張拉索膜結(jié)構(gòu)體系及其施工技術(shù)

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張拉索膜結(jié)構(gòu)體系及其施工技術(shù)

膜結(jié)構(gòu)是指積極地利用膜狀材料，并在結(jié)構(gòu)及建筑設(shè)計(jì)上充分體現(xiàn)膜結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的結(jié)構(gòu)形式。上世紀(jì)50-60年代，隨著化學(xué)工業(yè)的飛建發(fā)展，加工復(fù)合材料工藝的進(jìn)步，使作為屋頂使用的膜材的綜合性能得以改善和提高，為這一新興建筑形式的流行打下了良好的物質(zhì)基礎(chǔ)。同時(shí)，隨著社會發(fā)展和生活水平提高，人們希望突破傳統(tǒng)建筑結(jié)構(gòu)形式和風(fēng)格的局限，膜結(jié)構(gòu)以其新穎獨(dú)特的建筑造型順應(yīng)了人們的這一愿望。
　　現(xiàn)代膜結(jié)構(gòu)工程是集建筑學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、化工學(xué)、材料學(xué)及計(jì)算機(jī)學(xué)為一體的高科技工程”。由于它獨(dú)特的性能和強(qiáng)烈的視覺沖擊效果，很快被人們所接受，并出現(xiàn)了不可阻擋的發(fā)展態(tài)勢。膜結(jié)構(gòu)建筑適用范圍很廣，可用于體育建筑、展覽建筑、娛樂建筑、演出建筑、機(jī)場建筑及各類海濱娛樂休閑建筑及設(shè)施。

　　1     膜結(jié)構(gòu)分類
　　從結(jié)構(gòu)形式上膜結(jié)構(gòu)建筑可簡單地概括為充氣式、骨架式和張拉式三大類口。
　　1．1 充氣式膜結(jié)構(gòu)(Air Supported Membrane Structure)
　　充氣式膜結(jié)構(gòu)是依靠膜曲面內(nèi)外氣壓差來維持膜曲面的形狀。這種索膜建筑歷史較長，但因在使用功能上明顯的局限性(如形象單一、空間要求氣閉等)，使其應(yīng)用面較窄；但充氣式索膜體系造價(jià)較低，施工速度快，在特定的條件下又有明顯優(yōu)勢。1970年日本大阪萬國博覽會的美國館，采用的就是這種結(jié)構(gòu)，它標(biāo)志著膜結(jié)構(gòu)的開始。
　　1．2 骨架式膜結(jié)構(gòu)(Framework Membrane Structure)
　　骨架式索膜建筑常在某些特定的建筑中被采用，是由于其結(jié)構(gòu)形式本身的局限性(骨架體系自平衡，膜體僅為輔助物，使膜體強(qiáng)度高的特點(diǎn)發(fā)揮不足等)；而骨架形式與張拉形式的結(jié)合運(yùn)用，常可取得更富于變化的建筑效果。骨架式索膜體系建筑表現(xiàn)含蓄，結(jié)構(gòu)性能有一定的局限性，造價(jià)低于張拉式體系。1996年亞特蘭大奧運(yùn)會主體育館(佐治亞穹頂)為這類結(jié)構(gòu)的典型工程。
　　1．3 張拉式索膜結(jié)構(gòu)(Tensioned Cable-Membrane Structure)
　　張拉式索膜建筑可謂索膜建筑的精華和代表。張拉索膜結(jié)構(gòu)中膜曲面通過預(yù)應(yīng)力維持自身形狀，膜既是建筑物的圈護(hù)體又作為結(jié)構(gòu)來抵抗外部荷載效應(yīng)。由于其建筑形象的可塑性和結(jié)構(gòu)形式的高度靈活性和適應(yīng)性，該結(jié)構(gòu)形式的應(yīng)用極其廣泛。張拉式索膜結(jié)構(gòu)又可分為索網(wǎng)式、脊谷式等。這種體系富于表現(xiàn)力，結(jié)構(gòu)性能強(qiáng)，但造價(jià)稍高，施工精度要求也高。這類工程最典型的是美國丹佛機(jī)場候機(jī)大樓。

　　2      張拉索膜結(jié)構(gòu)體系
　　張拉式索膜結(jié)構(gòu)體系由膜體(膜材)、張拉索(邊索、谷索、脊索和拉地索)、支承結(jié)構(gòu)、錨固體系及各部分之間的連接節(jié)點(diǎn)等組成。
　　2.1 膜材
　　膜材是由高強(qiáng)度的織物基材加上聚合物涂層構(gòu)成的復(fù)合材料。膜材根據(jù)基材和表面涂層的不同，一般分為三大類：A種膜材(玻璃纖維基材、PTFE涂層)、B種膜材(玻璃纖維基材、硅酮涂層)、C種膜材(聚酯長絲基材、PVC涂層)。其中A種膜材多用于美洲和日本，C種膜材在歐洲較為常見，而B種膜材由于其自身性能等原因很少采用。
　　2.2索
　　常見膜結(jié)構(gòu)中所用的索有鋼絲等。根據(jù)索所處的位置和功能的不同可將索分為邊索、谷索、脊索和拉地索。
　　2.3支承結(jié)構(gòu)
　　膜結(jié)構(gòu)都是支承在一定的結(jié)構(gòu)體系上。根據(jù)支承條件不同可將索膜結(jié)構(gòu)支承體系分為三大類：剛性支承體系、柔性支承體系和混合支承體系。由于膜結(jié)構(gòu)靠結(jié)構(gòu)內(nèi)的預(yù)應(yīng)力來形成建筑的造型，故對支承結(jié)構(gòu)的安裝精度要求較高。在膜結(jié)構(gòu)吊裝前，須根據(jù)規(guī)范和設(shè)計(jì)要求對支承結(jié)構(gòu)進(jìn)行復(fù)測，并做復(fù)測紀(jì)錄。
　　2.4錨固體系
　　屬于自平衡體系的索膜結(jié)構(gòu)，其索和膜的預(yù)應(yīng)力是由邊界結(jié)構(gòu)構(gòu)件來承受的，而非自平衡結(jié)構(gòu)是通過抗拉錨固體系傳遞抵抗索拉應(yīng)力效應(yīng)的?？估^固體系可分為以下幾類：重力錨固體系、抗拔樁錨固體系、阻力錨固體系(板式、蘑菇式、擋土墻式)、摩擦錨固體系和巖石錨固體系等。
　　2．5 節(jié)點(diǎn)
　　膜結(jié)構(gòu)的連接包括膜節(jié)點(diǎn)、膜邊界、膜角點(diǎn)、膜脊和膜谷。膜節(jié)點(diǎn)是指膜裁剪片之間的連接，膜邊界是指膜材與支承結(jié)構(gòu)之間的連接，膜角點(diǎn)是指膜邊界交匯的點(diǎn)，膜脊和膜谷是指支承結(jié)構(gòu)最高和最低處膜的連接。節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)是膜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不可缺少的一部分，設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)時(shí)不僅要考慮節(jié)點(diǎn)的功能要求，還應(yīng)該滿足美觀的需要，且作為屋面節(jié)點(diǎn)還應(yīng)該有良好的防水性能。
　　
　　3     張拉膜結(jié)構(gòu)施工技術(shù)
　　3．1 膜材裁剪、包裝及運(yùn)輸
　　索膜結(jié)構(gòu)體形通常都較為復(fù)雜，各種角度變化較多，且加工精度要求非常高。在制作過程中要加強(qiáng)質(zhì)量管理，保證制作精度。在膜結(jié)構(gòu)制作前，需要對工程所用膜材及配件按設(shè)計(jì)和規(guī)范要求進(jìn)行材質(zhì)和力學(xué)性能檢驗(yàn)，如膜材的雙向拉伸試驗(yàn)。膜材加工制作要嚴(yán)格按設(shè)計(jì)圖紙?jiān)趯I(yè)車間由專業(yè)人員制作。由于索膜結(jié)構(gòu)通常均為空間曲面，裁剪就是用平面膜材表示空間曲面。這種用平面膜材擬合空間曲面的方法必然存在誤差，所以裁剪人員在膜材裁剪加工過程中加入一些補(bǔ)救措施是相當(dāng)必要的。對已裁剪的膜片要分別進(jìn)行尺寸復(fù)測和編號，并詳細(xì)紀(jì)錄實(shí)測偏差值。裁剪作業(yè)過程中應(yīng)盡量避免膜體折疊和彎曲，以免膜體產(chǎn)生彎曲和折疊損傷而使膜面褶皺，影響建筑美觀。膜片下料完成后再根據(jù)排水方向和膜片連接節(jié)點(diǎn)確定熱熔合方案。在正式熱合加工前，要進(jìn)行焊接試驗(yàn)，確保焊接處強(qiáng)度不低于母材強(qiáng)度。
　　經(jīng)檢驗(yàn)合格的成品膜體，在包裝前，應(yīng)根據(jù)膜體特性、施工方案等確定完善的包裝方案。如聚四氟乙烯為涂層的是玻璃纖維為基層的膜材料可以以卷的方式包裝，其中卷芯直徑不得小于100mm，對于無法卷成筒的膜體可以在膜體內(nèi)襯填軟質(zhì)填充物，然后折疊包裝。包裝完成后，在膜體外包裝上標(biāo)記包裝內(nèi)容、使用部位及膜體折疊與展開方向。在膜材運(yùn)輸過程中要盡量避免重壓、彎折和損壞。同時(shí)在運(yùn)輸時(shí)也要充分考慮安裝次序，盡量將膜體一次運(yùn)送到位，避免膜體在場內(nèi)的二次運(yùn)輸，減少膜體受損的機(jī)會。
　　膜材加工制作工藝漉程為：膜裁剪出圖→審圖→膜加工技術(shù)交底→檢驗(yàn)→放樣→裁剪→膜材預(yù)拼裝→膜材熱熔合→邊緣加工→成型尺寸復(fù)核→清洗→包裝→出廠。
　　3．2 支承結(jié)構(gòu)安裝
　　張拉索膜結(jié)構(gòu)的支承可分為剛性邊界和柔性邊界。支承結(jié)構(gòu)安裝誤差的大小，不僅直接影響建筑的外觀，還影響結(jié)構(gòu)內(nèi)預(yù)應(yīng)力的分布，嚴(yán)重者將影響結(jié)構(gòu)的安全性。在安裝支承鋼結(jié)構(gòu)前，應(yīng)按規(guī)范和設(shè)計(jì)要求對鋼結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的頂面標(biāo)高、軸線尺寸做嚴(yán)格的復(fù)測，并作復(fù)測紀(jì)錄。
支承結(jié)構(gòu)安裝工藝流程為：鋼結(jié)構(gòu)預(yù)埋交底→鋼結(jié)構(gòu)預(yù)埋→鋼結(jié)構(gòu)制作→基礎(chǔ)預(yù)埋復(fù)核→構(gòu)件防腐涂裝→構(gòu)件防火涂裝→構(gòu)件吊裝。
　　3．3膜體安裝
　　3．3．1 準(zhǔn)備工作
　　膜體進(jìn)場安裝前，應(yīng)組織項(xiàng)目有關(guān)人員對施工方案進(jìn)行評審，確定詳細(xì)的安裝作業(yè)與安全技術(shù)措施。先復(fù)核支承結(jié)構(gòu)的各個(gè)尺寸，使每個(gè)控制點(diǎn)的安裝誤差均在設(shè)計(jì)和規(guī)范允許的范圍內(nèi)；對膜體及配件的出廠證明、產(chǎn)品質(zhì)量保證書、檢測報(bào)告及品種、規(guī)格、數(shù)量進(jìn)行驗(yàn)收；檢查膜體外觀是否有破損、褶皺，熱熔合縫是否有脫落，螺栓、鋁合金壓條、不銹鋼壓條有無拉傷或銹蝕，索和錨具涂層是否破壞。
　　在組織驗(yàn)收構(gòu)件的同時(shí)，還應(yīng)根據(jù)場地條件和施工方案搭設(shè)膜體展開平臺，安裝安全網(wǎng)。對大型的張拉膜結(jié)構(gòu)，要收集安裝期間的氣象信息。安裝過程中要密切注意風(fēng)向和風(fēng)速，避免膜體發(fā)生顫動(dòng)現(xiàn)象。在強(qiáng)風(fēng)或大雨天氣要及時(shí)停止施工，并采取相應(yīng)的安全防護(hù)措施。
　　3.3.2 膜體安裝
　　膜體安裝包括膜體展開、連接固定、吊裝到位和張拉成形四個(gè)部分。
　　(1) 展開膜體前，在平臺上鋪設(shè)臨時(shí)布料，以保護(hù)膜材不被損傷及膜材清潔，嚴(yán)格按確定的順序展開膜體。打開包裝前應(yīng)校對包裝上的標(biāo)記，確認(rèn)安裝部位，并按標(biāo)記方向展開，盡量避免展開后的膜體在場內(nèi)移動(dòng)。在展開的膜面上行走時(shí)要穿軟底鞋，不得佩帶硬物，以防膜體受到刮傷。
　　(2) 在平臺上展開膜體后，用夾板將膜材與索連接固定。夾板的規(guī)格及夾板間的間距均應(yīng)該嚴(yán)格按設(shè)計(jì)要求安裝。對一次性吊裝到位的膜體，也必須一次將夾板螺栓、螺母擰緊到位。
　　(3) 目前索膜結(jié)構(gòu)吊裝較多應(yīng)用多點(diǎn)整體提升法，是將已經(jīng)成熟的整體“提升”技術(shù)加以改造用于索膜結(jié)構(gòu)這種柔性結(jié)構(gòu)的施工過程中，該工藝要求整個(gè)過程必須同步。起吊過程中控制各吊點(diǎn)的上升速度和距離，確保膜面的傳力均勻。
　　亦可采用分塊吊裝的方法，將膜體按平面位置分為若干作業(yè)塊，每塊膜體同樣采用多點(diǎn)整體吊裝技術(shù)，整體吊裝到位。若采用整體提升技術(shù)，要求投入的設(shè)備和人員較多，施工準(zhǔn)備期較長。采用分塊吊裝法將整個(gè)膜體分為5個(gè)作業(yè)塊，第1片和第2片、第3片和第4片、第5片和第6片、第7片和第8片、第9片和第10片，每個(gè)作業(yè)塊膜體的7個(gè)吊點(diǎn)同時(shí)提升。待所有膜體均到達(dá)設(shè)計(jì)高度后，再在空中將各個(gè)作業(yè)塊連接到一起，其優(yōu)越性相當(dāng)明顯。在整個(gè)安裝過程中要特別注意防止膜體在風(fēng)荷載作用下產(chǎn)生過大的晃動(dòng)。
　　(4) 張拉成型是整個(gè)膜結(jié)構(gòu)工程施工的重要環(huán)節(jié)，施工項(xiàng)目能否取得效果，取決于張拉是否滿足設(shè)計(jì)要求。當(dāng)支承結(jié)構(gòu)為剛性邊界時(shí)，預(yù)應(yīng)力的施加要通過特殊的構(gòu)造來實(shí)施。對于柔性邊界，可通過調(diào)整撐桿的位置來調(diào)節(jié)預(yù)應(yīng)力的大小。張拉索膜結(jié)構(gòu)中，膜材的張拉預(yù)應(yīng)力是靠索提供的。整個(gè)張拉過程實(shí)際就是將各種索按照預(yù)定的應(yīng)力張拉到位。張拉時(shí)應(yīng)確定分批張拉的順序、量值，控制張拉速度，并根據(jù)材料的特性確定超張拉量值。張拉過程可以是分批、分級調(diào)整索的預(yù)應(yīng)力，逐步張拉達(dá)到設(shè)計(jì)值；也可以對整體實(shí)施同步張拉。對有控制要求的張力值應(yīng)作施工紀(jì)錄，對無控制要求的也要作張拉行程紀(jì)錄。
　　(5) 膜安裝工藝流程為：安裝方案會審→復(fù)核支承結(jié)構(gòu)尺寸→膜安裝技術(shù)交底→檢查安裝設(shè)備工具是否到位→搭設(shè)安裝平臺→鋪設(shè)保護(hù)布料→展開膜材→連接固定→吊裝膜材→調(diào)
整索及膜收邊→張拉成型→防水處理→清洗膜面→最后檢查→交工。
　　3.3.3 安裝質(zhì)量要求
        膜面無滲漏，無明顯褶皺，不得有積水；膜面顏色均勻，無明顯污染串色；連接固定節(jié)點(diǎn)牢固，排列整齊；縫線無脫落；無超張拉；膜面無大面積拉毛蹭傷。