人才。而要達(dá)到以上人才培養(yǎng)目標(biāo)，高職院校則必須直接順應(yīng)市場(chǎng)變化，與體現(xiàn)市場(chǎng)行業(yè)需求的企業(yè)開展校企合作。讓企業(yè)走進(jìn)校園，企業(yè)直接參與高職院校學(xué)生職業(yè)技能的培養(yǎng)。讓校園融入企業(yè)，高職院校可借助校企合作這個(gè)平臺(tái)，直接了解企業(yè)需求，及時(shí)調(diào)整教學(xué)計(jì)劃，重新進(jìn)行優(yōu)化組合，與企業(yè)共同育人，從而培養(yǎng)出社會(huì)和企業(yè)需要的人才。

3.2.2 安裝工藝

安裝順序：拱形構(gòu)件和配件在國內(nèi)加工廠生產(chǎn)，通過海陸運(yùn)輸至現(xiàn)場(chǎng)堆放。在現(xiàn)場(chǎng)預(yù)先進(jìn)行主拱和次拱的拱桿、拱腳連接板連接，再裝配次拱的飛柱，整個(gè)完成后對(duì)接頭和噴漆等進(jìn)行檢查驗(yàn)收。然后根據(jù)主軸線編號(hào)順序用塔吊將主拱拱段依次吊裝至設(shè)計(jì)位置用銷軸固定在徑向索節(jié)點(diǎn)板預(yù)留孔洞上，再在次軸線依次吊裝次拱拱段至設(shè)計(jì)位置并在拱腳和飛柱底與節(jié)點(diǎn)板連接，最后將水平索、豎向索與徑向索節(jié)點(diǎn)板連接，張拉水平索、豎向索，并檢查主拱、次拱、短柱的位置，如有偏差適時(shí)調(diào)整，直至水平索、豎向索張拉到設(shè)計(jì)拉力。

安裝過程：拱桿分8個(gè)區(qū)域安裝，從V柱上的鋼壓環(huán)梁向內(nèi)拉環(huán)方向安裝，吊裝時(shí)在相對(duì)的區(qū)域同步安裝。吊裝拱桿時(shí)，先將牽引鋼絲繩穿過拱桿頂?shù)膶Ｓ霉潭▕A具，在拱桿中間系上纜繩，再用塔吊或者履帶吊整體吊裝。 先根據(jù)計(jì)算確定每根支承拱桿的吊裝平衡點(diǎn)，用塔吊將拱桿吊裝至設(shè)計(jì)安裝點(diǎn)位，將對(duì)銷軸穿過節(jié)點(diǎn)板預(yù)留孔固定。由于支承拱桿端頭接頭板與徑向索夾為銷軸連接，只需在支承拱桿吊裝到位后將銷軸穿過支承拱桿底部徑向索夾預(yù)留孔內(nèi)固定，便可實(shí)現(xiàn)支承拱桿與徑向索夾的精準(zhǔn)連接。飛柱空間設(shè)計(jì)位置與地面垂直，在支承拱桿時(shí)需要人工輔助對(duì)飛柱垂直度進(jìn)行測(cè)量、初調(diào)，保證與地面垂直。因膜單元與拱桿連接固定，在膜單元張拉時(shí)，拱桿空間位置也將隨膜單元移動(dòng)而發(fā)生變化，最終在膜單元張拉固定時(shí)，支承拱桿才達(dá)到設(shè)計(jì)位置，即依靠膜單元的張拉實(shí)現(xiàn)支承拱桿的被動(dòng)調(diào)整，最后隨著膜材與拱桿的固定達(dá)到拱桿的最終位置[5]。

3.3 層膜安裝工藝

本項(xiàng)目采用進(jìn)口聚四氟乙烯(PTFE)涂層的玻璃纖維織物膜材，膜材力學(xué)性能指標(biāo)滿足國家規(guī)范A級(jí)膜標(biāo)準(zhǔn)。本工程分為4個(gè)區(qū)，以徑向索分界分48個(gè)膜面單元，鋪設(shè)前對(duì)每單元膜片的拱頂、拱中、拱底部位進(jìn)行膜面應(yīng)力分析，從徑向和緯向的伸長率和偏差進(jìn)行試驗(yàn)，要求應(yīng)力偏差不超過設(shè)計(jì)的15%。

3.3.1 建立膜安裝實(shí)物模型

在國內(nèi)的膜加工廠根據(jù)單幅索網(wǎng)同等比例，安裝膜安裝支撐結(jié)構(gòu)實(shí)物模型，以驗(yàn)證以下結(jié)論：

1)安全網(wǎng)作為施工平臺(tái)的可靠性；2)膜加工裁剪的精確性，確保膜面應(yīng)力滿足驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)；3)驗(yàn)證深化設(shè)計(jì)的正確性，通過安裝發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)缺陷及時(shí)改進(jìn)；4)驗(yàn)證安裝方案的合理性，設(shè)計(jì)工作設(shè)備；5)培訓(xùn)安裝工人，提高其安裝技能。

單元膜材料設(shè)計(jì)為不等腰梯形，長邊寬8.96 m，短邊寬4.036 m，一邊長75.289 m，另一邊75.127 m。在國內(nèi)膜材料工廠按深化后的設(shè)計(jì)尺寸用專業(yè)數(shù)字化的加工設(shè)備裁剪和加工，與設(shè)計(jì)深化圖紙共享數(shù)據(jù)，進(jìn)行全自動(dòng)化膜片配置，將配置結(jié)果傳送到引進(jìn)的數(shù)字化加工設(shè)備，由數(shù)字化加工設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)裁剪。加工完畢后，在實(shí)物模型上進(jìn)行膜體預(yù)安裝，然后折疊成膜包(寬邊2.4 m、短邊2.2 m，長12 m)并根據(jù)膜所在部位進(jìn)行準(zhǔn)確編號(hào)，運(yùn)輸?shù)绞┕がF(xiàn)場(chǎng)，最后在卡塔爾盧塞爾體育場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)正式安裝。膜結(jié)構(gòu)材料的加工先后次序要嚴(yán)格遵守監(jiān)理單位批準(zhǔn)的施工計(jì)劃中的確定的安裝順序。

3.3.3 膜結(jié)構(gòu)安裝

層膜結(jié)構(gòu)是在主拱、次拱和飛柱安裝完畢，水平索和豎向索網(wǎng)系統(tǒng)、上環(huán)索上水溝、壓環(huán)外屋蓋結(jié)構(gòu)、雨棚施工完畢，安裝好尼龍繩安全網(wǎng)和通道后進(jìn)行施工。

膜材安裝分四個(gè)區(qū)對(duì)稱安裝，首先要根據(jù)安裝部位找出在工廠進(jìn)行編號(hào)的膜單元，用塔吊或者履帶吊將膜材安裝滾筒吊裝至膜端部，將膜展開后轉(zhuǎn)動(dòng)滾筒將膜卷在滾筒表面，再使用起重機(jī)將滾筒與膜材共同吊裝至內(nèi)環(huán)索上方，進(jìn)行膜的展開與張拉。

膜展開分兩個(gè)方向，先將膜沿徑向展開，再沿膜單元環(huán)向展開。膜單元縱向展開采用滾筒慢慢轉(zhuǎn)動(dòng)，隨著滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)，卷在滾筒上的膜材也就展開，膜材展開到設(shè)計(jì)位置后，使用專用夾具夾緊膜邊，再用牽引繩固定在專用膜材夾具上，安裝工人站在外壓環(huán)鋼管上方安裝平臺(tái)上，同步拉動(dòng)牽引繩，在膜材兩側(cè)施工通道上安排工人輔助張拉，保證膜單元沿徑向順利展開。 膜單元徑向展開后，將滾筒吊走，再在膜材兩側(cè)沿徑向膜邊索上安裝膜材安裝專用夾具，將牽引繩與專用夾具固定，另一側(cè)連接在安裝倒鏈上，將倒鏈與徑向索連接固定，然后操作倒鏈橫向牽引膜材。由于膜材平面呈梯形，環(huán)向牽引張拉時(shí)，先牽引靠近壓環(huán)鋼管位置處的膜材，然后從外到內(nèi)依次牽引中間位置，最后張拉內(nèi)環(huán)索位置膜材，張拉時(shí)要令膜材與支承拱桿形成一定空間角度，減少膜材張拉過程中與支撐拱桿的摩阻力，以便于膜材環(huán)向展開。 當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)向展開受阻時(shí)，可在膜材環(huán)向膜邊上也參照上述方法設(shè)置張拉結(jié)點(diǎn)，倒鏈設(shè)置在膜材外的外壓環(huán)鋼管節(jié)點(diǎn)板和上環(huán)索上節(jié)點(diǎn)板上。

膜材結(jié)構(gòu)張拉與固定：膜材展開到位后，先在水平索上方將鋁型材固定到膜材四周膜邊上，再將U形夾套在徑向索、外壓環(huán)連接鋼管及內(nèi)環(huán)索上，然后人工拉動(dòng)倒鏈，將膜材張拉至設(shè)計(jì)位置，立即用穿過壓膜板的沉頭螺栓固定，同一徑向索兩側(cè)的膜材宜同步對(duì)稱固定，無法立即固定時(shí)，在膜上方按徑向每4 m設(shè)置一道繩索，捆扎在外壓環(huán)鋼管和上環(huán)索上。

層膜首跨吊裝時(shí)需先設(shè)置承壓繩網(wǎng)承托膜展開時(shí)的重量，一般情況下選擇尼龍繩，沿支承索網(wǎng)徑向索方向每隔3 m設(shè)置一道尼龍繩，繩索兩端通過緊繩器分別與壓環(huán)連接鋼管、內(nèi)環(huán)索連接板連接。尼龍繩網(wǎng)安裝完成后，通過緊繩器對(duì)繩索按計(jì)算書結(jié)果施加相應(yīng)拉力，除首跨膜外，其余膜須直接吊裝在臨跨已安裝完成的膜上方，無須再搭設(shè)承壓繩網(wǎng)。

3.3.4 膜面預(yù)應(yīng)力

膜材表面和徑環(huán)向索的預(yù)應(yīng)力不小于5 kN/m，膜面谷索最大預(yù)拉力為300 kN，邊索最大預(yù)拉力為400 kN，脊索和柱頂連接的水平索最大預(yù)拉力為800 kN，背索最大拉力達(dá)5 000 kN以上；索端張拉設(shè)備位置及數(shù)量應(yīng)根據(jù)計(jì)算合理確定，既要保證膜結(jié)構(gòu)能順利張拉到位，又盡可能減少使用數(shù)量，控制索的制造成本，連續(xù)張拉的特點(diǎn)是相鄰單元膜相互影響且張拉投入的設(shè)備和人力數(shù)量多；張拉時(shí)涉及的點(diǎn)多面廣，要正確選擇檢測(cè)點(diǎn)位。

4 索膜施工過程需注意的問題

1)膜材安裝重點(diǎn)部位有膜與拱桿的連接、膜與索的連接等關(guān)鍵部位；索膜結(jié)構(gòu)對(duì)拱桿和次索的加工和安裝精度要求高，長度偏差不大于1 mm，次軸節(jié)點(diǎn)高程偏差不超過30 mm。

2)為保證膜材安裝獲得好的排水效果，在膜結(jié)構(gòu)深化設(shè)計(jì)時(shí)要綜合索結(jié)構(gòu)施工偏差、膜材張拉時(shí)產(chǎn)生的二次變形及伸長率、膜單元熱合長度機(jī)卷邊長度等影響，通過自動(dòng)化專業(yè)設(shè)備合理進(jìn)行膜單元自動(dòng)化配置。

3)膜結(jié)構(gòu)在安裝過程中要做好以下幾點(diǎn)：膜材展開和穿拱過程中膜材的成品保護(hù)；膜材在穿拱過程中的拱桿節(jié)點(diǎn)位移；膜材與水平索連接要保證膜面排水通暢。

4)從膜材應(yīng)力分析來看，應(yīng)力偏差因施工方法不同而各異，要進(jìn)行改進(jìn)。例如：壓膜材螺栓要用沉頭螺栓，否則會(huì)造成防水膜損壞；拱桿節(jié)點(diǎn)位置的壓膜板不能做成整根；膜體加工時(shí)要考慮安裝順序，預(yù)留安裝接口。

5)膜材在運(yùn)輸前已正反折疊，運(yùn)輸至施工現(xiàn)場(chǎng)后，須清理膜表面；在牽引過程中不得與鋼結(jié)構(gòu)接觸，以保證膜面的完整性和清潔度。

5 結(jié)語

卡塔爾盧塞爾體育場(chǎng)索、拱桿、膜材料都是采用在國內(nèi)加工，海運(yùn)到卡塔爾盧塞爾體育場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)，整個(gè)安裝工程比較順利，整體滿足項(xiàng)目工期要求，2020年9月實(shí)現(xiàn)竣工，受到卡塔爾政府的高度稱贊，保證了2022年卡塔爾世界杯的按期舉辦，取得了良好的社會(huì)效益。實(shí)踐證明了該索膜施工工藝合理、技術(shù)措施可行性，為同類工程施工提供了較好的借鑒價(jià)值。