高溫沙漠地區大型停車場PTFE索膜結構技術研究

徐超

科威特大學城5A&B基礎設施項目是我公司在國外的第一個大型市政工程項目，停車棚占了整個項目的很大一部分。停車棚總面積為20萬m2，分布在55個停車場，合同金額約3.2億人民幣。車棚分為A、B、C和D四種類型，主體由鋼結構，拉索，PTFE膜材以及零部件組成。項目所在地科威特王國是典型的高溫沙漠地區，經常有強風沙塵暴天氣，而且由于沙漠地區的特殊性，晝夜溫差較大。

公司在2012年中標后，開始探索索膜結構以及鋼結構如何適應高溫沙漠地區的惡劣環境的方法，研究索膜結構的性能特點，充分發揮各自材料的獨特優勢，達到外觀、質量、造價的協調統一。從2013年1月立項開始到2015年12月車棚加工安裝順利進行，經過三年的研究，取得了以下成果。

一、項目成果綜述

1.研究成果及主要技術性能指標

（1）確定膜材預應力荷載

確定膜材預應力的大小對于索膜結構形式的選擇而言是最關鍵的一步，根據規范要求必須滿足以下條件：

①膜材預應力的著力點必須分布在膜材的各個方位，以避免膜材表面出現扭曲變形而影響美觀度；②膜材預應力的張拉程度必須充分，以避免現場安裝時需要進行二次張拉；另外通過合理的車棚膜面坡度設計及預應力張拉，可達到理想的外觀效果；③保證膜材在預應力的施加過程中處于合理彈性范圍內，避免產生結構性損壞；

項目部通過分析測試實驗的數據和曲線，確定了膜材預應力施加范圍，如圖所示（圖1）。

（2）溫度荷載確定

溫度對膜結構的影響沒有在合同規范中提到，由于其材料的特殊性，受溫度影響較小；而對于鋼結構而言，由于其導熱性能好，受溫度影響熱脹冷縮比較明顯，尤其是對于結構造型比較復雜而且溫度因素影響比較大的車棚結構應當考慮溫度荷載，作為結構可變荷載之一。

我們通過檢索科威特的歷史溫度記錄發現,極端高溫出現在2012年7月31日，達到53.8℃,而極端低溫6℃出現在在1964年1月6日。

圖1 張拉應力范圍曲線圖

另外參考大學城項目群另外一個項目的規范資料得知溫度變化范圍為67℃。[來源：2.2條規范III-2/08630大學工程和石油,沙巴Al-Salem大學城,科威特大學)。

我們根據實際情況，認為溫度荷載應考慮安裝時的溫度與最高溫度或最低溫度的溫差效應，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

由于合同規范未提及雨水荷載,我們通過調查美國土木/ SEI 55-10膜結構標準來確定雨水荷載。通過檢索歷史降雨量發現科威特從1900-2009年間平均月降水量的分布情況，如圖2所示。

根據實際情況，未來車棚維修人員將不會在雨天進行施工作業，因此在荷載組合時檢修荷載和雨水荷載不考慮同時出現，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，將不透水膜材替換為能穿透雨水的膜材

優點：完全按照合同圖的跨度和尺寸，不改變原來設計圖的設計概念。

缺點：材料雖滿足遮陽要求但是在下雨時候會出現滲液低落。

方案二： 增加一根鋼立柱，使其膜材坡度變陡，避免積水點

優點：建筑形式美觀，合理避免了積水問題。

缺點：增加鋼柱材料。

方案三： 增加一根斜立柱，抬高原積水點

優點： 改動較小，盡可能保持設計原狀態。

缺點： 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，重新調整坡度

優點： 建筑形式美觀，且對膜材張拉成型比較有利。

缺點： 改變了原設計，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同樣大的小型車棚單體

優點： 建筑形式美觀，且對膜材張拉成型比較有利。

缺點： 改變了原設計的大跨度需求。

項目部通過過向業主進行多次技術匯報，闡明了五種方案都可以解決因為大跨度產生的積水問題及相應的優缺點，最終業主監理確定方案五為積水問題解決方案并付諸實施。

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、直接經濟效益和社會效益

1.直接經濟效益

（1）通過設計優化減少鋼材量使用量

在最初設計階段，我們通過對合同圖紙的學習和建模，發現Type-B& Type-C的立柱尺寸較大，形象笨重，不符合車棚輕盈的設計理念，我們通過向業主匯報并且提出了多種方案優化，最終業主同意用尺寸小的立柱并付諸實施，直接減少了立柱方面30%的用鋼量，帶來直接經濟效益。

（2）通過設計優化替換材料

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，而挑梁處做受力分析時發現由于風荷載的作用，挑梁邊緣會有向上的力產生，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

項目部對PTFE膜結構在耐高溫、強風、抗老化方面進行了深入研究，對相關領域的市場進行了開拓，為公司在以后市政房建項目中積累經驗，進一步拓展類似地區的非水電市場具有重要意義。

3.對社會經濟發展和科技進步的意義，推廣應用前景

膜結構是建筑結構中新發展起來的一種形式，它以性能優良的織物為材料，可以形成具有一定剛度、能夠覆蓋大跨度空間的結構體系。索膜結構具有易建、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境融合等特點。膜結構是隨著現代科學技術發展起來的全新建筑技術表現形式，是材料科學、建筑學、結構力學以及現代環境學高速發展的綜合產物。

5A&B 項目成功運用索膜結構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，科研累計的經驗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，推廣應用范圍前景廣闊。

三、項目組織管理經驗

合同管理經驗。項目管理上，一方面要求我們熟悉合同規范及對應的美標英標等其他相關規范，了解車棚的功能性及結構性要求及設計圖紙。如合同規范里的焊接規范要參照美標中的AWS焊縫規范，風荷載規范要參照美標中田納西洲風動實驗原理，建立動態數字受力模型。另外一方面要求我們清楚此類合同作為承包商的義務和權利，并要清楚相關流程。例如設計期間業主代表提出要對車棚進行遮陽性分析，遮陽率較低的應該改變結構形式重新設計，但是同時合同規定的車棚的高度和尺寸都不能更改，我們經過分析后認為我們的合同義務是在現有合同圖的基礎上進行結構優化，功能性要求不在主承包范圍，如果業主要求改變功能性要求，相當于合同性質的改變，需要業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.技術環節的制圖問題

在車棚項目的設計階段，施工圖報批環節耗費了大量的時間和人力，一定程度上影響了工程進度。我們總結既往的經驗認為究其原因有以下兩點：第一，國內施工圖的制作習慣和外籍監理工程師的審圖習慣不一樣，且本項目監理分建筑、結構、機電、電氣、綠化等很多門專業，各自圖紙的側重點不一樣，而且圖紙質量要求很高；第二是車棚索膜結構不同于其他混凝土結構物，尤其是節點部分的表達不能單純用二維的平面、立面、截面以及細節圖，這樣體現不出結構的立體關系，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.加強合同規范學習

我們在科研階段前期由于對合同規范的不了解，對流程的不熟悉，導致投入在整個設計階段時間過長，遲遲沒有報批通過，影響了后期生產進度；所以總結既往的經驗，項目部應在以后的項目中加強合同規范的學習，做到成竹在胸，知其所以然，此科研累計總結的經驗對后面即將要進行的科威特大學城景觀區域的噴泉設計施工項目有很高的參考和借鑒價值，我們需再接再厲，加強合同學習，進一步加強國際化進程。