上海浦东足球场屋盖吊顶膜的深化与施工工艺研究

杨 清 陈文俊 王维刚

1.上海市机械施工集团有限公司 上海 200072；

2.深圳市烨兴膜结构工程有限公司 广东 深圳 518109

上海浦东足球场项目是上海打造足球文化的重点项目，位于上海市浦东新区金桥镇，是一座满足国际足联A级比赛要求的专业足球场。其屋面幕墙系统由多种体系组成，其中屋盖吊顶膜结构面积逾2万 m2，净高30 m左右，由于上方金属屋面已闭水，故其施工难度相当大。

本文主要介绍膜结构吊顶单元式深化与施工工艺，阐明各环节中的控制要点。

1 工程概况

上海浦东足球场幕墙面积共88 872 m2（可视面展开面积），幕墙系统包括聚碳酸酯板屋面、铝镁锰合金板＋蜂窝铝板屋面、幻彩铝塑板幕墙、屋盖吊顶膜结构、肌理板、红色铝塑板幕墙、玻璃幕墙、玻璃栏板等，具体组成如图1所示。

图1 幕墙系统组成示意

2 施工总体技术路线

体育场钢结构屋盖吊顶膜为反吊张拉膜，是体育场屋盖的吊顶结构。考虑到施工安全、施工效率、膜材成品保护等因素，确定屋面表皮的施工顺序为先完成主体结构顶面的金属屋面，待金属屋面闭水后，再进行主体结构下面的膜结构吊顶施工[1-5]。

膜结构吊顶采用单元式安装的方式，以降低安装难度。整个屋面膜结构共分为276个膜单元，每个膜单元面积从50 m2到170 m2不等，膜结构单元与主体结构直接采用转接件进行螺栓连接。

3 膜单元的深化设计

膜单元的深化设计主要考虑如下几点：

1）建筑效果。整个体育场的建筑效果以环向韵律为主，根据建筑设计师的要求，在膜面中间，环向要形成4道600 mm宽、150 mm深的铝单板凹槽。另外，在大环梁处形成一个800 mm高的铝单板阶梯，一圈完整的环向凹槽要形成流畅的弧形造型，但与之对应的主体结构却是不规则的折线段。应用BIM模型技术，首先根据主体钢结构的深化模型，对每一个环进行放线拟合，使之形成一个流畅的环向造型，然后再根据放线深化每一个凹槽的边界。凹槽的边界线同时也是两侧膜单元的边界，这样，一方面能够确保反吊膜单元和铝单板直接完美交接，另一方面可以利用膜单元框架作为铝单板凹槽的主骨架（图2、图3）。

图2 BIM效果图

图3 实际完成效果

2）膜连接节点设计。在高空完成膜结构单元和主体结构的连接，在无固定的施工通道及施工平台的情况下，要确保安装快速且连接可靠，就要求节点设计必须方便安装且能够适应施工误差。为实现单元化的膜结构能在高空快速安装且质量良好，将连接节点设计为三维可调，从而大大提高了安装效率和质量。图4即为典型节点，确保节点在x、y、z三个方向上都有±50 mm的调节量，以便能很好地适应施工误差，降低高空连接固定时的难度。为了解决因开长条形孔所带来的连接螺栓摩擦面减小的问题，在每个长条形孔的位置增加6 mm厚的钢垫板，以增加螺栓连接的摩擦面，增加节点连接的可靠度。

图4 连接节点

3）单元框架的设计。要形成276个独立的单元，每个单元的框架设计是一个关键问题。既要能保证框架有很好的刚度，又要严格控制质量，以确保总质量不超过15 kg/m2。经过反复的计算对框架单元进行分类，并根据不同的类型对框架进行优化，设置不同的挂点（图5、图6）。

图5 8个挂点单元

图6 12个挂点单元

4）特殊位置节点处理。主结构的V字柱以及结构索会穿过膜面，通过深化确保这些过渡节点既美观，又安全可靠（图7、图8）。

图7 特殊位置节点处理

图8 实际完成效果

4 膜单元深化及施工相关试验

1）节点抗拉试验。为检验节点的抗拉能力及可靠性，通过制作试验模型，对三维可调节点进行了抗拉试验。根据结构计算，荷载组合下，最大支座反力为32.8 kN。所以，抗拉试验分别设置拉力32.8、49.2、65.6 kN进行拉力测试，即用最大支座反力的1倍、1.5倍、2倍的力进行抗拉试验，以检验创新节点的抗拉性能。经过第1次的试验，发现转接件有轻微的变形，于是对转接件进行改进，增加加劲板。然后进行第2次试验，试验结果显示，抗滑移、抗变形均无问题（图9、图10）。

图9 第1次试验

图10 第2次试验

2）提升设备试验。要把地面上组装好的膜结构单元顺利送至安装界面，需要进行垂直提升。由于顶面的金属屋面已经闭水，传统的吊车吊机等起吊设备无法将膜单元完全送至安装位置。为解决这一问题，设计并制作专门的提升设备。提升设备（图11）由主桁架、提升机（2台）组成。其中提升机包括控制器、倾角传感器、交流接触器及提升器（包括提升平台、提升装置、安全锁、工作钢丝绳、安全钢丝绳、电气箱及电气控制系统）。设备制作完成后，进行一系列的试验。先进行空载运行，试验全系统的安全性、可靠性。然后进行负重试验，验证提升设备的载重能力及在载重状态下的运行情况。经过上述2个阶段的试验后，再进行运送钢结构框架到达指定位置的试验，以验收提升设备的运输能力、效率及可靠性。

图11 提升设备

3）样品单元试装。为对深化设计、全流程的施工工艺以及提升设备等进行实战化的检验，大面积安装前，进行样品试装试验。首先对一个独立单元进行试装，检验深化设计和施工全流程工艺的可靠性。然后将环向相邻的2个单元试装，以检验2个单元拼合的效果（图12、图13）。

图12 单独单元试装

图13 相邻单元试装

5 膜单元施工工艺研究

1）膜面预张力施加与膜面变形控制。钢结构框架具有一定的弹性，在受力状态下，容易产生变形。上海浦东足球场对框架的精度要求很高，尤其是径向。为形成径向密拼的效果，两边的框架边缘必须为一条直线，如果误差稍大，即会严重影响密拼效果。膜安装过程中，随着膜面预张力的施加，对框架的反作用力也在增加，框架变形的风险也在增加。如何控制预张力施加的水平，以及施加预张力的方法，是控制框架变形量的关键方法。经过反复试验，最终确定径向优先的张拉方式，即四周施加预张力时径向先加力，确保径向先张拉到位，然后再在环向方向加力。这样，最终四周的预张力均到达设计值3 kN/m，但是径向的变形能降到最低，环向的变形略大。但环向的变形误差也能控制在15 mm之内，这样的误差是可以被后面的铝单板包边所掩盖和吸收的。

2）尺寸精度控制。屋面膜结构共分为276个膜单元，每单元尺寸各不相同，276个单元分为6环，每个环由46个单元组成。如果尺寸和定位精度没有得到很好的控制，环向合拢时势必会受到影响，这可能会严重影响建筑效果，或者导致大面积的返工。所以，这不仅要求在钢结构尺寸和膜裁剪及加工的过程中，对尺寸的控制都需要很精准，还需要使用精密的测量设备辅助施工。为了确保精度，进行全过程的精准三维测量，并实时把测量数据发回设计部，设计部根据测量数据及时分析误差情况并对后道工序进行调整。其中，测量主要分三个阶段：一是主体结构上的锚节点测量，用于框架的加工出图；二是膜张拉完成后的测量，分析单元变形是否在可控范围之内；三是膜单元安装就位后。分析安装是否到达预定位置，若出现偏差，须在后面的单元中及时进行尺寸调整，确保误差不要累积，以避免后面产生严重后果。

6 结语

通过屋盖吊顶膜结构在上海浦东足球场项目中的顺利实施，得到以下结论：

1）单元式反吊膜具有自重轻、安装快速等特点，对主体结构的影响小，比较适用于大面积室外吊顶结构应用。

2）单元式反吊膜的深化设计过程需要应用BIM技术来精确控制出图数据，安装过程中需要高精度测量仪器全程跟进并把控施工精度。

3）单元式反吊膜采用定制智能提升设备来进行垂直运输，能更好地实现膜单元的高空安装。

4）施工工艺的优化是确保施工效率的关键。