索膜技術在體育場結構中的應用
——以昆山市專業足球場索膜結構工程為例

于相平 于安福 劉 亞

20 世紀70 年代以后，隨著工程計算科學的飛速發展，索膜建筑結構體系開始引起人們的關注，已大量應用在濱海旅游、博覽會、文藝、體育等大空間的公共建筑上。日本東京室內棒球館、美國的丹佛新國際機場候機大廳及英國泰晤士河畔的千年穹頂，均為世界矚目的、采用索膜結構體系建成的標志性建筑。

目前，很多學者已經對索膜技術展開研究。例如，楊鐳對懸挑式空間索膜結構施工技術展開研究，分析了懸挑式空間索膜結構施工技術的具體應用，說明懸挑式空間索膜結構的應用能夠充分發揮該種結構的剛度、強度優勢，保障整體結構的穩定性[1]；常文慧對大跨度網架進口膜索結構安裝施工技術展開研究，說明采取大跨度網架進口索膜結構安裝施工技術進行施工，能夠解決網架結構損壞嚴重、距地高度高及施工位置復雜、操作難等問題，滿足工程合同需求[2]。上述研究雖然說明了索膜技術在工程項目中的應用效果，但沒有對預應力鋼索安裝方案、屋面膜結構系統安裝方案的具體施工方法進行深入研究。基于此，本文以昆山市專業足球場索膜結構工程為例，對索膜安裝方案進行詳細研究。

1 工程簡介

1.1 工程概況

項目位于蘇州昆山經濟技術開發區東城大道東側，景王路北側，是2023 年亞洲杯足球賽的賽場之一，用地面積約199 998 m2，總建筑面積134 900 m2，地上建筑104 950 m2，足球場建筑共地上5 層，建筑高度45.3 m。屋蓋主要由徑向鋼桁架與預應力拉索組成，拉索采用高釩鍍層索，屋面拉索直徑為Φ50與Φ70，立面拉索直徑為Φ30、Φ48 和Φ50。整體平面為四角倒角的長方形，總長度、255 m，總寬度218 m，中間開孔也為近似長方形，開孔長度為130.4 m，寬度為93.4 m，圍繞一圈共36 榀三角桁架，外圈檐口高度為43.9 m，桁架前后懸挑長度為62.3 m[3]。足球場屋面和立面均采用聚四氟乙烯（Poly Tetra Fluoroethylene，PTFE）膜材，每榀桁架下方包裹PTFE 吊頂膜材[4]。

1.2 屋面膜結構系統概況

屋面膜結構系統分為內環膜單元和外環膜單元兩部分。其中，內環膜共計36 個單元，每個單元內分為沿徑向索分開的2 片，呈沿徑向索、向外環逐漸下降的T 型形狀，標高為43 ～38 m，寬度約8 m，長度約52 m，膜單元投影面積約800 m2；外環膜共計36 個單元，每個單元1 片，呈沿背索、向內環逐漸下降的三角形狀，標高為43 ～38 m，寬度約17 m，長度約13 m，膜單元投影面積約120 m2。

屋面膜結構系統的節點構造分為兩種：第一種節點采用U 型夾+鋁合金拉膜條，主要位于內壓環梁處、桁架箱型梁處、徑向索處和背索處；第二種節點采用“L 型板件+鋁合金拉膜條+調節螺栓”，主要位于檐口（外環膜單元外側邊界）和排水柱位置。需要注意的是，屋面膜單元所有節點上方均設置防水膜，現場進行焊接，其中徑向索和背索的防水膜下方加裝檢修踏板，同時作為頂撐防水膜的構件[5]。

2 索膜安裝方案

索膜安裝方案分為預應力鋼索安裝和屋面膜結構系統安裝兩部分，安裝流程圖如圖1 所示。

圖1 索膜安裝流程（來源：作者自繪）

2.1 預應力鋼索安裝方案

2.1.1 展索施工

2.1.1.1 施工方法

本工程的最大索直徑為98 mm，盤圈直徑約3 m，單根拉索重量約3 t，屬于較大的鋼索類型。本工程對展索施工的要求較高，應避免展開的預應力鋼索與地面摩擦而損壞鋼索。施工方法選擇使用展索盤施工，利用展索盤將鋼索盤踞在施工指定地點，展開拉索的盤圈直徑不小于拉索直徑的30 倍，并在展開的索下以5 ～6 m 間距放置小車，進一步保護鋼索的施工安全。

2.1.1.2 施工注意事項

展索過程中應該注意以下事項。

第一，拉索運輸過程中，應當使用錨具固定在拉索成圈兩端，防止運輸顛簸導致鋼索損壞。

第二，施工單位應當在施工現場劃分出指定的拉索放置區域，該區域應當放置安全標識和拉索墊板。墊板應當保持平整、潔凈，確保沒有雜物阻擋拉索放置。另外，拉索完成放置后，應當注意拉索的保護和儲存，保證放置區域的干燥、清潔、通風。

第三，拉索放置應當使用與拉索規格相同的索盤，本工程拉索直徑98 mm，盤圈直徑為3 m，所以選擇的索盤直徑為100 mm、盤圈直徑為3.1 m。索盤應當水平放置在墊板上，并且按照索盤方向逆時針放置拉索。嚴禁在拉索沒有打開時直接豎直吊拉拉索，進而防止拉索刮傷、碰撞。

第四，展索過程中嚴禁出現索體打結的現象，防止索體出現散股引起跳絲。同時，應當全程使用叉車移動拉索，避免因操作不當引起索體損壞。

第五，施工單位應當設立專人看管拉索，避免拉索與其他施工設備、工程原料產生碰撞、摩擦。需要定期檢查拉索，本工程的拉索檢查期限設置為每天記錄檢查、3 d 整體檢查。檢查過程中發現拉索變形、扭曲、磨損、跳絲、散股、劃傷及碰傷等現象時，應當根據受損情況進行修復，無法修復的拉索應當及時進行報廢處理，防止損壞的拉索投入應用造成較大的經濟損失。

第六，本工程的拉索索頭均進行過熱噴鋅加環氧富鋅底漆處理，用于拉索防氧化和防腐。雖然該處理能夠起到一定作用，但整體展索施工后還需要再進行二次防腐處理。

2.1.2 拉索安裝施工

拉索安裝施工主要使用100 t 吊車進行預應力拉索，首先定位吊車位置的端索頭，再通過導鏈調整另一個端索頭的位置并固定在合適位置。兩端的索頭固定完畢后，可以展開地面預應力拉索，并將拉索移動到桁架處。桁架內外側拉索錨固處設置施工操作平臺，展索完成后使用汽車吊安裝拉索。

2.1.3 整體張拉施工

本工程的整體張拉施工參考了構件的幾何參數和力學特性，從設計上完成了“力”和“形”的平衡統一。整體結構為柔性架構，各個張拉組之間環環相扣，張拉施工是索系索力重分布和形成平衡態的過程，是拉索體系受力的關鍵。當所有張拉組的安裝和鋼結構焊接完成后，需要將桁架間的屋面谷索設置為固定索，谷索不用張拉被動受力，采用同時張拉兩根背索進行張拉施工。桁架間的立面拉索張拉原則為左右對稱張拉，所有拉索張拉分為兩級，第一級為目標力值的75%，第二級為100%。

2.2 屋面膜結構系統安裝方案

2.2.1 屋面內環膜單元安裝

2.2.1.1 吊裝準備

屋面內環膜單元安裝前要做好前期準備工作。首先，將膜材放置在安裝起吊的位置，方便起吊。本工程的膜材量較大，起吊位置無法完全鋪放，所以使用叉車對膜材進行二次搬運。其次，在檐口的外環壓環梁均布安裝4 臺1.5 t 卷揚機，將鋼絲繩沿徑向索放置在接近內壓環梁的安全網上，并在起吊前對內環膜單元內壓環梁邊界展開1～2 m。最后，在膜邊界兩端增設鋁合金拉膜條夾具，在內壓環梁外側、桁架箱型梁內側的二次鋼構和徑向索、背索上套入U 型夾，防止拉膜條脫落，提高施工安全性。

2.2.1.2 起吊和內壓環梁膜邊界的安裝

該環節的安裝需要先將膜卷起吊至高于內壓環梁1 ～2 m 的高度，再逐漸下放膜卷，使已展開的1 ～2 m 的膜邊界接近已安裝U 型夾的二次鋼構。完成二次鋼構安裝后，應從內壓環梁的中間（即單片膜片的一側）向桁架箱型梁方向進行連接，并在靠近桁架箱型梁的位置預留一個臨時安裝夾具。

2.2.1.3 桁架箱型梁膜邊界的臨時固定

內壓環梁邊界安裝完成后，吊機繼續下放膜卷，直至膜卷至安全網表面，吊裝支架即可拆除，吊機可移至下片膜材或下個單元進行吊裝。再使用卷揚機預留的鋼絲繩穿設在膜卷兩側的吊裝耳板上，啟動卷揚機，使膜卷向外環方向展開，展開同時在徑向索和桁架箱型梁膜邊界上穿設鋁合金拉膜條，間隔使用臨時安裝夾具（間距不大于1 500 m）和套環上連接的緊繩器分別與索體和桁架箱型梁內側二次鋼構進行臨時拉結。直至膜單元全部展開，吊機將膜卷的卷芯吊離，沿膜卷的展開方向逐步將徑向索上已穿設的U 型夾與膜邊界的鋁合金拉膜條進行連接固定。固定后應在徑向索邊界接近排水柱的位置預留一個臨時安裝夾具，用于穿設排水柱邊界鋁合金。

2.2.1.4 排水柱膜邊界的安裝和背索膜邊界的安裝、張拉

將安裝螺栓穿入排水柱邊界的鋁合金拉膜條，完成排水柱邊界的安裝工作。由排水柱至桁架箱型梁方向，通過緊繩器的收緊，對臨時拉結的背索邊界進行張拉，一次未張拉到位的，保持臨時安裝夾具和緊繩器的拉結，按張拉順序逐步張拉到位并且將背索索體上的U 型夾與鋁合金拉膜條完成連接后，可以逐步拆除臨時安裝夾具。

2.2.1.5 桁架箱型梁膜邊界的張拉

沿桁架箱型梁中間向兩側的方向，分別通過收緊緊繩器對臨時拉結的桁架箱型梁膜邊界進行逐步張拉。一次未張拉到位的，保持臨時安裝夾具和緊繩器的拉結，按張拉順序逐步張拉到位后，才能逐步拆除臨時安裝夾具。

2.2.1.6 角部花籃螺栓的拉結

完成所有邊界張拉的同時，在各個角部位置安裝與主體結構連接的花籃螺栓，并緊固可調節螺桿，使膜角部位置有足夠的張力預應力，至此一個內環膜單元內的單片膜片的安裝全部完成。按上述步驟逐步完成內環膜單元的安裝。

2.2.2 屋面外環膜單元安裝

2.2.2.1 吊裝準備

與屋面內環膜單元安裝類似，屋面外環膜單元安裝也需要進行吊裝準備。同樣使用叉車對膜材進行二次搬運，并在檐口安裝四臺1.5 t 卷揚機備用，起吊前對外環膜單元檐口邊界展開1 m左右。最后在膜邊界兩端和背索上安裝鋁合金夾具和U 型夾，用于固定拉膜條，提高施工安全性。

2.2.2.2 起吊和外環壓環梁膜邊界安裝

起吊和外環壓環梁膜邊界的安裝，應將膜卷起吊至高于外環檐口1 ～2 m的高度，再逐漸下放膜卷，使膜邊界接近檐口二次鋼構的位置，在已穿設好的鋁合金拉膜條上穿設安裝螺栓，將安裝螺栓與二次鋼構進行連接。

2.2.2.3 膜卷的展開和背索膜邊界的安裝和張拉

拆除吊裝支架，沿外環壓環梁向排水柱方向展開膜卷，展開的同時在徑向索背索的膜邊界上穿設鋁合金拉膜條，并且間隔使用臨時安裝夾具（間距不可大于1 500 m）和套環上連接的緊繩器分別與索體進行臨時拉結，直至膜單元全部展開，吊機將膜卷的卷芯吊離。

張拉方向應當與排水柱方向相同，通過收緊緊繩器對臨時拉結的背索邊界進行張拉。一次未張拉到位的，應保持臨時安裝夾具和緊繩器的拉結，按張拉順序逐步張拉到位并且將背索索體上的U型夾與鋁合金拉膜條完成連接后，可以逐步拆除臨時安裝夾具。

2.2.2.4 排水柱膜邊界的安裝和張拉

拆除背索膜邊界預留的臨時安裝夾具，補足鋁合金拉膜條并使之與U 型夾進行連接。通過收緊緊繩器對排水柱邊界進行張拉，一次未張拉到位的，保持臨時安裝夾具和緊繩器的拉結。直至張拉到位，將安裝螺栓穿入排水柱邊界的鋁合金拉膜條，完成排水柱邊界的安裝工作。

2.2.2.5 屋面膜單元索邊界的檢修踏板安裝和防水膜焊接

內環膜單元的兩片膜片和外環膜單元的一片膜片安裝完成后，在索邊界（徑向索和背索）的連接鋁合金拉膜條的U型夾上安裝通長的檢修踏板。最后對所有邊界現場焊接同材質的防水膜，至此完成了一個屋面膜單元的全部安裝工作。

按照以上施工程序完成單個屋面內環膜單元安裝和屋面外環膜單元安裝后，應重復施工程序，完成所有36 個屋面膜單元的安裝，進而完成對昆山市專業足球場索膜結構的搭建。

3 結語

本文以昆山市專業足球場索膜結構工程為例，對索膜技術在體育場結構中的應用展開研究，詳細分析了索膜安裝方案。工程整體安裝進度較快，并完全滿足足球場的安裝需求，保證了2023 年亞洲杯足球賽的順利進行，具有較高的經濟價值和社會價值，值得推廣使用。