雙曲面多功能膜結構建造關鍵技術研究

衛晉生

(山西建筑工程集團有限公司，山西 太原 030001)

科學技術的不斷發展，為建筑項目的建設提供了更多樣化的新型技術和材料，能夠滿足業主對建筑項目施工建設的多方面要求。膜結構是現代建筑行業發展背景下提出的1種新型建筑結構構件，主要作為1種覆蓋結構，基于良好的耐久性、隔熱性等優勢，滿足建筑結構施工質量的要求。結合實際的工程案例對雙曲面多功能膜結構建造技術進行分析，對促進膜結構技術的發展具有積極的意義。

1 膜結構施工技術

1.1 膜結構的基本性質

膜結構的應用原料以具有高強度的薄膜材料和鋼結構等加強構件為主，主要依據預張應力來形成某種具體的空間形狀。將膜結構作為建筑項目的覆蓋結構，可以在讓膜結構承受一定外荷載的基礎上，達到理想的建筑空間結構外形，同時也能夠滿足建筑施工質量的要求[1]。從本質上來看，膜結構屬于一種張力結構，需要在受到張力作用的情況下，才能夠讓膜結構的形狀和剛度產生變化，應用這一方式能夠賦予建筑力的平衡美，也能夠有效滿足建筑規劃大跨度和覆蓋大空間的主要目的。

1.2 膜結構施工技術過程

通常情況下，進行膜結構施工前，需要做好設計圖紙的交底工作，并能夠認真進行安裝與設計的配合會審，并通過規范例會制度、制定專題討論會和加強質檢的方式，保障施工技術的應用效果和質量水平。在實際施工中，需要按照加工制作鋼結構、加工制作膜結構、鋼結構的拼裝與吊裝、膜結構的安裝與張拉的順序來進行施工[2]。整個施工過程需要嚴格按照相應的規范進行，盡可能避免由于焊縫、材料運輸、吊裝安裝等過程的不規范，對最終的膜結構呈現效果造成影響。

2 基于實例的雙曲面多功能膜結構建造技術分析

膜結構作為一種新型材料，在環保、安全、節能等方面有著較為明顯的優勢。為進一步探討膜結構在建筑項目中的應用特點和優勢，讓其在建筑行業發展中發揮更大的作用，結合某建筑項目應用膜結構的實際案例，對該項目中應用的雙曲面多功能膜結構建造技術進行分析，探討能夠基于膜結構原理，選擇更優質的膜結構來滿足建筑項目建設要求，從而有效促進建筑項目的建設發展[3]。基于此，重點從以下方面，探討雙曲面多功能膜結構建造技術的應用情況。

2.1 工程概況

現階段，膜結構施工技術在體育場館類的建筑項目中有著更為廣泛的應用。本文選擇的膜結構建筑項目為某工程，該工程屋蓋以鋼結構環桁架+索結構+金屬屋面+人字形玻璃天窗為主要結構，屋蓋整體呈馬鞍形，東西最高點33.8m，南北最高點為15.4m。考慮該建筑項目的應用功能，在選擇膜結構施工技術時，以G類膜材為主，選擇以鋼結構骨架為主的玻纖膜和以索-鋼-鋁網架為主的低輻射吸聲膜，供給不同的建筑內部空間應用。該項目建設中應用的膜材料性能如表1所示。

表1 膜材料參數

2.2 膜結構深化設計

2.2.1 膜結構施工方案的深化設計

為讓膜結構的施工符合項目的整體建設要求，該工程在施工前對膜結構的具體施工方案進行了深化設計，能夠基于建筑本身的功能特點，發揮膜結構的作用價值。考慮該工程中應用的膜結構位置在室內，且低輻射吸聲膜的龍骨吊掛在索網的下方，以保障建筑內部空間的整體呈現效果為主要目的，由于膜單元隨著索網的尺寸而變化，在索網網格投影尺寸為4m×4m、膜材標準寬度為2.62m的前提下，要求取每個4m寬的南北長向為1個膜單元，且焊縫搭接的長度應超過50mm。

在這一前提下，該工程主要提出3種不同的膜結構施工方案。

方案一強調將膜焊縫布置在膜單元的正中位置，將膜材的損耗率控制在45%左右；方案二則要求讓膜材緊貼膜單元進行布置，且基于膜焊縫，將膜單元分為一寬一窄2條膜片，將膜材的損耗率控制在42%左右；方案三則需要將膜材布置在膜單元的正中位置，以兩側對稱的方式來布置窄條膜材。這一方案下膜材的損耗率在30%左右。

結合以上3種方案的深化設計思路，發現該項目應用的膜結構施工技術，以雙曲面膜結構為主。在綜合考慮3種方案的施工難度、施工期限以及經濟效益等因素后，該項目主要選擇方案三進行膜材焊縫施工。

2.2.2 多功能膜結構的設計

在此基礎上，考慮該建筑項目的實際建設要求，為能夠讓建筑吊頂適當吊掛重物，選擇在低輻射吸聲膜的節點處設置吊環和開口，以實現封閉，滿足多樣化的吊頂功能需求。

選擇應用低輻射吸聲膜，需要考慮該類膜材料的物理參數，為滿足建筑項目應用膜結構的降噪要求，在明確低輻射吸聲膜的單獨吸聲系數為0.3的基礎上，可以通過安裝吸音棉的方式來進一步發揮降噪的功能作用[4]。在明確這一思路的前提下，需要對安裝吸音棉后的吸聲系數進行計算分析。在施工應用的材料尺寸為1 200mm×600mm×50mm，膜面密度為2.2kg/m2的前提下，將安裝吸音棉后的膜結構構件置于混響室，計算統計在100～5 000Hz范圍內的平均吸聲系數達到0.87，進一步依據以下公式(1)，可以得到安裝吸音棉后的膜結構的整體降噪系數：

(1)

在該式中，αs代表吸聲系數，NRC代表降噪系數。

除此之外，考慮建筑項目屋蓋的反射率要求，還可以在膜材的表面鍍Low-E涂層，在事先對涂層的質量效果進行檢驗達到標準之后，將其融入到膜結構的設計施工方案和圖紙當中。

2.2.3 膜結構的接地設計

除對膜結構建筑的基本結構以及功能進行深化設計外，還需要注重考慮膜結構應用的安全性，加強對其的接地設計。在應用傳統建筑結構的常規方法進行接地處理時，金屬構建應在結構基礎上或能夠與基礎連接成為一個整體，按照接地材料的方式進行連接。而考慮該項目建筑的內部擁有電子信息系統，在接地設計方面，主要可以通過共用接地的方式，按照接地電阻的最小值來進行連接[5]。考慮膜結構的構架大多直接與空氣接觸，面對雷電天氣，可以在以基礎鋼筋進行自然接地的同時，通過構建加密網格的方式，讓膜結構能夠形成一個完整的電氣通路，并通過設置支撐架的方式，達到預防跨步電壓的目的。

2.3 鋼結構的加工制作與拼裝吊裝

2.3.1 鋼結構的加工制作

在鋼結構的加工制作中，應明確鋼結構中每種桿件的下料長度和桿件的具體規格，基于鋼管的相貫尺寸，應用自動切割機來切割相貫線，避免壁厚與坡口造成尺寸偏差。對鋼結構的焊接加工，應保證焊縫的焊接效果，在焊接完成后以超聲波探傷的方式進行焊縫的質量檢驗，保障鋼結構的質量效果。

2.3.2 鋼結構的拼裝吊裝

針對鋼結構的施工，應主要采取分段拼裝的方式，應用幾臺吊車同時進行吊裝作業，滿足一些大型鋼桁架的吊裝作業需求。幾臺吊車在同時工作時，應在場內外將主桁架和主預應力索吊到作業面上，將有支承段的桁架部分置于混凝土柱旁。然后需要基于鋼結構的預拼裝情況進行焊接作業，完成焊接后在鋼結構的表面噴涂油漆。針對鋼結構吊裝安裝施工中必然存在的誤差問題，應做好針對鋼結構基礎的頂面標高、軸線尺寸等參數的復測工作，讓結構內部的預應力分布情況符合建筑規范的要求，從而保障建筑結構整體的安全性。

2.4 膜結構的施工過程

2.4.1 膜結構的加工制作

對膜結構的加工制作，應考慮膜材本身的裁剪以及包裝過程都較為復雜，以保障膜材的加工精度為主要目的。在加工制作前，抽取相應數量的膜片以及背貼條樣品進行質量檢驗，基于雙向拉斷實驗的目的，從駁接溫度、電流、壓刀時間等參數的變化角度，獲得更直接的駁接數據。在正式熱合加工前，也需要通過焊接實驗的方式來驗證焊接強度，保證得到的膜材符合項目的整體建設要求。結合本文中建筑項目的實際情況，在考慮鎖膜結果本身為空間曲面的情況下，以裁剪的方式來通過平面膜材表示空間曲面，應注重裁剪過程中容易出現的誤差問題。整個裁剪過程中盡可能避免膜體發生折疊而彎曲，影響建筑整體的美觀效果。

2.4.2 膜材下料與地面鋪裝

在實際的膜結構施工中，應基于保障膜材清潔效果，避免膜材損傷的總體目標和要求，首先需要將膜材下料，在明確建筑項目需要應用的膜材材料和建材尺寸的前提下，以構建建筑結構模型的方式，明確進行膜材下料的主要流程和基本方法。為達到膜結構施工的質量目標，在膜材施工階段，應始終圍繞張拉力的控制來進行施工。具體而言，對建筑索網結構尺寸進行測量與復核后，通過BIM技術來構建符合實際情況的建筑模型，基于模型來對屋蓋膜材的荷載動態變化情況進行模擬分析，在荷載變化的過程中找出能夠滿足建筑施工建設要求的預應力狀態的空間曲面，然后將曲面轉化為無應力狀態下的平面下料模型，供給后續施工建設進行參考。

在模擬下料完成后，需要在地面完成膜材的鋪裝和組裝，在對地面進行清潔處理后，安裝膜龍骨時，應在龍骨上安裝好吊繩、安全網、腳手板馬道等安全設施，檢查膜面尺寸、搭接等準確無誤。然后就可以安裝四周鋁合金夾具，以此來構成1個完整的膜單元。該項目在安裝膜單元時，主要以工裝連接的方式來保障膜單元的連接效果。

2.4.3 膜結構整體吊裝

當前膜結構施工中主要應用多點整體提升法進行吊裝作業，考慮該建筑項目的規模和場地覆蓋范圍較大，相應的所需的屋蓋膜結構也較多，在實際施工中，該項目主要選擇巨長條狀的膜單元進行整體吊裝施工。在這一過程中，結合深化設計提出的方案三要求，將低輻射吸聲膜沿南北共劃分為49個長條狀的膜單元。

在吊裝施工中，以整體提升的方式，遵循索網網格的投影尺寸，每隔4m沿膜單元附屬框架的四周設置1個提升吊點，并以臨時吊裝工裝來為膜吊裝提供便利。在這一過程中，所有膜單元中的滑輪卷揚機以統一的速度提升，至距離地面0.5m時停止。整個起吊過程需對吊點的上升速度和距離進行嚴格控制，讓膜面的傳力均勻。

2.4.4 膜單元安裝與張拉

考慮未張緊的膜材容易受到風載作用影響而導致破損，應在安裝作業中盡可能降低風載作用的影響，盡可能選擇無風的情況下進行施工。在安裝和張拉膜單元時，需要基于膜單元吊裝的實際要求，結合安裝圖紙中的規定順序，在保證膜單元定位點與膜附屬框架邊界對正的前提下，依次進行鋁合金夾具以及螺栓等附件的安裝施工。整個安裝過程應基于膜結構安裝的預應力張拉過程，先短邊再長邊，在每次張拉完成后，都需要對膜面的應力變化情況進行檢測。在預應力張拉完成后，需要基于設計張拉的位移量來進行位移量的偏差計算。

在明確以上基本步驟和程序后，設計人員應能夠基于膜結構的材料、形狀以及結構的使用荷載，確定膜面預應力的大小，以預應力最低值下的荷載工況組合不會導致膜面出現局部松弛為標準。通常情況下，膜結構的預應力水平范圍在1～4kN/m之間，針對本項目中的馬鞍形膜結構單元，需以對角同步或依次調整的方式逐漸將預應力加到設定值。

在安裝完成后，還需要針對膜面是否存在滲漏情況、是否有明顯褶皺和積水、膜面顏色呈現效果、連接節點牢固程度、是否存在明顯蹭傷情況進行檢驗，用以保證膜結構的施工質量和效果。除此之外，考慮本文選擇的項目在應用膜結構施工技術時，還基于降噪需求，通過吸聲系數以及降噪膜材的選擇來滿足膜結構施工建設的多功能要求，可以在應用膜結構施工技術的過程中，深入探索其他能夠優化提升和豐富膜結構功能的施工方式，以此來更好地滿足各類建筑項目的功能和美觀性建設要求，提升建筑的整體呈現效果。

3 結語

綜上所述，雙曲面多功能膜結構建造技術的應用，能夠有效提升建筑結構的施工質量和水平。相較于一般的膜結構，雙曲面膜結構擁有更明顯的優勢。在實際的施工建設中，需要基于項目的建設需求，在對膜結構進行深化設計的基礎上，規范進行膜結構施工的主要工序，以此來保障膜結構技術施工建設的實際效果，同時也能夠為提升建筑項目的質量和呈現效果起到積極的作用。