索膜在卢塞尔体育场屋盖结构上的应用技术

张军辉

(中国铁建股份有限公司，北京 100855)

0 引言

屋盖索膜结构作为一种大型建筑屋盖结构，具有结构跨度大、空间结构轻巧、强度高、自重轻、造型新等优点，是一种柔性的空间网状建筑结构支撑体系，在空间上由高强的层膜和拉索组成，通过空间张拉形成拉应力，在拉应力的整体作用下形成空间结构，适用于大型体育场馆、展览中心、大体量公共建筑等，能营造自然、和谐、明亮的内部空间[1]。

1 工程概况

卡塔尔卢塞尔体育场位于卡塔尔首都多哈北部的卢塞尔市，是2022年世界杯主体育场，其外形像一个巨大的有马鞍形边缘的金碗，可容纳9.2万个观众。体育场主体结构为钢结构，为48幅V型柱，上面压有钢压环，屋盖采用索和膜共同构成的柔性结构，主索网由上下环索和径向索共同构成的单层轮辐式张拉应力结构，总体跨度307.7 m，索结构悬挑长度92.85 m，外观看是一个轮辐式的金碗盖。东西侧高程为76.60 m，南北侧高程为61.03 m，整体外观呈现出东西高、南北矮的马鞍形。项目整体用钢量达10万t，膜材结构面积为4.5万m2，是迄今为止世界上最大的索膜屋盖结构单体建筑(见图1)。

2 主体结构体系

马鞍形的空间钢结构、柔性的索网体系、大面积张拉状态的膜材结构共同组成卢塞尔体育场的独具特色的空间屋盖结构。卢塞尔体育场屋盖结构投影整体呈环形，外环直径307.7 m，中间环形露天区域直径为122 m，东西两侧分别设有雨棚，雨棚也使用膜结构材料。

屋盖从结构上可细分为外围钢结构(含V柱和压环)、索网、膜面三个部分。索网结构由径向索、上内环拉索、下内环拉索、水平和竖向交叉索组成，其中内环索通过48幅径向索与外围钢结构连接成稳定的主索系(见图2)，并通过交叉索形成整体预应力索网，径向索上面设有拱杆和飞杆，在拱杆上面敷设层膜材料，层膜表面部分由48个单元膜片组成。主索结构由主索(含径向索和上下环索)、短柱、节点板、交叉拉索构成。

径向索每幅分为四部分，从压环至环向索之间从上而下分别分为CS1(Φ124)，CS2(Φ104)，CS3(Φ108)，CS4(Φ124)等四部分，径向索交叉设置，交叉部分用交叉节点板连接，CS3与CS4之间设置5个短索柱使径向索形成鱼腹形状(见图3)。

环向索由上环索、下环索及交叉索组成，上、下环索分别由8根D90和D110钢索用节点板锁定而成。上环索最高、最低点高差3.1 m，下环索最高、最低点高差2.0 m。

在径向索上安装支撑层膜材料的钢管拱，其上敷设层膜材料。卢塞尔体育场优化后采用单层膜材，跨度在100 m左右，整个膜屋面由96幅膜单元组成，总面积约56 300 m2，马鞍形曲面最大高差15.53 m。

索膜屋盖结构充分发挥了索、膜两种材料协同作用的力学性能，设计新颖、结构合理、造型美观[2]。

3 索膜屋盖结构施工方案

在外围钢结构安装完毕，形成稳定的支撑体系后再进行索网结构安装和层膜的铺设，索膜施工前在看台上安装钢丝网进行安全防护。

3.1 索结构安装工艺

整体索结构安装、径向索提升工装设备、环向索工装设备、作业平台等的计算报告必须得到业主监理单位批准。

将体育场内划分为8个施工区域(见图4)，按照规划安装6台塔吊、2台履带吊作为索网结构起吊设备，进行索网、膜结构吊装作业。施工前在看台上设置安全防护网，然后进行索网的安装，具体步骤如下：在体育场球场区域地面上搭设内环索铺设支架(高8 m)，然后在内环索铺设支架上铺设8根上内环索并锁定在节点板上形成完整的环状，在看台钢结构上铺设径向索CS3，CS4，并将CS3与上环索在节点板处连接固定；在压环梁上部CS1径向索位置安装内环索临时提升设备，张拉临时提升设备缓慢通过临时索将上内环索提升离开地面17 m；检查铺设支架，确定完好后再铺设8根下环索并锁定节点板形成环状，安装上下环索间的交叉索及短柱，将上下环索组成整体内环索结构，将径向索CS4与下环索的节点板连接，再次张拉临时提升设备整体提升上下环索，直至下环索与铺设支架分离；在铺设下环索及提升上下环索的同时，在看台钢结构上铺设CS1和CS2径向索，将径向索交叉节点板吊装到设计位置下方的看台上，与径向索CS1，CS3，CS4与连接锁定，将临时张拉设备与CS1连接固定；用临时张拉设备提升CS1直到CS1和CS4受力；继续提升CS1直至所有径向索脱离看台，安装CS3与CS4间短柱，用钢丝绳固定；继续提升CS1直至距离压环上的连接板2.5 m，移除看台上的钢丝安全防护网，继续提升CS1到设计位置，用销轴固定；将CS1处的临时提升设备移至CS2径向索处，将CS2提升到设计位置用销轴固定，主索结构安装完成。主索安装工艺流程：铺设CS3,CS4及提升上环索的临时吊索→铺设上环索→连接压环与上环索间的临时吊索→铺设下环索并与CS4索连接→安装上下环索间交叉索及短柱→张拉临时索提升下环索离开钢支架→张拉CS1索至CS4索离开看台→依次安装CS3与CS4索间短柱→提升CS1至连接板、拆除临时索→安装销轴将CS1固定到连接板→安装CS2固定到连接板→安装水平索及拱杆、飞柱[3-4]。

3.2 拱杆和飞柱安装

3.2.1 拱杆设置

卢塞尔屋盖拱杆分主拱和次拱，各有48榀，间隔设置。每个主拱由6个拱段组成，相邻拱段由销轴固定在连接节点板上，节点板安装在48幅径向索的5根短柱上，另外一个安装在径向索的交叉节点板上的短柱上面；每个次拱由7个拱段组成，下设飞柱，次拱与主拱段相错设置，次拱下的飞柱与主拱的短柱之间通过竖向交叉索连接，主拱的短柱顶(或压环与主拱连接板)与次拱的拱脚处在水平方向通过水平交叉索连接，共同组成稳定的网状结构。

校企合作是高职院校培养高素质技能型和应用型人才的必由之路，高职院校办学的基本目标之一是向社会、向企业输送具有高素质、多技能符合社会多样化需求的复合型、创新型、应用型专门人才。而要达到以上人才培养目标，高职院校则必须直接顺应市场变化，与体现市场行业需求的企业开展校企合作。让企业走进校园，企业直接参与高职院校学生职业技能的培养。让校园融入企业，高职院校可借助校企合作这个平台，直接了解企业需求，及时调整教学计划，重新进行优化组合，与企业共同育人，从而培养出社会和企业需要的人才。

3.2.2 安装工艺

安装顺序：拱形构件和配件在国内加工厂生产，通过海陆运输至现场堆放。在现场预先进行主拱和次拱的拱杆、拱脚连接板连接，再装配次拱的飞柱，整个完成后对接头和喷漆等进行检查验收。然后根据主轴线编号顺序用塔吊将主拱拱段依次吊装至设计位置用销轴固定在径向索节点板预留孔洞上，再在次轴线依次吊装次拱拱段至设计位置并在拱脚和飞柱底与节点板连接，最后将水平索、竖向索与径向索节点板连接，张拉水平索、竖向索，并检查主拱、次拱、短柱的位置，如有偏差适时调整，直至水平索、竖向索张拉到设计拉力。

安装过程：拱杆分8个区域安装，从V柱上的钢压环梁向内拉环方向安装，吊装时在相对的区域同步安装。吊装拱杆时，先将牵引钢丝绳穿过拱杆顶的专用固定夹具，在拱杆中间系上缆绳，再用塔吊或者履带吊整体吊装。 先根据计算确定每根支承拱杆的吊装平衡点，用塔吊将拱杆吊装至设计安装点位，将对销轴穿过节点板预留孔固定。由于支承拱杆端头接头板与径向索夹为销轴连接，只需在支承拱杆吊装到位后将销轴穿过支承拱杆底部径向索夹预留孔内固定，便可实现支承拱杆与径向索夹的精准连接。飞柱空间设计位置与地面垂直，在支承拱杆时需要人工辅助对飞柱垂直度进行测量、初调，保证与地面垂直。因膜单元与拱杆连接固定，在膜单元张拉时，拱杆空间位置也将随膜单元移动而发生变化，最终在膜单元张拉固定时，支承拱杆才达到设计位置，即依靠膜单元的张拉实现支承拱杆的被动调整，最后随着膜材与拱杆的固定达到拱杆的最终位置[5]。

3.3 层膜安装工艺

本项目采用进口聚四氟乙烯(PTFE)涂层的玻璃纤维织物膜材，膜材力学性能指标满足国家规范A级膜标准。本工程分为4个区，以径向索分界分48个膜面单元，铺设前对每单元膜片的拱顶、拱中、拱底部位进行膜面应力分析，从径向和纬向的伸长率和偏差进行试验，要求应力偏差不超过设计的15%。

3.3.1 建立膜安装实物模型

在国内的膜加工厂根据单幅索网同等比例，安装膜安装支撑结构实物模型，以验证以下结论：

1)安全网作为施工平台的可靠性；2)膜加工裁剪的精确性，确保膜面应力满足验收标准；3)验证深化设计的正确性，通过安装发现设计缺陷及时改进；4)验证安装方案的合理性，设计工作设备；5)培训安装工人，提高其安装技能。

单元膜材料设计为不等腰梯形，长边宽8.96 m，短边宽4.036 m，一边长75.289 m，另一边75.127 m。在国内膜材料工厂按深化后的设计尺寸用专业数字化的加工设备裁剪和加工，与设计深化图纸共享数据，进行全自动化膜片配置，将配置结果传送到引进的数字化加工设备，由数字化加工设备进行自动裁剪。加工完毕后，在实物模型上进行膜体预安装，然后折叠成膜包(宽边2.4 m、短边2.2 m，长12 m)并根据膜所在部位进行准确编号，运输到施工现场，最后在卡塔尔卢塞尔体育场现场正式安装。膜结构材料的加工先后次序要严格遵守监理单位批准的施工计划中的确定的安装顺序。

3.3.3 膜结构安装

层膜结构是在主拱、次拱和飞柱安装完毕，水平索和竖向索网系统、上环索上水沟、压环外屋盖结构、雨棚施工完毕，安装好尼龙绳安全网和通道后进行施工。

膜材安装分四个区对称安装，首先要根据安装部位找出在工厂进行编号的膜单元，用塔吊或者履带吊将膜材安装滚筒吊装至膜端部，将膜展开后转动滚筒将膜卷在滚筒表面，再使用起重机将滚筒与膜材共同吊装至内环索上方，进行膜的展开与张拉。

膜展开分两个方向，先将膜沿径向展开，再沿膜单元环向展开。膜单元纵向展开采用滚筒慢慢转动，随着滚筒转动，卷在滚筒上的膜材也就展开，膜材展开到设计位置后，使用专用夹具夹紧膜边，再用牵引绳固定在专用膜材夹具上，安装工人站在外压环钢管上方安装平台上，同步拉动牵引绳，在膜材两侧施工通道上安排工人辅助张拉，保证膜单元沿径向顺利展开。 膜单元径向展开后，将滚筒吊走，再在膜材两侧沿径向膜边索上安装膜材安装专用夹具，将牵引绳与专用夹具固定，另一侧连接在安装倒链上，将倒链与径向索连接固定，然后操作倒链横向牵引膜材。由于膜材平面呈梯形，环向牵引张拉时，先牵引靠近压环钢管位置处的膜材，然后从外到内依次牵引中间位置，最后张拉内环索位置膜材，张拉时要令膜材与支承拱杆形成一定空间角度，减少膜材张拉过程中与支撑拱杆的摩阻力，以便于膜材环向展开。 当现场环向展开受阻时，可在膜材环向膜边上也参照上述方法设置张拉结点，倒链设置在膜材外的外压环钢管节点板和上环索上节点板上。

膜材结构张拉与固定：膜材展开到位后，先在水平索上方将铝型材固定到膜材四周膜边上，再将U形夹套在径向索、外压环连接钢管及内环索上，然后人工拉动倒链，将膜材张拉至设计位置，立即用穿过压膜板的沉头螺栓固定，同一径向索两侧的膜材宜同步对称固定，无法立即固定时，在膜上方按径向每4 m设置一道绳索，捆扎在外压环钢管和上环索上。

层膜首跨吊装时需先设置承压绳网承托膜展开时的重量，一般情况下选择尼龙绳，沿支承索网径向索方向每隔3 m设置一道尼龙绳，绳索两端通过紧绳器分别与压环连接钢管、内环索连接板连接。尼龙绳网安装完成后，通过紧绳器对绳索按计算书结果施加相应拉力，除首跨膜外，其余膜须直接吊装在临跨已安装完成的膜上方，无须再搭设承压绳网。

3.3.4 膜面预应力

膜材表面和径环向索的预应力不小于5 kN/m，膜面谷索最大预拉力为300 kN，边索最大预拉力为400 kN，脊索和柱顶连接的水平索最大预拉力为800 kN，背索最大拉力达5 000 kN以上；索端张拉设备位置及数量应根据计算合理确定，既要保证膜结构能顺利张拉到位，又尽可能减少使用数量，控制索的制造成本，连续张拉的特点是相邻单元膜相互影响且张拉投入的设备和人力数量多；张拉时涉及的点多面广，要正确选择检测点位。

4 索膜施工过程需注意的问题

1)膜材安装重点部位有膜与拱杆的连接、膜与索的连接等关键部位；索膜结构对拱杆和次索的加工和安装精度要求高，长度偏差不大于1 mm，次轴节点高程偏差不超过30 mm。

2)为保证膜材安装获得好的排水效果，在膜结构深化设计时要综合索结构施工偏差、膜材张拉时产生的二次变形及伸长率、膜单元热合长度机卷边长度等影响，通过自动化专业设备合理进行膜单元自动化配置。

3)膜结构在安装过程中要做好以下几点：膜材展开和穿拱过程中膜材的成品保护；膜材在穿拱过程中的拱杆节点位移；膜材与水平索连接要保证膜面排水通畅。

4)从膜材应力分析来看，应力偏差因施工方法不同而各异，要进行改进。例如：压膜材螺栓要用沉头螺栓，否则会造成防水膜损坏；拱杆节点位置的压膜板不能做成整根；膜体加工时要考虑安装顺序，预留安装接口。

5)膜材在运输前已正反折叠，运输至施工现场后，须清理膜表面；在牵引过程中不得与钢结构接触，以保证膜面的完整性和清洁度。

5 结语

卡塔尔卢塞尔体育场索、拱杆、膜材料都是采用在国内加工，海运到卡塔尔卢塞尔体育场现场，整个安装工程比较顺利，整体满足项目工期要求，2020年9月实现竣工，受到卡塔尔政府的高度称赞，保证了2022年卡塔尔世界杯的按期举办，取得了良好的社会效益。实践证明了该索膜施工工艺合理、技术措施可行性，为同类工程施工提供了较好的借鉴价值。