异形高空反装骨架支撑式膜结构施工技术

李逢春 王 胜 韩 秀 张雪莹 李巧丽

1. 青建集团股份公司 山东 青岛 266011;

2. 青岛建设集团股份有限公司 山东 青岛 266071

大面积反装骨架支撑式膜结构施工方式较为少见，技术人员经过策划研究，采用了卷扬机和滑轮组进行龙骨和膜结构的吊装，不仅占用工作面小，在大范围吊装时地面特殊造型处也可保证膜面正常吊装。另外，采用了双控分次张拉膜面的方式进行张拉，并采用新型膜边铝型材，解决了新型PTFE膜材张拉难度高的施工难题。

1 工程概况

背景工程位于山东省青岛市红岛开发区，是红岛地区的标志性建筑，为青岛承接国际性大型展会做准备，是目前山东省内最大的展览中心。该工程由2座办公楼、2个大型展厅和登录大厅5部分组成。登录大厅的上部为钢结构金属屋面，吊顶是骨架支撑式膜结构，钢结构屋面顶标高为38.8 m，钢结构底标高27.8 m。膜结构的钢龙骨质量约700 t，膜结构由约15 095.2 m2PTFE外膜和约12 706.2 m2内膜2部分构成（图1），均为反装膜结构，为国内面积最大的反装膜结构工程。

图1 反装骨架支撑式膜结构效果图

2 安装方案选择

该登录大厅工程吊顶施工的工期紧、交叉作业多，针对此种情况，项目对膜结构单元体划分、龙骨单元拼装吊装、膜单元吊装与张拉等关键技术进行了深入研究，经过多种吊装、提升方法对比，并结合施工现场条件，最终决定选用卷扬机、滑轮、倒链等起重机具进行内膜单元吊装，通过位移和受力两方面对膜面张拉进行监控，该施工方法非常少见[1-3]。该施工方案既保证了施工质量及工期，又具备良好的社会效益和经济效益。

2.1 膜结构施工分析

整个结构区域分为5个区，1个室内内膜区，4个室外外膜区，内膜区又分7个单独区域，每个结构单元完全相同，如图2、图3所示。

图2 内、外膜分界线示意

图3 内膜分区示意

主要节点形式：骨架支撑式膜结构膜面固定在支撑龙骨上，支撑龙骨通过高强螺栓或者焊接固定在屋面的主钢结构上（图4）。主钢结构上连接支撑龙骨的耳板应在主结构工厂加工时同步加工，如加工厂未能同步加工，主钢结构安装完成后，连接耳板应采用抱箍形式（图5）与主结构牢固连接。

图4 龙骨与主结构耳板连接

图5 龙骨与主结构抱箍连接

2.2 单元龙骨吊装方法分析

内膜钢龙骨吊装中，拼装后的最重龙骨单元质量为18 t，采用滑轮组以后，2个卷扬机起重的最大质量为20 t，卷扬机布置在东西两侧的柱脚平台上，满足吊装要求（图6）。外膜龙骨的安装中，南北两侧的构件可采用汽车吊吊装，与卷扬机吊装互不影响，可加快施工进度。起重高度为38.778 m，最重构件质量为6 t，距离汽车吊9 m，70 t汽车吊全臂长42 m工作幅度在9 m内的最大吊重为9.2 t，满足吊装要求。

图6 卷扬机平面位置

2.3 膜面选材分析

膜结构有多种表现形式：张拉式膜结构、骨架支撑式膜结构、索具支撑式膜结构与空气支承式膜结构，或由以上形式混合组成的结构。本工程中采用的是骨架支撑式反装膜结构，由钢构件或其他刚性结构作为承重骨架，通过骨架塑造复杂的异形膜结构，安装形式是自下向上反向吊装。首要问题是选材，本项目根据建筑所在位置的环境条件及工艺所需的张拉应力，计算出室内膜面最不利荷载效应组合下，经向、纬向最大应力，确定了内膜单元膜面的经向每拉伸5 cm所需力应大于900 N，纬向拉伸每5 cm所需力应大于1 272.5 N；相较于室内膜面，室外膜面还需考虑风荷载工况，经计算，单元膜面的经向每拉伸5 cm所需力应大于950 N，纬向每拉伸5 cm所需力应大于2 116.3 N。外膜所需的抗拉强度接近内膜的2倍，为满足受力、防火等级及使用年限的要求，内外膜均选用PTFE膜材，外膜选用进口材料。

3 工艺流程

单元龙骨吊装工艺流程为：场地平整、设置支撑→拼装单元龙骨→焊接吊点→设置卷扬机→设置滑轮组→吊装单元龙骨→单元龙骨安装固定。单元膜面吊装工艺流程为：手拉葫芦及膜搁置支架安装→膜就位于展开位置→将膜对应着龙骨四角展开→布置膜上防风绳→设置铝型材和张拉螺栓→用卡具夹紧铝型材→膜面高空吊装→膜周边临时固定→膜周边固定→多次张拉调整。

4 操作要点

4.1 测量控制

单元龙骨拼装测量：通过三维模型转换地面拼装坐标，每片拼装前调整标高，核实无误后进行拼装，确保拼装的精度；设置多个测量控制点，且控制点宜设置在主体结构以外，防止主体结构沉降徐变等对测量精度产生影响；根据设计要求，每块独立膜单元在钢龙骨现场拼装完成后，都要测量，并将整理好的实际模型提供给公司设计师，按照实际测量设计数据设计膜材。

标高控制测量：为了保证钢结构现场拼装及吊装的要求，标高控制网使用土建提供的高程控制网的基准点，在安装区域每隔10 m布置一个基准点，形成一个闭合的网状水准线路，每次使用前都要对其标高复测检查，以提高测量的精度。标高控制网设在±0 m顶板上，并保证在钢结构安装期间相互可以通视。

4.2 单元龙骨吊装

4.2.1 单元钢龙骨拼装

首先，将单元龙骨在地面进行拼装，拼装时借助钢支撑进行定位。设置支撑前需要先平整场地，测放杆件连接的节点位置。支撑之间要采取钢构件进行固定，防止出现变形。之后，按照主龙骨、中间龙骨、吊点处临时支撑、吊点的顺序依次焊接单元龙骨，注意临时支撑仅在吊点钢梁处设置。需要注意的是，拼装时应设置监测点，为保证测量精度，对关键部位要提高精度，拼装结束后，要对拼装体的几何尺寸进行验收测量，为吊装提供依据。

4.2.2 单元龙骨吊装施工

1）内膜龙骨单元的吊装（图7）：滑轮①与事先预埋好的地锚相连，滑轮②、③与原钢结构上焊接的吊耳（吊耳位置通过测量放样后焊接）相连。为了吊装方便，将滑轮③和滑轮④组成简易滑轮组。龙骨单元在地面拼装后，在预先计算好的吊点位置焊接吊耳。用钢丝绳连接龙骨单元上的吊耳和滑轮④，通过同时启动2台卷扬机来提升小拼单元的高度。

图7 内膜龙骨单元吊装示意

2）外膜东、西两侧龙骨单元的吊装（图8）：滑轮①与预先预埋好的地锚相连，滑轮②、③、④、⑤与原钢结构上焊接的吊耳（吊耳位置通过测量放样后焊接）相连。为了吊装方便，将滑轮⑤和滑轮⑥组成简易滑轮组。龙骨单元拼装完成后在预先计算好的吊点位置焊接吊耳。用钢丝绳连接龙骨单元上的吊耳和滑轮⑥，通过启动2台卷扬机来提升小拼单元的高度。

图8 外膜东、西两侧龙骨单元吊装示意

4.3 膜面张拉施工

4.3.1 膜面吊装

膜面展开：首先找出钢龙骨的中心位置，膜布直接运输到单元钢龙骨下方进行展开，展开方向应与单元钢龙骨同方向，减少二次搬运。展开后，膜面边界四周穿上铝型材，并按照龙骨边界处螺栓孔数量，在铝型材上设置张拉螺杆，后在膜的适当位置安装工装夹板。

膜单元吊装就位：用卷扬机将膜吊到龙骨对应位置，与已经挂好的手拉葫芦固定。通过大绳牵引膜面，膜面吊至安装位置，两侧工人用绳索拉紧夹具，抖动膜面，辅助膜面的牵引。

4.3.2 膜面的固定

首先进行临时固定，本工程膜结构形式为骨架支撑式膜结构，膜面直接固定在钢龙骨上，膜单元吊装基本就位后，用事先布置好的手拉葫芦、专用夹具和边界螺栓将膜边临时固定在龙骨上。之后，膜面安装固定的过程也是张拉的过程，通过手拉葫芦和边界螺栓进行膜边固定、张拉，在初始阶段张拉时位移较大，主要采用手拉葫芦进行张拉，张拉后期位移较小，采用螺杆或紧线器张拉调整，就位后将拉杆与钢龙骨之间的螺栓固定好，确保膜材张力之后，将手拉葫芦卸载，膜面张拉、固定完成。

4.3.3 膜面张拉工艺

本工程使用的是新型PTFE膜材，这种膜材有较好的焊接性能，有优良的抗紫外线、抗老化和阻燃性能。另外，其防污自洁性是所有建筑膜材中最好的，但柔韧性差，施工较困难。针对此问题，项目技术人员决定采取多次张拉成形，从位移和拉力两方面对膜面张拉过程进行控制的施工工艺，防止造成破坏。

本项目的膜结构经纬方向一般均匀张拉3次才完成，经建模计算，第1次张拉设计值为膜边距钢龙骨10 cm，第2次张拉设计值为膜边距钢龙骨约8 cm，第3次张拉设计值为膜边距钢龙骨5 cm，同时通过紧线器对膜面周边进行拉力检测，防止将膜面拉裂。在正常天气情况下第1次张拉与第2次张拉间隔30～60 min，持续一段时间（约2 h）膜面应力基本平衡后，再进行第3次张拉并固定膜面。

张拉过程中时刻对膜边张拉位置和横向、纵向热合线的尺寸进行测量，同时与设计理论尺寸进行比较，以判定膜张力，通过每次张拉位移控制保证膜单元受力均匀，避免张力不足或超张拉。

5 结语

背景项目的应用证明，滑轮组吊装施工工艺主要特点是占用工作面小，并可为多个单元龙骨在地面同时拼装提供工作面，使流水作业更为顺畅，其不受屋面结构的影响，且为屋面优先施工提供了条件，能够有效地加快施工速度。PTFE新型膜材的张拉施工难度较高，可通过位移和拉力的双重控制技术进行张拉，以保障其整体受力均匀，塑造出优美的曲面造型。

在现有的各类规范及标准中，鲜有对膜面张拉的相关介绍和对应的质量标准，反装膜结构的施工要点更是未见提及，且膜面张拉完成后如何对其进行验收，如何判别质量缺陷，也未寻得好的方法。希望业界同人日后对此开展进一步的研究，并形成相关的规范。相信本文中对膜结构张拉工艺的介绍，可为类似的膜结构施工提供帮助，促进新型绿色膜材的推广和应用。