傅樂(lè)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(jié)構(gòu)是指通過(guò)拉索給柔性膜材料施加預(yù)應(yīng)力從而獲得承受外部荷載并具有一定剛度的建筑結(jié)構(gòu)，索膜結(jié)構(gòu)豐富的表現(xiàn)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(jié)構(gòu)。近年來(lái)，隨著社會(huì)、經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，膜索結(jié)構(gòu)中復(fù)合膜材的種類(lèi)也越來(lái)越多，常見(jiàn)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(dòng)裁切機(jī)加工膜材，張拉時(shí)控制批次、順序、量值和速度。潘潤(rùn)軍研究某大型游樂(lè)項(xiàng)目ETFE膜安裝流程及施工工藝，并對(duì)與膜材連接的鋁型材進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)。張勇研究ETFE膜結(jié)構(gòu)的連接節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)、工廠加工、現(xiàn)場(chǎng)安裝等細(xì)節(jié)，并探討各種節(jié)點(diǎn)形式的優(yōu)缺點(diǎn)。但目前的索膜結(jié)構(gòu)研究很少涉及仿生結(jié)構(gòu)張拉膜的安裝工藝。

1 工程概況

中國(guó)花卉博覽會(huì)(簡(jiǎn)稱(chēng)“花博會(huì)”)是我國(guó)規(guī)模最大、規(guī)格最高、影響最廣、內(nèi)容最豐富的國(guó)家級(jí)花事盛會(huì)。第十屆中國(guó)花博會(huì)選址上海市崇明區(qū)東平鎮(zhèn)，計(jì)劃于2021年5月21日正式開(kāi)幕。1號(hào)入口大門(mén)鋼膜建筑形似2棵枝繁葉茂的大樹(shù)，內(nèi)部采用仿葉脈骨架的鋼管桁架，外部采用仿樹(shù)狀的張拉膜體系，造型美觀獨(dú)特。1號(hào)入口大門(mén)建筑高19.21m、長(zhǎng)100m、寬40m，建筑面積4 500m2，用鋼量約400t，膜面總展開(kāi)面積近4 800m2。仿生樹(shù)狀構(gòu)筑物結(jié)合雨水回用系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)雨水的輸送、儲(chǔ)存、凈化，用于廣場(chǎng)區(qū)域的自動(dòng)灌溉和場(chǎng)地清洗。未來(lái)通過(guò)3D全息影像技術(shù)可在膜材表面投影出絢麗花海(見(jiàn)圖1)。

圖1 主入口大門(mén)平面

1號(hào)入口大門(mén)采用PVDF膜材，它是在PVC膜表面加以PVDF樹(shù)脂涂層制作而成，織物基材為聚酯纖維及玻璃纖維。與傳統(tǒng)的PVC膜材相比，PVDF膜材其耐用年限提高2倍以上，且具有自?xún)糇詽嵭?，后期無(wú)須清潔維護(hù)。1號(hào)入口大門(mén)膜結(jié)構(gòu)膜面共分為20個(gè)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(jī)械強(qiáng)度與堅(jiān)韌度及高耐磨性和耐熱穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)(見(jiàn)圖2)。

圖2 主入口大門(mén)膜結(jié)構(gòu)軸測(cè)

2 施工重難點(diǎn)

1)1號(hào)入口大門(mén)的膜結(jié)構(gòu)屬于反吊張拉膜(膜材在鋼桁架下方)，相鄰的膜材必須實(shí)現(xiàn)無(wú)縫拼接。

2)1號(hào)入口大門(mén)的膜結(jié)構(gòu)由10組對(duì)稱(chēng)的膜單元無(wú)縫拼接而成，各膜單元均是空間異形的不規(guī)則四邊形，對(duì)膜材的裁剪、下料及制作精度提出很高要求。

3)1號(hào)入口大門(mén)“上寬下窄”，周邊膜材懸挑長(zhǎng)度大且立面坡度較陡，仿生葉脈狀鋼桁架上膜材安裝節(jié)點(diǎn)多達(dá)2 000多個(gè)，鋼桁架上焊接懸挑腳手架的常規(guī)方案無(wú)法適用。

4)1號(hào)入口大門(mén)的膜材安裝時(shí)間在11—12月，崇明冬季多大風(fēng)天氣?，F(xiàn)場(chǎng)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(jié)構(gòu)不受大風(fēng)影響而受損。

綜上所述，本工程首先使用全站儀測(cè)量仿生葉脈狀鋼結(jié)構(gòu)的空間點(diǎn)位數(shù)據(jù)，將其導(dǎo)入BK專(zhuān)用切割系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)膜材的數(shù)字化精確加工；然后沿主要鋼桁架豎向固定數(shù)條鋼索及竹爬梯，形成蛛網(wǎng)狀施工操作平臺(tái)；最后采用從上至下、相鄰相接的順序安裝膜材。安裝過(guò)程中，利用登高車(chē)優(yōu)先固定膜材的上側(cè)、左側(cè)、右側(cè)3個(gè)邊的安裝節(jié)點(diǎn)，再利用蛛網(wǎng)狀操作平臺(tái)固定膜材的下側(cè)安裝節(jié)點(diǎn)。

3 關(guān)鍵施工工藝

3.1 鋼膜安裝節(jié)點(diǎn)

為實(shí)現(xiàn)反吊張拉膜的無(wú)縫拼接、應(yīng)力分布均勻無(wú)褶皺，針對(duì)不同桿件設(shè)計(jì)3種鋼膜連接節(jié)點(diǎn)，如圖3所示。其中，A類(lèi)鋼膜節(jié)點(diǎn)適用于1—1，2—2，3—3斷面，采用內(nèi)扣式U型拉膜專(zhuān)用鋁型材，主要用于較大面積膜材的拼縫處；B類(lèi)鋼膜節(jié)點(diǎn)適用于4—4，5—5，6—6，7—7斷面，采用雙邊拉膜專(zhuān)用鋁型材，主要用于較大面積膜材的中間固定；C類(lèi)鋼膜節(jié)點(diǎn)適用于8—8斷面，采用單邊拉膜專(zhuān)用鋁型材，主要用于結(jié)構(gòu)邊緣懸挑區(qū)域的張拉固定。

圖3 鋼膜節(jié)點(diǎn)深化設(shè)計(jì)

3.2 膜材劃分與加工

主入口大門(mén)的膜材劃分為對(duì)稱(chēng)的10組，整體上從中間分開(kāi)安裝，最后閉合1道龍門(mén)，如圖4所示，圖中序號(hào)代表膜單元的安裝先后順序。主入口大門(mén)的鋼結(jié)構(gòu)骨架安裝完成后，先焊接鋼膜節(jié)點(diǎn)構(gòu)件，然后現(xiàn)場(chǎng)使用全站儀對(duì)膜材拼縫處的膜節(jié)點(diǎn)進(jìn)行空間數(shù)據(jù)采集，最后將測(cè)量數(shù)據(jù)導(dǎo)入BK專(zhuān)用切割系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)膜材尺寸的數(shù)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(guī)則膜材的裁切精確度和生產(chǎn)效率。

圖4 膜單元安裝順序示意

3.3 蛛網(wǎng)狀操作平臺(tái)

結(jié)合主入口大門(mén)仿生樹(shù)形的建筑特點(diǎn)，提出搭設(shè)蛛網(wǎng)狀操作平臺(tái)的思路以實(shí)現(xiàn)懸挑結(jié)構(gòu)的反吊膜安裝工藝(見(jiàn)圖5)。具體實(shí)施方案如下。

圖5 蛛網(wǎng)狀操作平臺(tái)平面布置

1)采用10mm鍍鋅鋼絲繩將豎向鋼管的各節(jié)點(diǎn)水平橫向拉結(jié)，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(gè)環(huán)狀鍍鋅鋼絲繩圓環(huán)，以此作為蛛網(wǎng)狀操作平臺(tái)橫向柔性骨架。

2)沿鋼管節(jié)點(diǎn)豎向布置竹梯，竹梯與環(huán)狀鍍鋅鋼絲繩采用10號(hào)鐵絲雙股固定，每節(jié)竹梯與鍍鋅鋼絲繩的連接節(jié)點(diǎn)≥3道，兩節(jié)竹梯之間同樣采用10號(hào)鐵絲雙股固定。豎向鋼管兩側(cè)的竹梯還須與鋼管節(jié)點(diǎn)固定牢靠。豎向竹梯不僅作為珠狀網(wǎng)操作平臺(tái)的豎向骨架，也作為上下該平臺(tái)的通道。

3)利用登高車(chē)在每節(jié)豎向主鋼管上各設(shè)置1道防墜器，作為膜材安裝人員的安全保障措施。同時(shí)，竹梯的上、下兩端要包裹嚴(yán)密，防止劃傷鋼管涂裝與膜材(見(jiàn)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(gè)角點(diǎn)，經(jīng)全站儀測(cè)量復(fù)核后再固定膜片的配件節(jié)點(diǎn)，應(yīng)順著膜片邊的延伸方向，逐個(gè)將膜片的鋁合金型材和不銹鋼配件安裝牢固。

2)膜材臨時(shí)固定 將膜材放置于相應(yīng)區(qū)域的地面上，人工將拉膜專(zhuān)用鋁材穿拉固定至膜材上，注意膜材方向與結(jié)構(gòu)方向一致。用專(zhuān)用鋼夾板固定膜邊索作為起吊吊點(diǎn)，利用汽車(chē)式起重機(jī)將整塊膜從下至上吊起，用手拉葫蘆張拉膜邊索內(nèi)鋼絞線(xiàn)將膜上部2個(gè)角點(diǎn)固定至膜角板上。再利用登高車(chē)，將膜下部角點(diǎn)通過(guò)手拉葫蘆固定至底部鋼桁架上，完成整塊膜的臨時(shí)固定。

3)膜節(jié)點(diǎn)固定 豎向膜節(jié)點(diǎn)利用登高車(chē)，從上部膜角板(膜節(jié)點(diǎn))向下依次安裝。安裝時(shí)，用3～4根鋼絲繩將膜邊分段，臨時(shí)固定至附近膜節(jié)點(diǎn)，方便安裝。把拉膜專(zhuān)用鋁材與手拉葫蘆固定，轉(zhuǎn)動(dòng)手拉葫蘆將拉膜專(zhuān)用鋁材頂至相應(yīng)膜節(jié)點(diǎn)上，再用手電鉆將M12×90不銹鋼螺栓與拉膜專(zhuān)用鋁材固定至膜節(jié)點(diǎn)上。待該段大部分膜節(jié)點(diǎn)固定完畢后，解開(kāi)下方鋼絲繩，進(jìn)行下一段膜節(jié)點(diǎn)安裝。待豎向膜節(jié)點(diǎn)安裝完成后，利用蛛網(wǎng)狀操作平臺(tái)進(jìn)行橫向膜節(jié)點(diǎn)安裝，安裝方法與豎向膜節(jié)點(diǎn)相同。

4)相鄰膜材合龍 先在鋁合金型材側(cè)面用直徑10mm鉆頭打孔，內(nèi)穿直徑6～8mm鋼絲繩，通過(guò)手拉葫蘆張拉鋼絲繩使2件鋁型材閉合。確認(rèn)2個(gè)鋁型材的原螺栓孔對(duì)齊后，暫時(shí)固定張拉鋼絲繩，用M12×90不銹鋼螺栓把2件拉膜專(zhuān)用鋁材固定在一起。最后，松開(kāi)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(shí)，通過(guò)每塊夾板對(duì)膜單元邊界逐一施加張力，補(bǔ)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(duì)應(yīng)。安裝過(guò)程中應(yīng)及時(shí)檢查膜面應(yīng)力值，確保膜面應(yīng)力達(dá)到設(shè)計(jì)要求。待所有膜材均固定后，從上往下對(duì)每個(gè)膜單元進(jìn)行檢查調(diào)整。通過(guò)觀察膜面的松弛程度，將對(duì)應(yīng)區(qū)域的螺栓進(jìn)行微調(diào)，確保膜面均張拉至光滑無(wú)褶皺。待各膜單元均安裝完成后，利用起重機(jī)配合索具的安裝。索具安裝完畢后，用發(fā)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(tái)拆除 膜片安裝完畢，梯子繩網(wǎng)即可撤除。每單元緊固件全部安裝完畢，碰損油漆及時(shí)補(bǔ)刷同時(shí)跟進(jìn)，膜單元檢查無(wú)缺陷后即可分步解除梯子，循環(huán)使用梯子及繩網(wǎng)。

4 結(jié)語(yǔ)

第十屆中國(guó)花博會(huì)的主入口大門(mén)采用仿葉脈狀鋼桁架外掛PVDF張拉膜體系，高19.21m、長(zhǎng)100m、寬40m，膜展開(kāi)面積約4 800m2，會(huì)展期間將結(jié)合3D全息影像技術(shù)營(yíng)造絢麗花海，其造型獨(dú)特、結(jié)構(gòu)優(yōu)美，但安裝難度很大。施工過(guò)程中，將膜面劃分為10組對(duì)稱(chēng)的膜單元，最大單元膜面積350m2。現(xiàn)場(chǎng)采用全站儀測(cè)量鋼構(gòu)件空間數(shù)據(jù)，將其輸入BK專(zhuān)用切割系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)膜材的數(shù)字化加工。因膜單元屬于反吊膜，現(xiàn)場(chǎng)搭設(shè)蛛網(wǎng)狀施工操作平臺(tái)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(shí)固定、膜節(jié)點(diǎn)緊固、索具張拉等工藝。