多柱穿膜條件下倒扣式張拉膜施工技術

□文/李學亮 徐前雄 林 愛

1 工程概況

位于天津市濱海高新區的海泰·渤龍天地商業街東端大型商業旗艦店屋面采用鋼結構+膜結構+金屬屋面結構體系，南北長62.7 m，東西長48.6 m。膜結構選用的膜面材料為日本進口的聚四氟乙烯（PTFE）涂層的玻璃纖維織物，其各項力學性能等級為最高等級A級。膜面設計應力3.5 kN/m，單片膜面積達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8.3 m的高差過渡，收縮至膜面重心位置形成的圓環，見圖1和圖2。

圖1 膜結構屋面

圖2 膜結構完成效果

膜結構上端與屋頂鋼架下弦上的節點板螺栓連接，下端通過可調螺桿與直徑達12 m的鋼圓環連接，通過調節螺桿的長度給整個膜面施加預張力。支撐張拉膜工程的鋼結構由3部分組成，分別是屋面鋼框架、張拉膜下方支撐鋼柱、碗口部位鋼結構圓環及拉桿。由于全部是倒扣式張拉膜，支撐屋面鋼框架結構的結構柱全部穿過張拉膜布，穿張拉膜膜布構件數量達8根，8根鋼柱全部垂直或斜向穿張拉膜。

2 現場安裝施工技術的研究重點

2.1 倒扣式張拉膜安裝施工工藝

由于平面呈L形，膜面造型類似于倒置的火山口狀且存在8根穿膜的結構柱，膜布類似于吊頂，膜布上部邊界整體連接在鋼結構框架上，下部邊界連接在底部圓環上。張拉膜施工全程要倒扣安裝于結構上，結構定位、安全管理、膜布提升就位、細部處理、相關專業的技術協調難度較大。采用常規的施工工藝安裝將無法解決該問題，經過施工方案優化、論證，采用高空柔性安裝的施工工藝進行安裝。

2.2 多單元張拉膜連接方法

為保證穿膜位置節點處理精確性，在圖紙立柱位置，工廠預先將膜開洞，在與之最近的一道最短焊縫做標記，張拉膜膜布高空提升就位后，穿柱節點處理完成后，進行短縫施工。同時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解決的問題。

2.3 結構穿膜處理

支撐屋面鋼結構的4根混凝土勁性立柱和4根鋼結構支撐斜圓柱等結構構件均穿過膜面，如何解決方向各異、縱橫交錯的結構柱穿膜的節點處理也是本工程重點解決的問題。通過科技查新，該施工情況在國內外均為首次，施工前必須研究對應措施。

3 交叉作業施工協調要點

3.1 典型位置做法

從圖3發現鋁板屋面、膜結構屋面、鋼框架、膜下鋼結構四者之間是相互交叉、相互影響的，每個專業都貫穿于其他專業的施工過程中，這種你中有我、我中有你的情況非常罕見。為此，在施工過程中，對交叉作業的協調專門進行管理。

圖3 膜下鋼結構

3.2 制約因素

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

鋼柱作為支撐結構制約鋼架的施工，優先施工。碗口部位鋼結構由于完全是固定下方張拉膜造型需要設置的，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計完成后施工，取得空間位置的統一。

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

3）鋁板屋面位于整個屋面系統的最上層。在鋼框架屋面施工和圖紙深化設計完成后即可插入施工。由于張拉膜布最高點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，將導致張拉膜施工單位進行二次拆板且張拉膜施工單位的高空吊籃以及安全防護也無法保證。為此，在鋁板施工期間，預留屋面外側邊緣2塊板的寬度，滿足張拉膜施工的需要。

4）膜結構屋面。施工前，膜下鋼結構、鋼框架、鋁板屋面（除預留外）均需完成。考慮吊裝施工工藝的影響，在張拉膜周邊1.5 m范圍內的幕墻暫不施工，待張拉膜吊裝和細部處理完成后施工。

3.3 協調后的施工流程

協調后的施工流程見圖4。

圖4 各專業協調后的施工流程

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構安裝結束后進行。施工前將膜單元分別編號，見圖5。安裝時按照先小膜，后主體膜結構單元的的順序依次施工。其中主體膜結構是以鋁合金夾具為邊界，劃分為4個膜單元，記為M1，M2，M3，M4。安裝主體膜結構單元時可采取在膜單元下方局部搭設腳手架的方式，將膜在腳手架平臺上展開，用滑輪組和卷揚機聯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構骨架用倒鏈做臨時連接。膜單元左右側可以通過張拉在膜材上預埋繩水平展開，用鋁合金夾具將兩膜單元固定，順序安裝其他膜單元，并通過張拉圓環上的調節螺桿對膜面二次施加預張力，以達到設計要求。

圖5 膜單元分區

4.1.2 安裝工藝流程

安裝前期準備→安裝中間圓環上弧形小膜→搭設腳手架→腳手架上鋪設鋪地膜→展開膜單元并連接膜四周附件→安裝滑輪組和卷揚機及拉設相鄰膜單元間的限位鋼索→膜單元整體提升→左右側張拉膜單元→安裝鋁合金夾具→調節張拉螺桿給膜面施加預張力→最后統一膜面清理→竣工驗收。

4.1.3 安裝前期準備

在鋼結構安裝完畢后，首先確認鋼結構上連膜節點板及連索節點板焊接準確無誤，在鋼梁上弦設置臨時鋼索，供安裝人員行走安裝時吊掛安全帶使用；同時屋面鋁板須周邊預留1.5 m的距離，便于安裝人員拉膜。高空準備完成后，將膜單元下方投影區域地面清理干凈，鋪設地膜。保證幕墻墻面到膜面距離≮1 m。根據現場環境條件，設置滑輪組掛點。相鄰主體膜單元間拉設限位鋼索，便于連接膜分縫處的鋁合金夾具；搜集近中期的天氣預報，選擇適合的氣候天氣組織施工。

4.1.4 安裝中間圓環上弧形小膜

首先在中間圓環上搭設平網；用吊車將小膜吊裝到平網上，在平網上將小膜展開，上側穿膜鋼管，四周邊連接節點板；用倒鏈均勻張拉小膜周邊邊界，并作臨時固定；通過張緊鋼絲繩給整個小膜施加預張力，小膜安裝完成。

4.1.5 安裝主體膜單元

在膜單元M1下部搭設局部腳手架，鋪設鋪地膜，用吊車將膜單元吊裝到平臺鋪地膜上展開，展開膜單元并連接附件和工裝索；打開膜外包裝，確認膜編號、產品標識和外觀，確認無誤后，展開膜單元，根據施工圖紙的要求，安裝浮動環和脊索，并在膜單元的四個角部和浮動環上拉設工裝鋼絲繩，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揚機，在鋼框架梁上掛設用于提升膜單元的滑輪組吊點，下連卷揚機，見圖6。

圖6 吊點施工

利用滑輪組和卷揚機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構骨架做臨時連接；同法安裝主體膜單元M2；張拉膜單元左右側的預埋繩，使M1和M2靠近；安裝鋁合金夾具；調節張拉螺桿給膜面施加預張力；依次序安裝其他膜單元。

4.2 多單元張拉膜連接方法

根據裁剪效果，得到各單元膜布單元膜片分縫和預留短縫，見圖7。根據位置不同和鏈接位置不一致，張拉膜連接按照如下原則進行施工。

1）預留短縫位置：PTFE膜材采用接觸加熱物體的高溫熱合方法。焊接時，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，現場焊接。整個膜面體量較大，約3 000 m2，吊掛在鋼結構屋架下部，不能使用大型機械設備，施工難度大，不易操作。故考慮在安裝時將膜面分為四大部分，相鄰膜單元用鋁合金夾具連接，見圖8。

圖7 膜布預留縫布置

圖8 單元膜布機械連接

4.3 主體單元膜穿柱施工處理方法

在圖紙立柱位置，工廠預先將膜開洞，在與之最近的一道最短焊縫做標記，但不能焊接。在現場施工時，將單個膜單元初步吊裝到位，使得穿膜面的立柱位置達到設計要求時，將膜面張緊，在鋼柱相應位置上焊接節點板材，固定膜邊界，然后將預留的最短焊縫焊接，做法見圖9。

圖9 柱穿膜位置設計3種形式

5 技術創新點

本工程屬于多單元倒扣式張拉膜結構并且有多個變截面結構柱穿過膜結構表面，施工技術含量和施工難度都非常高，施工難度大，各專業協調工作量大。

1)改進了多單元連續索膜結構的安裝方案，設計了合理的施工流程，采用結構施工就位，膜面現場展開，多點提升就位，膜面整體張拉、穿膜位置二次處理的創新工藝，符合本工程的特點，取得良好效果。

2)研究和開發了單元膜片和預留接縫位置處理方案，保證了張拉膜布一次成型。

3)針對8根結構柱穿膜布這一特殊情況，積極強化設計節點圖，并仔細核對各專業定位尺寸；優化施工方案，優化施工順序，模擬膜布成型后的截面形狀，使穿膜位置節點誤差在1 cm以內。

6 工程實施成果

通過倒扣式高空柔性安裝施工工藝的應用和穿膜位置的節點細致處理，實現了國內外首個多柱穿膜條件下的倒扣式張拉膜工程效果，為濱海高新區商業街增添一道獨特的視覺沖擊。

大跨度多單元膜結構已大量用于濱海旅游、博覽會、文藝、體育等大空間的公共建筑上，作為一種現代化的工程結構，其充分利用陽光和空氣以及與自然環境融合，顯示了當今建筑技術與科學的發展水平，具有巨大的發展潛力和社會推廣價值。