多柱穿膜條件下倒扣式張拉膜施工技術(shù)

□文/李學(xué)亮 徐前雄 林 愛(ài)

1 工程概況

位于天津市濱海高新區(qū)的海泰·渤龍?zhí)斓厣虡I(yè)街東端大型商業(yè)旗艦店屋面采用鋼結(jié)構(gòu)+膜結(jié)構(gòu)+金屬屋面結(jié)構(gòu)體系，南北長(zhǎng)62.7 m，東西長(zhǎng)48.6 m。膜結(jié)構(gòu)選用的膜面材料為日本進(jìn)口的聚四氟乙烯（PTFE）涂層的玻璃纖維織物，其各項(xiàng)力學(xué)性能等級(jí)為最高等級(jí)A級(jí)。膜面設(shè)計(jì)應(yīng)力3.5 kN/m，單片膜面積達(dá)900 m2，最大跨度62 m。膜面最高24 m，最低15.7 m，由62.7 m×48.6 m的矩形平面經(jīng)8.3 m的高差過(guò)渡，收縮至膜面重心位置形成的圓環(huán)，見(jiàn)圖1和圖2。

圖1 膜結(jié)構(gòu)屋面

圖2 膜結(jié)構(gòu)完成效果

膜結(jié)構(gòu)上端與屋頂鋼架下弦上的節(jié)點(diǎn)板螺栓連接，下端通過(guò)可調(diào)螺桿與直徑達(dá)12 m的鋼圓環(huán)連接，通過(guò)調(diào)節(jié)螺桿的長(zhǎng)度給整個(gè)膜面施加預(yù)張力。支撐張拉膜工程的鋼結(jié)構(gòu)由3部分組成，分別是屋面鋼框架、張拉膜下方支撐鋼柱、碗口部位鋼結(jié)構(gòu)圓環(huán)及拉桿。由于全部是倒扣式張拉膜，支撐屋面鋼框架結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)柱全部穿過(guò)張拉膜布，穿張拉膜膜布構(gòu)件數(shù)量達(dá)8根，8根鋼柱全部垂直或斜向穿張拉膜。

2 現(xiàn)場(chǎng)安裝施工技術(shù)的研究重點(diǎn)

2.1 倒扣式張拉膜安裝施工工藝

由于平面呈L形，膜面造型類(lèi)似于倒置的火山口狀且存在8根穿膜的結(jié)構(gòu)柱，膜布類(lèi)似于吊頂，膜布上部邊界整體連接在鋼結(jié)構(gòu)框架上，下部邊界連接在底部圓環(huán)上。張拉膜施工全程要倒扣安裝于結(jié)構(gòu)上，結(jié)構(gòu)定位、安全管理、膜布提升就位、細(xì)部處理、相關(guān)專(zhuān)業(yè)的技術(shù)協(xié)調(diào)難度較大。采用常規(guī)的施工工藝安裝將無(wú)法解決該問(wèn)題，經(jīng)過(guò)施工方案優(yōu)化、論證，采用高空柔性安裝的施工工藝進(jìn)行安裝。

2.2 多單元張拉膜連接方法

為保證穿膜位置節(jié)點(diǎn)處理精確性，在圖紙立柱位置，工廠預(yù)先將膜開(kāi)洞，在與之最近的一道最短焊縫做標(biāo)記，張拉膜膜布高空提升就位后，穿柱節(jié)點(diǎn)處理完成后，進(jìn)行短縫施工。同時(shí)張拉膜單元膜片之間將形成受力一致、弧度一致、表面光滑的倒傘狀膜布整體，單元膜布之間的連接固定也是重點(diǎn)解決的問(wèn)題。

2.3 結(jié)構(gòu)穿膜處理

支撐屋面鋼結(jié)構(gòu)的4根混凝土勁性立柱和4根鋼結(jié)構(gòu)支撐斜圓柱等結(jié)構(gòu)構(gòu)件均穿過(guò)膜面，如何解決方向各異、縱橫交錯(cuò)的結(jié)構(gòu)柱穿膜的節(jié)點(diǎn)處理也是本工程重點(diǎn)解決的問(wèn)題。通過(guò)科技查新，該施工情況在國(guó)內(nèi)外均為首次，施工前必須研究對(duì)應(yīng)措施。

3 交叉作業(yè)施工協(xié)調(diào)要點(diǎn)

3.1 典型位置做法

從圖3發(fā)現(xiàn)鋁板屋面、膜結(jié)構(gòu)屋面、鋼框架、膜下鋼結(jié)構(gòu)四者之間是相互交叉、相互影響的，每個(gè)專(zhuān)業(yè)都貫穿于其他專(zhuān)業(yè)的施工過(guò)程中，這種你中有我、我中有你的情況非常罕見(jiàn)。為此，在施工過(guò)程中，對(duì)交叉作業(yè)的協(xié)調(diào)專(zhuān)門(mén)進(jìn)行管理。

圖3 膜下鋼結(jié)構(gòu)

3.2 制約因素

1）膜下鋼結(jié)構(gòu)。包含8根鋼柱和碗口部位鋼結(jié)構(gòu)2種，8根鋼柱作為支撐鋼框架的支撐結(jié)構(gòu)；而碗口部位鋼結(jié)構(gòu)從屋面鋼框架螺栓球上二次焊接拉桿后，再焊接圓環(huán)。

鋼柱作為支撐結(jié)構(gòu)制約鋼架的施工，優(yōu)先施工。碗口部位鋼結(jié)構(gòu)由于完全是固定下方張拉膜造型需要設(shè)置的，在屋面鋼框架施工完成后施工。考慮張拉膜下邊界固定連接耳板位置，必須在張拉膜深化設(shè)計(jì)完成后施工，取得空間位置的統(tǒng)一。

2）鋼框架是鋼柱和鋁板屋面以及膜結(jié)構(gòu)屋面的中間傳力結(jié)構(gòu)，在膜下鋼結(jié)構(gòu)施工完后施工，完成后再施工碗口部位鋼結(jié)構(gòu)。

3）鋁板屋面位于整個(gè)屋面系統(tǒng)的最上層。在鋼框架屋面施工和圖紙深化設(shè)計(jì)完成后即可插入施工。由于張拉膜布最高點(diǎn)邊界固定在鋼框架位置的邊緣上，如鋁板屋面一次施工完成，將導(dǎo)致張拉膜施工單位進(jìn)行二次拆板且張拉膜施工單位的高空吊籃以及安全防護(hù)也無(wú)法保證。為此，在鋁板施工期間，預(yù)留屋面外側(cè)邊緣2塊板的寬度，滿足張拉膜施工的需要。

4）膜結(jié)構(gòu)屋面。施工前，膜下鋼結(jié)構(gòu)、鋼框架、鋁板屋面（除預(yù)留外）均需完成?？紤]吊裝施工工藝的影響，在張拉膜周邊1.5 m范圍內(nèi)的幕墻暫不施工，待張拉膜吊裝和細(xì)部處理完成后施工。

3.3 協(xié)調(diào)后的施工流程

協(xié)調(diào)后的施工流程見(jiàn)圖4。

圖4 各專(zhuān)業(yè)協(xié)調(diào)后的施工流程

4 施工工藝

4.1 倒扣式張拉膜安裝施工工藝

4.1.1 安裝總體思路

張拉膜安裝是在鋼結(jié)構(gòu)安裝結(jié)束后進(jìn)行。施工前將膜單元分別編號(hào)，見(jiàn)圖5。安裝時(shí)按照先小膜，后主體膜結(jié)構(gòu)單元的的順序依次施工。其中主體膜結(jié)構(gòu)是以鋁合金夾具為邊界，劃分為4個(gè)膜單元，記為M1，M2，M3，M4。安裝主體膜結(jié)構(gòu)單元時(shí)可采取在膜單元下方局部搭設(shè)腳手架的方式，將膜在腳手架平臺(tái)上展開(kāi)，用滑輪組和卷?yè)P(yáng)機(jī)聯(lián)合吊裝的方式將膜單元整體提升到位，將膜單元上下端分別與鋼結(jié)構(gòu)骨架用倒鏈做臨時(shí)連接。膜單元左右側(cè)可以通過(guò)張拉在膜材上預(yù)埋繩水平展開(kāi)，用鋁合金夾具將兩膜單元固定，順序安裝其他膜單元，并通過(guò)張拉圓環(huán)上的調(diào)節(jié)螺桿對(duì)膜面二次施加預(yù)張力，以達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

圖5 膜單元分區(qū)

4.1.2 安裝工藝流程

安裝前期準(zhǔn)備→安裝中間圓環(huán)上弧形小膜→搭設(shè)腳手架→腳手架上鋪設(shè)鋪地膜→展開(kāi)膜單元并連接膜四周附件→安裝滑輪組和卷?yè)P(yáng)機(jī)及拉設(shè)相鄰膜單元間的限位鋼索→膜單元整體提升→左右側(cè)張拉膜單元→安裝鋁合金夾具→調(diào)節(jié)張拉螺桿給膜面施加預(yù)張力→最后統(tǒng)一膜面清理→竣工驗(yàn)收。

4.1.3 安裝前期準(zhǔn)備

在鋼結(jié)構(gòu)安裝完畢后，首先確認(rèn)鋼結(jié)構(gòu)上連膜節(jié)點(diǎn)板及連索節(jié)點(diǎn)板焊接準(zhǔn)確無(wú)誤，在鋼梁上弦設(shè)置臨時(shí)鋼索，供安裝人員行走安裝時(shí)吊掛安全帶使用；同時(shí)屋面鋁板須周邊預(yù)留1.5 m的距離，便于安裝人員拉膜。高空準(zhǔn)備完成后，將膜單元下方投影區(qū)域地面清理干凈，鋪設(shè)地膜。保證幕墻墻面到膜面距離≮1 m。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境條件，設(shè)置滑輪組掛點(diǎn)。相鄰主體膜單元間拉設(shè)限位鋼索，便于連接膜分縫處的鋁合金夾具；搜集近中期的天氣預(yù)報(bào)，選擇適合的氣候天氣組織施工。

4.1.4 安裝中間圓環(huán)上弧形小膜

首先在中間圓環(huán)上搭設(shè)平網(wǎng)；用吊車(chē)將小膜吊裝到平網(wǎng)上，在平網(wǎng)上將小膜展開(kāi)，上側(cè)穿膜鋼管，四周邊連接節(jié)點(diǎn)板；用倒鏈均勻張拉小膜周邊邊界，并作臨時(shí)固定；通過(guò)張緊鋼絲繩給整個(gè)小膜施加預(yù)張力，小膜安裝完成。

4.1.5 安裝主體膜單元

在膜單元M1下部搭設(shè)局部腳手架，鋪設(shè)鋪地膜，用吊車(chē)將膜單元吊裝到平臺(tái)鋪地膜上展開(kāi)，展開(kāi)膜單元并連接附件和工裝索；打開(kāi)膜外包裝，確認(rèn)膜編號(hào)、產(chǎn)品標(biāo)識(shí)和外觀，確認(rèn)無(wú)誤后，展開(kāi)膜單元，根據(jù)施工圖紙的要求，安裝浮動(dòng)環(huán)和脊索，并在膜單元的四個(gè)角部和浮動(dòng)環(huán)上拉設(shè)工裝鋼絲繩，便于吊裝、連接膜單元四周的附件；在鋼框架梁上安裝滑輪組和卷?yè)P(yáng)機(jī)，在鋼框架梁上掛設(shè)用于提升膜單元的滑輪組吊點(diǎn)，下連卷?yè)P(yáng)機(jī)，見(jiàn)圖6。

圖6 吊點(diǎn)施工

利用滑輪組和卷?yè)P(yáng)機(jī)將膜單元整體提升到位；迅速用倒鏈將膜單元上下端與鋼結(jié)構(gòu)骨架做臨時(shí)連接；同法安裝主體膜單元M2；張拉膜單元左右側(cè)的預(yù)埋繩，使M1和M2靠近；安裝鋁合金夾具；調(diào)節(jié)張拉螺桿給膜面施加預(yù)張力；依次序安裝其他膜單元。

4.2 多單元張拉膜連接方法

根據(jù)裁剪效果，得到各單元膜布單元膜片分縫和預(yù)留短縫，見(jiàn)圖7。根據(jù)位置不同和鏈接位置不一致，張拉膜連接按照如下原則進(jìn)行施工。

1）預(yù)留短縫位置：PTFE膜材采用接觸加熱物體的高溫?zé)岷戏椒ā：附訒r(shí)，需要在兩層PTFE膜材間放置氟化乙丙烯(FEP)薄膜條。膜片和膜片間采用高溫焊接連接形式，焊縫寬度70mm。膜邊界采用直徑10mm橡膠棒收邊。

2）單元膜布的連接，現(xiàn)場(chǎng)焊接。整個(gè)膜面體量較大，約3 000 m2，吊掛在鋼結(jié)構(gòu)屋架下部，不能使用大型機(jī)械設(shè)備，施工難度大，不易操作。故考慮在安裝時(shí)將膜面分為四大部分，相鄰膜單元用鋁合金夾具連接，見(jiàn)圖8。

圖7 膜布預(yù)留縫布置

圖8 單元膜布機(jī)械連接

4.3 主體單元膜穿柱施工處理方法

在圖紙立柱位置，工廠預(yù)先將膜開(kāi)洞，在與之最近的一道最短焊縫做標(biāo)記，但不能焊接。在現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)，將單個(gè)膜單元初步吊裝到位，使得穿膜面的立柱位置達(dá)到設(shè)計(jì)要求時(shí)，將膜面張緊，在鋼柱相應(yīng)位置上焊接節(jié)點(diǎn)板材，固定膜邊界，然后將預(yù)留的最短焊縫焊接，做法見(jiàn)圖9。

圖9 柱穿膜位置設(shè)計(jì)3種形式

5 技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)

本工程屬于多單元倒扣式張拉膜結(jié)構(gòu)并且有多個(gè)變截面結(jié)構(gòu)柱穿過(guò)膜結(jié)構(gòu)表面，施工技術(shù)含量和施工難度都非常高，施工難度大，各專(zhuān)業(yè)協(xié)調(diào)工作量大。

1)改進(jìn)了多單元連續(xù)索膜結(jié)構(gòu)的安裝方案，設(shè)計(jì)了合理的施工流程，采用結(jié)構(gòu)施工就位，膜面現(xiàn)場(chǎng)展開(kāi)，多點(diǎn)提升就位，膜面整體張拉、穿膜位置二次處理的創(chuàng)新工藝，符合本工程的特點(diǎn)，取得良好效果。

2)研究和開(kāi)發(fā)了單元膜片和預(yù)留接縫位置處理方案，保證了張拉膜布一次成型。

3)針對(duì)8根結(jié)構(gòu)柱穿膜布這一特殊情況，積極強(qiáng)化設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)圖，并仔細(xì)核對(duì)各專(zhuān)業(yè)定位尺寸；優(yōu)化施工方案，優(yōu)化施工順序，模擬膜布成型后的截面形狀，使穿膜位置節(jié)點(diǎn)誤差在1 cm以?xún)?nèi)。

6 工程實(shí)施成果

通過(guò)倒扣式高空柔性安裝施工工藝的應(yīng)用和穿膜位置的節(jié)點(diǎn)細(xì)致處理，實(shí)現(xiàn)了國(guó)內(nèi)外首個(gè)多柱穿膜條件下的倒扣式張拉膜工程效果，為濱海高新區(qū)商業(yè)街增添一道獨(dú)特的視覺(jué)沖擊。

大跨度多單元膜結(jié)構(gòu)已大量用于濱海旅游、博覽會(huì)、文藝、體育等大空間的公共建筑上，作為一種現(xiàn)代化的工程結(jié)構(gòu)，其充分利用陽(yáng)光和空氣以及與自然環(huán)境融合，顯示了當(dāng)今建筑技術(shù)與科學(xué)的發(fā)展水平，具有巨大的發(fā)展?jié)摿蜕鐣?huì)推廣價(jià)值。