高溫沙漠地區(qū)大型停車場PTFE索膜結(jié)構(gòu)技術(shù)研究

徐超

科威特大學(xué)城5A&B基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目是我公司在國外的第一個(gè)大型市政工程項(xiàng)目，停車棚占了整個(gè)項(xiàng)目的很大一部分。停車棚總面積為20萬m2，分布在55個(gè)停車場，合同金額約3.2億人民幣。車棚分為A、B、C和D四種類型，主體由鋼結(jié)構(gòu)，拉索，PTFE膜材以及零部件組成。項(xiàng)目所在地科威特王國是典型的高溫沙漠地區(qū)，經(jīng)常有強(qiáng)風(fēng)沙塵暴天氣，而且由于沙漠地區(qū)的特殊性，晝夜溫差較大。

公司在2012年中標(biāo)后，開始探索索膜結(jié)構(gòu)以及鋼結(jié)構(gòu)如何適應(yīng)高溫沙漠地區(qū)的惡劣環(huán)境的方法，研究索膜結(jié)構(gòu)的性能特點(diǎn)，充分發(fā)揮各自材料的獨(dú)特優(yōu)勢，達(dá)到外觀、質(zhì)量、造價(jià)的協(xié)調(diào)統(tǒng)一。從2013年1月立項(xiàng)開始到2015年12月車棚加工安裝順利進(jìn)行，經(jīng)過三年的研究，取得了以下成果。

一、項(xiàng)目成果綜述

1.研究成果及主要技術(shù)性能指標(biāo)

（1）確定膜材預(yù)應(yīng)力荷載

確定膜材預(yù)應(yīng)力的大小對于索膜結(jié)構(gòu)形式的選擇而言是最關(guān)鍵的一步，根據(jù)規(guī)范要求必須滿足以下條件：

①膜材預(yù)應(yīng)力的著力點(diǎn)必須分布在膜材的各個(gè)方位，以避免膜材表面出現(xiàn)扭曲變形而影響美觀度；②膜材預(yù)應(yīng)力的張拉程度必須充分，以避免現(xiàn)場安裝時(shí)需要進(jìn)行二次張拉；另外通過合理的車棚膜面坡度設(shè)計(jì)及預(yù)應(yīng)力張拉，可達(dá)到理想的外觀效果；③保證膜材在預(yù)應(yīng)力的施加過程中處于合理彈性范圍內(nèi)，避免產(chǎn)生結(jié)構(gòu)性損壞；

項(xiàng)目部通過分析測試實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)和曲線，確定了膜材預(yù)應(yīng)力施加范圍，如圖所示（圖1）。

（2）溫度荷載確定

溫度對膜結(jié)構(gòu)的影響沒有在合同規(guī)范中提到，由于其材料的特殊性，受溫度影響較小；而對于鋼結(jié)構(gòu)而言，由于其導(dǎo)熱性能好，受溫度影響熱脹冷縮比較明顯，尤其是對于結(jié)構(gòu)造型比較復(fù)雜而且溫度因素影響比較大的車棚結(jié)構(gòu)應(yīng)當(dāng)考慮溫度荷載，作為結(jié)構(gòu)可變荷載之一。

我們通過檢索科威特的歷史溫度記錄發(fā)現(xiàn),極端高溫出現(xiàn)在2012年7月31日，達(dá)到53.8℃,而極端低溫6℃出現(xiàn)在在1964年1月6日。

圖1 張拉應(yīng)力范圍曲線圖

另外參考大學(xué)城項(xiàng)目群另外一個(gè)項(xiàng)目的規(guī)范資料得知溫度變化范圍為67℃。[來源：2.2條規(guī)范III-2/08630大學(xué)工程和石油,沙巴Al-Salem大學(xué)城,科威特大學(xué))。

我們根據(jù)實(shí)際情況，認(rèn)為溫度荷載應(yīng)考慮安裝時(shí)的溫度與最高溫度或最低溫度的溫差效應(yīng)，最終確定42度為溫度荷載的溫差變化范圍。

（3）雨水荷載以及解決積水問題的方案比選

由于合同規(guī)范未提及雨水荷載,我們通過調(diào)查美國土木/ SEI 55-10膜結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)來確定雨水荷載。通過檢索歷史降雨量發(fā)現(xiàn)科威特從1900-2009年間平均月降水量的分布情況，如圖2所示。

根據(jù)實(shí)際情況，未來車棚維修人員將不會在雨天進(jìn)行施工作業(yè)，因此在荷載組合時(shí)檢修荷載和雨水荷載不考慮同時(shí)出現(xiàn)，但是要對雨水荷載做積水水洼受力分析。

為解決膜材在雨水荷載下的積水問題，項(xiàng)目部通過對車棚跨度的研究以及膜材張拉形式的分析提出以下幾種解決方案：

方案一：替換膜材材質(zhì)，將不透水膜材替換為能穿透雨水的膜材

優(yōu)點(diǎn)：完全按照合同圖的跨度和尺寸，不改變原來設(shè)計(jì)圖的設(shè)計(jì)概念。

缺點(diǎn)：材料雖滿足遮陽要求但是在下雨時(shí)候會出現(xiàn)滲液低落。

方案二： 增加一根鋼立柱，使其膜材坡度變陡，避免積水點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：建筑形式美觀，合理避免了積水問題。

缺點(diǎn)：增加鋼柱材料。

方案三： 增加一根斜立柱，抬高原積水點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)： 改動(dòng)較小，盡可能保持設(shè)計(jì)原狀態(tài)。

缺點(diǎn)： 增加斜鋼柱材料，影響美觀。

方案四： 將中間立柱位置向中間移動(dòng)，重新調(diào)整坡度

優(yōu)點(diǎn)： 建筑形式美觀，且對膜材張拉成型比較有利。

缺點(diǎn)： 改變了原設(shè)計(jì)，車棚高度提高了1.5m。

方案五： 將大跨度的車棚單體拆分成兩個(gè)同樣大的小型車棚單體

優(yōu)點(diǎn)： 建筑形式美觀，且對膜材張拉成型比較有利。

缺點(diǎn)： 改變了原設(shè)計(jì)的大跨度需求。

項(xiàng)目部通過過向業(yè)主進(jìn)行多次技術(shù)匯報(bào)，闡明了五種方案都可以解決因?yàn)榇罂缍犬a(chǎn)生的積水問題及相應(yīng)的優(yōu)缺點(diǎn)，最終業(yè)主監(jiān)理確定方案五為積水問題解決方案并付諸實(shí)施。

圖2 科威特在1900到2009年月平均溫度及降水量曲線與柱狀圖

二、直接經(jīng)濟(jì)效益和社會效益

1.直接經(jīng)濟(jì)效益

（1）通過設(shè)計(jì)優(yōu)化減少鋼材量使用量

在最初設(shè)計(jì)階段，我們通過對合同圖紙的學(xué)習(xí)和建模，發(fā)現(xiàn)Type-B& Type-C的立柱尺寸較大，形象笨重，不符合車棚輕盈的設(shè)計(jì)理念，我們通過向業(yè)主匯報(bào)并且提出了多種方案優(yōu)化，最終業(yè)主同意用尺寸小的立柱并付諸實(shí)施，直接減少了立柱方面30%的用鋼量，帶來直接經(jīng)濟(jì)效益。

（2）通過設(shè)計(jì)優(yōu)化替換材料

按照合同圖紙Type-D的挑梁邊緣與立柱頂使用一根不銹鋼拉索相連，拉索屬于柔性可彎曲材料，只有抗拉作業(yè)，而挑梁處做受力分析時(shí)發(fā)現(xiàn)由于風(fēng)荷載的作用，挑梁邊緣會有向上的力產(chǎn)生，而拉索不能起到抗壓作用。我們建議用尺寸近似的鋼管代替拉索，這樣既可以抗拉，也可以抗壓。業(yè)主最終同意此提案，這樣永久材料由拉索替換成了鋼管，降低了成本。

2.社會效益

項(xiàng)目部對PTFE膜結(jié)構(gòu)在耐高溫、強(qiáng)風(fēng)、抗老化方面進(jìn)行了深入研究，對相關(guān)領(lǐng)域的市場進(jìn)行了開拓，為公司在以后市政房建項(xiàng)目中積累經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)一步拓展類似地區(qū)的非水電市場具有重要意義。

3.對社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展和科技進(jìn)步的意義，推廣應(yīng)用前景

膜結(jié)構(gòu)是建筑結(jié)構(gòu)中新發(fā)展起來的一種形式，它以性能優(yōu)良的織物為材料，可以形成具有一定剛度、能夠覆蓋大跨度空間的結(jié)構(gòu)體系。索膜結(jié)構(gòu)具有易建、易拆、易搬遷、易更新、美觀、充分利用陽光和空氣以及與自然環(huán)境融合等特點(diǎn)。膜結(jié)構(gòu)是隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展起來的全新建筑技術(shù)表現(xiàn)形式，是材料科學(xué)、建筑學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)以及現(xiàn)代環(huán)境學(xué)高速發(fā)展的綜合產(chǎn)物。

5A&B 項(xiàng)目成功運(yùn)用索膜結(jié)構(gòu)完成車棚的加工制作，為以后公司可以開拓更廣闊，更高端的市場奠定了基礎(chǔ)，科研累計(jì)的經(jīng)驗(yàn)以及資源可以用于如大型體育場館、入口廊道、購物場、娛樂場、停車場、展覽會場、植物觀光園等建筑的建設(shè)，推廣應(yīng)用范圍前景廣闊。

三、項(xiàng)目組織管理經(jīng)驗(yàn)

合同管理經(jīng)驗(yàn)。項(xiàng)目管理上，一方面要求我們熟悉合同規(guī)范及對應(yīng)的美標(biāo)英標(biāo)等其他相關(guān)規(guī)范，了解車棚的功能性及結(jié)構(gòu)性要求及設(shè)計(jì)圖紙。如合同規(guī)范里的焊接規(guī)范要參照美標(biāo)中的AWS焊縫規(guī)范，風(fēng)荷載規(guī)范要參照美標(biāo)中田納西洲風(fēng)動(dòng)實(shí)驗(yàn)原理，建立動(dòng)態(tài)數(shù)字受力模型。另外一方面要求我們清楚此類合同作為承包商的義務(wù)和權(quán)利，并要清楚相關(guān)流程。例如設(shè)計(jì)期間業(yè)主代表提出要對車棚進(jìn)行遮陽性分析，遮陽率較低的應(yīng)該改變結(jié)構(gòu)形式重新設(shè)計(jì)，但是同時(shí)合同規(guī)定的車棚的高度和尺寸都不能更改，我們經(jīng)過分析后認(rèn)為我們的合同義務(wù)是在現(xiàn)有合同圖的基礎(chǔ)上進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，功能性要求不在主承包范圍，如果業(yè)主要求改變功能性要求，相當(dāng)于合同性質(zhì)的改變，需要業(yè)主重新擬定合同或作為合同變更。

四、存在的問題及對下一步研究的建議

1.技術(shù)環(huán)節(jié)的制圖問題

在車棚項(xiàng)目的設(shè)計(jì)階段，施工圖報(bào)批環(huán)節(jié)耗費(fèi)了大量的時(shí)間和人力，一定程度上影響了工程進(jìn)度。我們總結(jié)既往的經(jīng)驗(yàn)認(rèn)為究其原因有以下兩點(diǎn)：第一，國內(nèi)施工圖的制作習(xí)慣和外籍監(jiān)理工程師的審圖習(xí)慣不一樣，且本項(xiàng)目監(jiān)理分建筑、結(jié)構(gòu)、機(jī)電、電氣、綠化等很多門專業(yè)，各自圖紙的側(cè)重點(diǎn)不一樣，而且圖紙質(zhì)量要求很高；第二是車棚索膜結(jié)構(gòu)不同于其他混凝土結(jié)構(gòu)物，尤其是節(jié)點(diǎn)部分的表達(dá)不能單純用二維的平面、立面、截面以及細(xì)節(jié)圖，這樣體現(xiàn)不出結(jié)構(gòu)的立體關(guān)系，也不能單純的用三維模型作圖，會缺少必要的材料名稱，屬性，尺寸、距離信息。

2.加強(qiáng)合同規(guī)范學(xué)習(xí)

我們在科研階段前期由于對合同規(guī)范的不了解，對流程的不熟悉，導(dǎo)致投入在整個(gè)設(shè)計(jì)階段時(shí)間過長，遲遲沒有報(bào)批通過，影響了后期生產(chǎn)進(jìn)度；所以總結(jié)既往的經(jīng)驗(yàn)，項(xiàng)目部應(yīng)在以后的項(xiàng)目中加強(qiáng)合同規(guī)范的學(xué)習(xí)，做到成竹在胸，知其所以然，此科研累計(jì)總結(jié)的經(jīng)驗(yàn)對后面即將要進(jìn)行的科威特大學(xué)城景觀區(qū)域的噴泉設(shè)計(jì)施工項(xiàng)目有很高的參考和借鑒價(jià)值，我們需再接再厲，加強(qiáng)合同學(xué)習(xí)，進(jìn)一步加強(qiáng)國際化進(jìn)程。