大跨径仿生树状PVDF膜快速安装工艺

傅乐平，蔡晓男，杨连佼，林宇翔

(中交三航局第二工程有限公司，上海 200122)

0 引言

索膜结构是指通过拉索给柔性膜材料施加预应力从而获得承受外部荷载并具有一定刚度的建筑结构，索膜结构丰富的表现力和灵活性受到建筑师的广泛青睐，如上海世博轴、秦皇岛体育馆、佛山游泳馆等都使用索膜结构。近年来，随着社会、经济的快速发展，膜索结构中复合膜材的种类也越来越多，常见的有PVC膜材、PDVC膜材、PTFE膜材、ETFE膜材等。李章珍等依托奥林匹克体育中心工程研究PVC张拉膜的施工工艺，采用雷射自动裁切机加工膜材，张拉时控制批次、顺序、量值和速度。潘润军研究某大型游乐项目ETFE膜安装流程及施工工艺，并对与膜材连接的铝型材进行详细设计。张勇研究ETFE膜结构的连接节点设计、工厂加工、现场安装等细节，并探讨各种节点形式的优缺点。但目前的索膜结构研究很少涉及仿生结构张拉膜的安装工艺。

1 工程概况

中国花卉博览会(简称“花博会”)是我国规模最大、规格最高、影响最广、内容最丰富的国家级花事盛会。第十届中国花博会选址上海市崇明区东平镇，计划于2021年5月21日正式开幕。1号入口大门钢膜建筑形似2棵枝繁叶茂的大树，内部采用仿叶脉骨架的钢管桁架，外部采用仿树状的张拉膜体系，造型美观独特。1号入口大门建筑高19.21m、长100m、宽40m，建筑面积4 500m2，用钢量约400t，膜面总展开面积近4 800m2。仿生树状构筑物结合雨水回用系统，实现雨水的输送、储存、净化，用于广场区域的自动灌溉和场地清洗。未来通过3D全息影像技术可在膜材表面投影出绚丽花海(见图1)。

图1 主入口大门平面

1号入口大门采用PVDF膜材，它是在PVC膜表面加以PVDF树脂涂层制作而成，织物基材为聚酯纤维及玻璃纤维。与传统的PVC膜材相比，PVDF膜材其耐用年限提高2倍以上，且具有自净自洁性，后期无须清洁维护。1号入口大门膜结构膜面共分为20个单元，最大单元膜面积350m2，该膜材厚度为1.02mm，透光率为3%，具有较高的机械强度与坚韧度及高耐磨性和耐热稳定性等优点(见图2)。

图2 主入口大门膜结构轴测

2 施工重难点

1)1号入口大门的膜结构属于反吊张拉膜(膜材在钢桁架下方)，相邻的膜材必须实现无缝拼接。

2)1号入口大门的膜结构由10组对称的膜单元无缝拼接而成，各膜单元均是空间异形的不规则四边形，对膜材的裁剪、下料及制作精度提出很高要求。

3)1号入口大门“上宽下窄”，周边膜材悬挑长度大且立面坡度较陡，仿生叶脉状钢桁架上膜材安装节点多达2 000多个，钢桁架上焊接悬挑脚手架的常规方案无法适用。

4)1号入口大门的膜材安装时间在11—12月，崇明冬季多大风天气。现场施工需考虑合理安排安装顺序，确保在不利工况下已安装的膜结构不受大风影响而受损。

综上所述，本工程首先使用全站仪测量仿生叶脉状钢结构的空间点位数据，将其导入BK专用切割系统实现膜材的数字化精确加工；然后沿主要钢桁架竖向固定数条钢索及竹爬梯，形成蛛网状施工操作平台；最后采用从上至下、相邻相接的顺序安装膜材。安装过程中，利用登高车优先固定膜材的上侧、左侧、右侧3个边的安装节点，再利用蛛网状操作平台固定膜材的下侧安装节点。

3 关键施工工艺

3.1 钢膜安装节点

为实现反吊张拉膜的无缝拼接、应力分布均匀无褶皱，针对不同杆件设计3种钢膜连接节点，如图3所示。其中，A类钢膜节点适用于1—1，2—2，3—3断面，采用内扣式U型拉膜专用铝型材，主要用于较大面积膜材的拼缝处；B类钢膜节点适用于4—4，5—5，6—6，7—7断面，采用双边拉膜专用铝型材，主要用于较大面积膜材的中间固定；C类钢膜节点适用于8—8断面，采用单边拉膜专用铝型材，主要用于结构边缘悬挑区域的张拉固定。

图3 钢膜节点深化设计

3.2 膜材划分与加工

主入口大门的膜材划分为对称的10组，整体上从中间分开安装，最后闭合1道龙门，如图4所示，图中序号代表膜单元的安装先后顺序。主入口大门的钢结构骨架安装完成后，先焊接钢膜节点构件，然后现场使用全站仪对膜材拼缝处的膜节点进行空间数据采集，最后将测量数据导入BK专用切割系统，实现对膜材尺寸的数字化处理，完成膜材的平面排版与立体裁切工作，提高异形不规则膜材的裁切精确度和生产效率。

图4 膜单元安装顺序示意

3.3 蛛网状操作平台

结合主入口大门仿生树形的建筑特点，提出搭设蛛网状操作平台的思路以实现悬挑结构的反吊膜安装工艺(见图5)。具体实施方案如下。

图5 蛛网状操作平台平面布置

1)采用10mm镀锌钢丝绳将竖向钢管的各节点水平横向拉结，竖向间距2～3m，并用手拉葫芦将上述钢丝绳拉紧固定，从而形成多个环状镀锌钢丝绳圆环，以此作为蛛网状操作平台横向柔性骨架。

2)沿钢管节点竖向布置竹梯，竹梯与环状镀锌钢丝绳采用10号铁丝双股固定，每节竹梯与镀锌钢丝绳的连接节点≥3道，两节竹梯之间同样采用10号铁丝双股固定。竖向钢管两侧的竹梯还须与钢管节点固定牢靠。竖向竹梯不仅作为珠状网操作平台的竖向骨架，也作为上下该平台的通道。

3)利用登高车在每节竖向主钢管上各设置1道防坠器，作为膜材安装人员的安全保障措施。同时，竹梯的上、下两端要包裹严密，防止划伤钢管涂装与膜材(见图6)。

3.4 膜材安装工艺

1)安装顺序 膜材按从上至下顺序安装，具体如图7所示。单片反吊膜先固定膜片的4个角点，经全站仪测量复核后再固定膜片的配件节点，应顺着膜片边的延伸方向，逐个将膜片的铝合金型材和不锈钢配件安装牢固。

2)膜材临时固定 将膜材放置于相应区域的地面上，人工将拉膜专用铝材穿拉固定至膜材上，注意膜材方向与结构方向一致。用专用钢夹板固定膜边索作为起吊吊点，利用汽车式起重机将整块膜从下至上吊起，用手拉葫芦张拉膜边索内钢绞线将膜上部2个角点固定至膜角板上。再利用登高车，将膜下部角点通过手拉葫芦固定至底部钢桁架上，完成整块膜的临时固定。

3)膜节点固定 竖向膜节点利用登高车，从上部膜角板(膜节点)向下依次安装。安装时，用3～4根钢丝绳将膜边分段，临时固定至附近膜节点，方便安装。把拉膜专用铝材与手拉葫芦固定，转动手拉葫芦将拉膜专用铝材顶至相应膜节点上，再用手电钻将M12×90不锈钢螺栓与拉膜专用铝材固定至膜节点上。待该段大部分膜节点固定完毕后，解开下方钢丝绳，进行下一段膜节点安装。待竖向膜节点安装完成后，利用蛛网状操作平台进行横向膜节点安装，安装方法与竖向膜节点相同。

4)相邻膜材合龙 先在铝合金型材侧面用直径10mm钻头打孔，内穿直径6～8mm钢丝绳，通过手拉葫芦张拉钢丝绳使2件铝型材闭合。确认2个铝型材的原螺栓孔对齐后，暂时固定张拉钢丝绳，用M12×90不锈钢螺栓把2件拉膜专用铝材固定在一起。最后，松开手拉葫芦并解下张拉钢丝绳。

5)膜材及索具张拉 膜材张拉时，通过每块夹板对膜单元边界逐一施加张力，补偿膜单元边界的缩量，使膜单元边界的孔位与夹板孔位一一对应。安装过程中应及时检查膜面应力值，确保膜面应力达到设计要求。待所有膜材均固定后，从上往下对每个膜单元进行检查调整。通过观察膜面的松弛程度，将对应区域的螺栓进行微调，确保膜面均张拉至光滑无褶皱。待各膜单元均安装完成后，利用起重机配合索具的安装。索具安装完毕后，用发泡剂将索管密封，索螺纹及碰损的油漆重新涂刷。

6)操作平台拆除 膜片安装完毕，梯子绳网即可撤除。每单元紧固件全部安装完毕，碰损油漆及时补刷同时跟进，膜单元检查无缺陷后即可分步解除梯子，循环使用梯子及绳网。

4 结语

第十届中国花博会的主入口大门采用仿叶脉状钢桁架外挂PVDF张拉膜体系，高19.21m、长100m、宽40m，膜展开面积约4 800m2，会展期间将结合3D全息影像技术营造绚丽花海，其造型独特、结构优美，但安装难度很大。施工过程中，将膜面划分为10组对称的膜单元，最大单元膜面积350m2。现场采用全站仪测量钢构件空间数据，将其输入BK专用切割系统实现膜材的数字化加工。因膜单元属于反吊膜，现场搭设蛛网状施工操作平台用于膜单元的快速安装。按指定的安装顺序依次完成膜单元的起吊挂膜、临时固定、膜节点紧固、索具张拉等工艺。