淺談大連體育場(chǎng)膜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

韓亮 譚長(zhǎng)江

摘要：在索膜結(jié)構(gòu)蓬勃發(fā)展的同時(shí),一系列的設(shè)計(jì)、施工問題也隨之產(chǎn)生。目前索膜結(jié)構(gòu)的研究主要集中在找形分析、裁剪分析、荷載分析、及施工工藝等方面。與國(guó)外相比,國(guó)內(nèi)索膜結(jié)構(gòu)的研究和應(yīng)用還比較落后。為助于幕墻行業(yè)工程技術(shù)人員理解、應(yīng)用膜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，特撰寫此文。本文包括節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)、連接構(gòu)造、防鳥裝置、排水/防水系統(tǒng)、控制系統(tǒng)/供氣系統(tǒng)、剪裁分析等內(nèi)容。

關(guān)鍵詞：膜結(jié)構(gòu) 剪裁分析 大連體育場(chǎng)ETFE氣枕

中圖分類號(hào)：S611 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：

一、項(xiàng)目簡(jiǎn)介

大連體育中心項(xiàng)目選址位于大連市甘井子，項(xiàng)目選址西臨朱棋路，南臨嶺西路，該位置既是大連市規(guī)劃的北部中心區(qū)域，又是朱棋路新區(qū)的中心位置，距旅順口區(qū)40km、開發(fā)區(qū)27km、金州區(qū)20km。

本項(xiàng)目大連體育場(chǎng)即為體育場(chǎng)中心一場(chǎng)四館中的“一場(chǎng)”。體育場(chǎng)6萬(wàn)個(gè)座位，占地面積18.6萬(wàn)平方米，建筑面積11.9萬(wàn)平方米，能夠承擔(dān)田徑、足球等比賽，兼顧大型活動(dòng)。

大連市體育運(yùn)動(dòng)中心由一場(chǎng)四館及綜合服務(wù)區(qū)組成。

大連體育場(chǎng)膜結(jié)構(gòu)分為外層的ETFE氣枕和內(nèi)層的PTFE網(wǎng)格膜

二、ETFE氣枕方案介紹

大連體育場(chǎng)屋面及立面裝飾層（或稱圍護(hù)系統(tǒng)）由單腔ETFE 充氣氣枕構(gòu)成，氣枕位于主鋼結(jié)構(gòu)上方和外側(cè)，并由建筑鋼結(jié)構(gòu)檁條進(jìn)行支撐。充氣氣枕須滿足建筑外觀、透光，承受風(fēng)、雪外荷載，排水等方面的要求。

ETFE氣枕外層通過彩色的或帶圖案的膜材實(shí)現(xiàn)建筑外觀效果，在對(duì)整個(gè)體育場(chǎng)的氣枕層進(jìn)行合理分格后，將白色、藍(lán)色和銀色鍍點(diǎn)ETFE的有序組合搭配，形成了一種旋轉(zhuǎn)動(dòng)態(tài)的水的形態(tài)，海濱城市大連的水元素巧妙地融入其中。

為實(shí)現(xiàn)氣枕穩(wěn)定飽滿的形態(tài)和抵御一定外荷載的能力，需采用專用機(jī)械設(shè)備向ETFE氣枕內(nèi)輸送清潔并經(jīng)過除濕的空氣，正常設(shè)計(jì)內(nèi)壓為300Pa，而在發(fā)生大風(fēng)、降雪時(shí)，設(shè)計(jì)內(nèi)壓增加到600Pa，氣枕內(nèi)部壓力的調(diào)節(jié)將是全自動(dòng)化控制并能進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)視，而且設(shè)備設(shè)有連接BMS系統(tǒng)的無(wú)源接口。

由于整個(gè)體育場(chǎng)的風(fēng)荷載情況較為復(fù)雜，需對(duì)氣枕進(jìn)行全面的強(qiáng)度分析并選擇合理的膜材厚度和高跨比。我們經(jīng)過計(jì)算，認(rèn)為15%左右的高跨比是比較合適的。

ETFE氣枕作為體育場(chǎng)屋面的主要防水層，穩(wěn)定可靠并完全水密的連接節(jié)點(diǎn)是我們考慮的重點(diǎn)。我們將采用天溝形式的連接方式，氣枕單元通過周邊專門設(shè)計(jì)的鋁合金構(gòu)件連接于鋼結(jié)構(gòu)天溝上沿，氣枕膜與鋼構(gòu)及鋁合金之間均設(shè)計(jì)有EPDM橡膠條進(jìn)行保護(hù)。雨水流入氣枕周邊的天溝后有序排入屋面內(nèi)圈大天溝，并最終進(jìn)入虹吸系統(tǒng)。

三．節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

針對(duì)本項(xiàng)目氣枕邊框角度扭轉(zhuǎn)多變的特點(diǎn)，兩側(cè)相鄰氣枕共用一道鋁合金進(jìn)行壓裝的方式已不現(xiàn)實(shí)，因此我們采用了天溝形式的節(jié)點(diǎn)樣式，將各個(gè)氣枕的安裝完全獨(dú)立。天溝除了用于固定鋁合金型材，同時(shí)滿足了屋面進(jìn)行有組織排水。天溝的采用使膜材安裝和后期維護(hù)變得便利。

為適應(yīng)目前的天溝寬度，以及體育場(chǎng)外立面對(duì)美觀性的要求，我們采用了鋁合金節(jié)點(diǎn)形式，氣枕通過該鋁擠型固定于天溝上沿，在ETFE與鋼構(gòu)、ETFE與鋁合金之間均設(shè)計(jì)有橡膠條。整套鋁擠型主要有三部分組成：底槽，拉膜條，蓋板。整個(gè)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)充分考慮到ETFE膜材的特點(diǎn)，其優(yōu)點(diǎn)有：

安裝便利。鋁合金底槽不需要進(jìn)行開孔，導(dǎo)軌式設(shè)計(jì)使螺栓可沿鋁合金長(zhǎng)度方向自由滑動(dòng)，因此沒有與鋼結(jié)構(gòu)孔位進(jìn)行準(zhǔn)確匹配的要求。對(duì)于后期維護(hù)更換氣枕，該節(jié)點(diǎn)也是方便拆卸且完全不影響相鄰氣枕。

連接可靠。拉膜條鋁合金與底槽的互鎖式連接穩(wěn)定可靠，氣枕膜張拉到位扣住后，即滿足結(jié)構(gòu)的需要，蓋板僅用于外觀裝飾作用。

保護(hù)到位。該節(jié)點(diǎn)無(wú)需在ETFE膜材上進(jìn)行穿孔處理，不損傷膜材強(qiáng)度。在ETFE與鋼構(gòu)，ETFE與鋁合金之間均設(shè)計(jì)有橡膠條，既保護(hù)膜材不被鋼鋁構(gòu)件劃傷，又避免高溫下鋁合金等金屬件對(duì)膜材的損傷。

截面輕巧。為適應(yīng)天溝的寬度及對(duì)外觀的要求，鋁合金的尺寸被盡量壓縮，外觀高度和寬度分別約為65mm，30mm。

防水合理。該節(jié)點(diǎn)的連接螺栓位于天溝內(nèi)部，不在天溝本體上進(jìn)行鉆孔，完全避免了常見的雨水由螺栓孔滲入的可能性。天溝上沿橡膠條在螺栓和氣枕膜面張力的雙重作用下，緊緊壓實(shí)在天溝表面，進(jìn)一步提升了防水的可靠性。

該鋁合金節(jié)點(diǎn)形式經(jīng)過各類氣候條件的測(cè)試以及工程實(shí)踐的檢驗(yàn)，被證實(shí)是安全可靠的。

四．天溝連接構(gòu)造

ETFE等膜結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)需要其周邊提供一個(gè)連續(xù)的、平整過渡的閉合邊界，故要求本工程中相鄰天溝的上沿相接于一點(diǎn)。對(duì)于本項(xiàng)目的屋面等相對(duì)弧度較平緩的區(qū)域，天溝的連接相對(duì)較為容易，而在肩部等曲率較大的位置，四根檁條/天溝匯于一點(diǎn)，但由于各根檁條/天溝并不在一個(gè)面上，這給其連接帶來極大挑戰(zhàn)。

我們擬根據(jù)各根天溝的角度，將各天溝相匯節(jié)點(diǎn)在工廠進(jìn)行預(yù)制，在現(xiàn)場(chǎng)焊接天溝中間段和已預(yù)制好的節(jié)點(diǎn)。故可減少現(xiàn)場(chǎng)工作量，提高工程質(zhì)量。

五．防鳥裝置

在屋面部分，為避免鳥類抓傷膜面，故我們?cè)跉庹碇苓叢贾昧瞬讳P鋼防鳥線，防鳥線張緊于固定在鋁合金夾具上的不銹鋼支架上。

六.排水/防水系統(tǒng)

落于氣枕表面的雨水首先進(jìn)入其周邊天溝，而較淺的環(huán)向天溝則匯水于較深的徑向天溝，然后由徑向天溝有序排入屋面內(nèi)圈的大天溝，最后進(jìn)入虹吸系統(tǒng)。

立面的環(huán)向天溝不考慮排水功能，而徑向天溝則考慮做成排水管道，將體育場(chǎng)肩部區(qū)域流下的雨水集中排走。

本工程中ETFE氣枕作為體育場(chǎng)的唯一防水層，必須進(jìn)行嚴(yán)格有效的防水處理。為此我們采用較為保險(xiǎn)的天溝形式的節(jié)點(diǎn)連接方式。同時(shí)把螺栓放在天溝內(nèi)部的連接形式，而不在屋面天溝本體上進(jìn)行鉆孔，完全避免了常見的雨水由螺栓孔滲入的可能性。即使從氣枕和橡膠條縫隙間滲入微量雨水，仍然留在天溝內(nèi)部。另外天溝上沿橡膠條在螺栓和氣枕膜面張力的雙重作用下，緊緊壓實(shí)在天溝表面，進(jìn)一步提升了防水的可靠性。

七.控制系統(tǒng)/供氣系統(tǒng)

為保持氣枕穩(wěn)定的外形并能抵御一定的外荷載，必須向氣枕內(nèi)提供一定壓力（300Pa）的干燥潔凈的空氣。

在本項(xiàng)目中，本著每套設(shè)備供氣面積盡可能相等的原則，將供氣區(qū)域劃分為東北、東南、西南、西北四組，每組3套供氣設(shè)備，共計(jì)12套供氣設(shè)備，每套供氣設(shè)備供氣區(qū)域相對(duì)獨(dú)立，但在每組供氣區(qū)域的環(huán)向供氣管道考慮設(shè)置緊急閥門，在某臺(tái)設(shè)備發(fā)生問題時(shí)，可打開其所在組的緊急閥門，利用相鄰的設(shè)備進(jìn)行供氣。

為保證氣枕大風(fēng)、降雪天氣下的正常使用，特別是氣枕在雪荷載作用下，需要保證其內(nèi)部氣壓大于雪壓，否則氣枕中的空氣則會(huì)在大于其壓力的雪荷載作用下慢慢壓出氣枕，氣枕發(fā)生塌陷而形成“雪兜”。所以每組供氣系統(tǒng)配置了一套風(fēng)、雪傳感器，控制供氣設(shè)備在大風(fēng)天氣或有降雪時(shí)自動(dòng)增加氣枕內(nèi)壓到最大設(shè)計(jì)內(nèi)壓600Pa。

為了工程的安全性，電源設(shè)置緊急備用電源，在發(fā)生停電時(shí)，自動(dòng)接通備用電源，使供氣系統(tǒng)繼續(xù)工作。

八．裁剪分析

目前氣枕的裁剪方法主要有兩類，平面裁剪和三維裁剪。所謂平面裁剪，則進(jìn)行裁剪分析的膜面是平面，加工完成后的膜面也是平面，通過超過設(shè)計(jì)值的氣壓將氣枕充起，讓膜材發(fā)生一定量的塑性變形，從而實(shí)現(xiàn)氣枕的外觀效果。而三維裁剪分析則是從正常工作氣壓下的平衡曲面出發(fā)，此時(shí)膜面張力與氣枕內(nèi)部壓力共同作用使膜面在一定的三維空間位置達(dá)到平衡，由此平衡曲面出發(fā)進(jìn)行膜片裁剪，加工后的氣枕非平面，充入設(shè)計(jì)氣壓后則達(dá)到設(shè)計(jì)需要的外觀。

兩種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，平面裁剪的分析迅速，由于上、下層膜面外形一致，裁剪線為直線，節(jié)約膜材，但受力較差，膜材已產(chǎn)生塑性變形，而且也難以實(shí)現(xiàn)較大矢跨比（通常小于10%）和上、下層不同矢高的氣枕形態(tài)；三維裁剪符合膜材受力特性，可實(shí)現(xiàn)較大矢跨比（可做到25%或更大）以及上、下層不同矢高的建筑效果，但裁剪分析相對(duì)復(fù)雜，采用三維裁剪，膜材的耗量也相對(duì)更大些，但由于其優(yōu)點(diǎn)是顯而易見的，我們將在該項(xiàng)目中對(duì)氣枕采用三維立體裁剪方法。

參考文獻(xiàn)

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