索膜技術(shù)在體育場(chǎng)結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用
——以昆山市專業(yè)足球場(chǎng)索膜結(jié)構(gòu)工程為例

于相平 于安福 劉 亞

20 世紀(jì)70 年代以后，隨著工程計(jì)算科學(xué)的飛速發(fā)展，索膜建筑結(jié)構(gòu)體系開始引起人們的關(guān)注，已大量應(yīng)用在濱海旅游、博覽會(huì)、文藝、體育等大空間的公共建筑上。日本東京室內(nèi)棒球館、美國(guó)的丹佛新國(guó)際機(jī)場(chǎng)候機(jī)大廳及英國(guó)泰晤士河畔的千年穹頂，均為世界矚目的、采用索膜結(jié)構(gòu)體系建成的標(biāo)志性建筑。

目前，很多學(xué)者已經(jīng)對(duì)索膜技術(shù)展開研究。例如，楊鐳對(duì)懸挑式空間索膜結(jié)構(gòu)施工技術(shù)展開研究，分析了懸挑式空間索膜結(jié)構(gòu)施工技術(shù)的具體應(yīng)用，說(shuō)明懸挑式空間索膜結(jié)構(gòu)的應(yīng)用能夠充分發(fā)揮該種結(jié)構(gòu)的剛度、強(qiáng)度優(yōu)勢(shì)，保障整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性[1]；常文慧對(duì)大跨度網(wǎng)架進(jìn)口膜索結(jié)構(gòu)安裝施工技術(shù)展開研究，說(shuō)明采取大跨度網(wǎng)架進(jìn)口索膜結(jié)構(gòu)安裝施工技術(shù)進(jìn)行施工，能夠解決網(wǎng)架結(jié)構(gòu)損壞嚴(yán)重、距地高度高及施工位置復(fù)雜、操作難等問(wèn)題，滿足工程合同需求[2]。上述研究雖然說(shuō)明了索膜技術(shù)在工程項(xiàng)目中的應(yīng)用效果，但沒(méi)有對(duì)預(yù)應(yīng)力鋼索安裝方案、屋面膜結(jié)構(gòu)系統(tǒng)安裝方案的具體施工方法進(jìn)行深入研究。基于此，本文以昆山市專業(yè)足球場(chǎng)索膜結(jié)構(gòu)工程為例，對(duì)索膜安裝方案進(jìn)行詳細(xì)研究。

1 工程簡(jiǎn)介

1.1 工程概況

項(xiàng)目位于蘇州昆山經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)東城大道東側(cè)，景王路北側(cè)，是2023 年亞洲杯足球賽的賽場(chǎng)之一，用地面積約199 998 m2，總建筑面積134 900 m2，地上建筑104 950 m2，足球場(chǎng)建筑共地上5 層，建筑高度45.3 m。屋蓋主要由徑向鋼桁架與預(yù)應(yīng)力拉索組成，拉索采用高釩鍍層索，屋面拉索直徑為Φ50與Φ70，立面拉索直徑為Φ30、Φ48 和Φ50。整體平面為四角倒角的長(zhǎng)方形，總長(zhǎng)度、255 m，總寬度218 m，中間開孔也為近似長(zhǎng)方形，開孔長(zhǎng)度為130.4 m，寬度為93.4 m，圍繞一圈共36 榀三角桁架，外圈檐口高度為43.9 m，桁架前后懸挑長(zhǎng)度為62.3 m[3]。足球場(chǎng)屋面和立面均采用聚四氟乙烯（Poly Tetra Fluoroethylene，PTFE）膜材，每榀桁架下方包裹PTFE 吊頂膜材[4]。

1.2 屋面膜結(jié)構(gòu)系統(tǒng)概況

屋面膜結(jié)構(gòu)系統(tǒng)分為內(nèi)環(huán)膜單元和外環(huán)膜單元兩部分。其中，內(nèi)環(huán)膜共計(jì)36 個(gè)單元，每個(gè)單元內(nèi)分為沿徑向索分開的2 片，呈沿徑向索、向外環(huán)逐漸下降的T 型形狀，標(biāo)高為43 ～38 m，寬度約8 m，長(zhǎng)度約52 m，膜單元投影面積約800 m2；外環(huán)膜共計(jì)36 個(gè)單元，每個(gè)單元1 片，呈沿背索、向內(nèi)環(huán)逐漸下降的三角形狀，標(biāo)高為43 ～38 m，寬度約17 m，長(zhǎng)度約13 m，膜單元投影面積約120 m2。

屋面膜結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)構(gòu)造分為兩種：第一種節(jié)點(diǎn)采用U 型夾+鋁合金拉膜條，主要位于內(nèi)壓環(huán)梁處、桁架箱型梁處、徑向索處和背索處；第二種節(jié)點(diǎn)采用“L 型板件+鋁合金拉膜條+調(diào)節(jié)螺栓”，主要位于檐口（外環(huán)膜單元外側(cè)邊界）和排水柱位置。需要注意的是，屋面膜單元所有節(jié)點(diǎn)上方均設(shè)置防水膜，現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行焊接，其中徑向索和背索的防水膜下方加裝檢修踏板，同時(shí)作為頂撐防水膜的構(gòu)件[5]。

2 索膜安裝方案

索膜安裝方案分為預(yù)應(yīng)力鋼索安裝和屋面膜結(jié)構(gòu)系統(tǒng)安裝兩部分，安裝流程圖如圖1 所示。

圖1 索膜安裝流程（來(lái)源：作者自繪）

2.1 預(yù)應(yīng)力鋼索安裝方案

2.1.1 展索施工

2.1.1.1 施工方法

本工程的最大索直徑為98 mm，盤圈直徑約3 m，單根拉索重量約3 t，屬于較大的鋼索類型。本工程對(duì)展索施工的要求較高，應(yīng)避免展開的預(yù)應(yīng)力鋼索與地面摩擦而損壞鋼索。施工方法選擇使用展索盤施工，利用展索盤將鋼索盤踞在施工指定地點(diǎn)，展開拉索的盤圈直徑不小于拉索直徑的30 倍，并在展開的索下以5 ～6 m 間距放置小車，進(jìn)一步保護(hù)鋼索的施工安全。

2.1.1.2 施工注意事項(xiàng)

展索過(guò)程中應(yīng)該注意以下事項(xiàng)。

第一，拉索運(yùn)輸過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)使用錨具固定在拉索成圈兩端，防止運(yùn)輸顛簸導(dǎo)致鋼索損壞。

第二，施工單位應(yīng)當(dāng)在施工現(xiàn)場(chǎng)劃分出指定的拉索放置區(qū)域，該區(qū)域應(yīng)當(dāng)放置安全標(biāo)識(shí)和拉索墊板。墊板應(yīng)當(dāng)保持平整、潔凈，確保沒(méi)有雜物阻擋拉索放置。另外，拉索完成放置后，應(yīng)當(dāng)注意拉索的保護(hù)和儲(chǔ)存，保證放置區(qū)域的干燥、清潔、通風(fēng)。

第三，拉索放置應(yīng)當(dāng)使用與拉索規(guī)格相同的索盤，本工程拉索直徑98 mm，盤圈直徑為3 m，所以選擇的索盤直徑為100 mm、盤圈直徑為3.1 m。索盤應(yīng)當(dāng)水平放置在墊板上，并且按照索盤方向逆時(shí)針?lè)胖美?。?yán)禁在拉索沒(méi)有打開時(shí)直接豎直吊拉拉索，進(jìn)而防止拉索刮傷、碰撞。

第四，展索過(guò)程中嚴(yán)禁出現(xiàn)索體打結(jié)的現(xiàn)象，防止索體出現(xiàn)散股引起跳絲。同時(shí)，應(yīng)當(dāng)全程使用叉車移動(dòng)拉索，避免因操作不當(dāng)引起索體損壞。

第五，施工單位應(yīng)當(dāng)設(shè)立專人看管拉索，避免拉索與其他施工設(shè)備、工程原料產(chǎn)生碰撞、摩擦。需要定期檢查拉索，本工程的拉索檢查期限設(shè)置為每天記錄檢查、3 d 整體檢查。檢查過(guò)程中發(fā)現(xiàn)拉索變形、扭曲、磨損、跳絲、散股、劃傷及碰傷等現(xiàn)象時(shí)，應(yīng)當(dāng)根據(jù)受損情況進(jìn)行修復(fù)，無(wú)法修復(fù)的拉索應(yīng)當(dāng)及時(shí)進(jìn)行報(bào)廢處理，防止損壞的拉索投入應(yīng)用造成較大的經(jīng)濟(jì)損失。

第六，本工程的拉索索頭均進(jìn)行過(guò)熱噴鋅加環(huán)氧富鋅底漆處理，用于拉索防氧化和防腐。雖然該處理能夠起到一定作用，但整體展索施工后還需要再進(jìn)行二次防腐處理。

2.1.2 拉索安裝施工

拉索安裝施工主要使用100 t 吊車進(jìn)行預(yù)應(yīng)力拉索，首先定位吊車位置的端索頭，再通過(guò)導(dǎo)鏈調(diào)整另一個(gè)端索頭的位置并固定在合適位置。兩端的索頭固定完畢后，可以展開地面預(yù)應(yīng)力拉索，并將拉索移動(dòng)到桁架處。桁架內(nèi)外側(cè)拉索錨固處設(shè)置施工操作平臺(tái)，展索完成后使用汽車吊安裝拉索。

2.1.3 整體張拉施工

本工程的整體張拉施工參考了構(gòu)件的幾何參數(shù)和力學(xué)特性，從設(shè)計(jì)上完成了“力”和“形”的平衡統(tǒng)一。整體結(jié)構(gòu)為柔性架構(gòu)，各個(gè)張拉組之間環(huán)環(huán)相扣，張拉施工是索系索力重分布和形成平衡態(tài)的過(guò)程，是拉索體系受力的關(guān)鍵。當(dāng)所有張拉組的安裝和鋼結(jié)構(gòu)焊接完成后，需要將桁架間的屋面谷索設(shè)置為固定索，谷索不用張拉被動(dòng)受力，采用同時(shí)張拉兩根背索進(jìn)行張拉施工。桁架間的立面拉索張拉原則為左右對(duì)稱張拉，所有拉索張拉分為兩級(jí)，第一級(jí)為目標(biāo)力值的75%，第二級(jí)為100%。

2.2 屋面膜結(jié)構(gòu)系統(tǒng)安裝方案

2.2.1 屋面內(nèi)環(huán)膜單元安裝

2.2.1.1 吊裝準(zhǔn)備

屋面內(nèi)環(huán)膜單元安裝前要做好前期準(zhǔn)備工作。首先，將膜材放置在安裝起吊的位置，方便起吊。本工程的膜材量較大，起吊位置無(wú)法完全鋪放，所以使用叉車對(duì)膜材進(jìn)行二次搬運(yùn)。其次，在檐口的外環(huán)壓環(huán)梁均布安裝4 臺(tái)1.5 t 卷?yè)P(yáng)機(jī)，將鋼絲繩沿徑向索放置在接近內(nèi)壓環(huán)梁的安全網(wǎng)上，并在起吊前對(duì)內(nèi)環(huán)膜單元內(nèi)壓環(huán)梁邊界展開1～2 m。最后，在膜邊界兩端增設(shè)鋁合金拉膜條夾具，在內(nèi)壓環(huán)梁外側(cè)、桁架箱型梁內(nèi)側(cè)的二次鋼構(gòu)和徑向索、背索上套入U(xiǎn) 型夾，防止拉膜條脫落，提高施工安全性。

2.2.1.2 起吊和內(nèi)壓環(huán)梁膜邊界的安裝

該環(huán)節(jié)的安裝需要先將膜卷起吊至高于內(nèi)壓環(huán)梁1 ～2 m 的高度，再逐漸下放膜卷，使已展開的1 ～2 m 的膜邊界接近已安裝U 型夾的二次鋼構(gòu)。完成二次鋼構(gòu)安裝后，應(yīng)從內(nèi)壓環(huán)梁的中間（即單片膜片的一側(cè)）向桁架箱型梁方向進(jìn)行連接，并在靠近桁架箱型梁的位置預(yù)留一個(gè)臨時(shí)安裝夾具。

2.2.1.3 桁架箱型梁膜邊界的臨時(shí)固定

內(nèi)壓環(huán)梁邊界安裝完成后，吊機(jī)繼續(xù)下放膜卷，直至膜卷至安全網(wǎng)表面，吊裝支架即可拆除，吊機(jī)可移至下片膜材或下個(gè)單元進(jìn)行吊裝。再使用卷?yè)P(yáng)機(jī)預(yù)留的鋼絲繩穿設(shè)在膜卷兩側(cè)的吊裝耳板上，啟動(dòng)卷?yè)P(yáng)機(jī)，使膜卷向外環(huán)方向展開，展開同時(shí)在徑向索和桁架箱型梁膜邊界上穿設(shè)鋁合金拉膜條，間隔使用臨時(shí)安裝夾具（間距不大于1 500 m）和套環(huán)上連接的緊繩器分別與索體和桁架箱型梁內(nèi)側(cè)二次鋼構(gòu)進(jìn)行臨時(shí)拉結(jié)。直至膜單元全部展開，吊機(jī)將膜卷的卷芯吊離，沿膜卷的展開方向逐步將徑向索上已穿設(shè)的U 型夾與膜邊界的鋁合金拉膜條進(jìn)行連接固定。固定后應(yīng)在徑向索邊界接近排水柱的位置預(yù)留一個(gè)臨時(shí)安裝夾具，用于穿設(shè)排水柱邊界鋁合金。

2.2.1.4 排水柱膜邊界的安裝和背索膜邊界的安裝、張拉

將安裝螺栓穿入排水柱邊界的鋁合金拉膜條，完成排水柱邊界的安裝工作。由排水柱至桁架箱型梁方向，通過(guò)緊繩器的收緊，對(duì)臨時(shí)拉結(jié)的背索邊界進(jìn)行張拉，一次未張拉到位的，保持臨時(shí)安裝夾具和緊繩器的拉結(jié)，按張拉順序逐步張拉到位并且將背索索體上的U 型夾與鋁合金拉膜條完成連接后，可以逐步拆除臨時(shí)安裝夾具。

2.2.1.5 桁架箱型梁膜邊界的張拉

沿桁架箱型梁中間向兩側(cè)的方向，分別通過(guò)收緊緊繩器對(duì)臨時(shí)拉結(jié)的桁架箱型梁膜邊界進(jìn)行逐步張拉。一次未張拉到位的，保持臨時(shí)安裝夾具和緊繩器的拉結(jié)，按張拉順序逐步張拉到位后，才能逐步拆除臨時(shí)安裝夾具。

2.2.1.6 角部花籃螺栓的拉結(jié)

完成所有邊界張拉的同時(shí)，在各個(gè)角部位置安裝與主體結(jié)構(gòu)連接的花籃螺栓，并緊固可調(diào)節(jié)螺桿，使膜角部位置有足夠的張力預(yù)應(yīng)力，至此一個(gè)內(nèi)環(huán)膜單元內(nèi)的單片膜片的安裝全部完成。按上述步驟逐步完成內(nèi)環(huán)膜單元的安裝。

2.2.2 屋面外環(huán)膜單元安裝

2.2.2.1 吊裝準(zhǔn)備

與屋面內(nèi)環(huán)膜單元安裝類似，屋面外環(huán)膜單元安裝也需要進(jìn)行吊裝準(zhǔn)備。同樣使用叉車對(duì)膜材進(jìn)行二次搬運(yùn)，并在檐口安裝四臺(tái)1.5 t 卷?yè)P(yáng)機(jī)備用，起吊前對(duì)外環(huán)膜單元檐口邊界展開1 m左右。最后在膜邊界兩端和背索上安裝鋁合金夾具和U 型夾，用于固定拉膜條，提高施工安全性。

2.2.2.2 起吊和外環(huán)壓環(huán)梁膜邊界安裝

起吊和外環(huán)壓環(huán)梁膜邊界的安裝，應(yīng)將膜卷起吊至高于外環(huán)檐口1 ～2 m的高度，再逐漸下放膜卷，使膜邊界接近檐口二次鋼構(gòu)的位置，在已穿設(shè)好的鋁合金拉膜條上穿設(shè)安裝螺栓，將安裝螺栓與二次鋼構(gòu)進(jìn)行連接。

2.2.2.3 膜卷的展開和背索膜邊界的安裝和張拉

拆除吊裝支架，沿外環(huán)壓環(huán)梁向排水柱方向展開膜卷，展開的同時(shí)在徑向索背索的膜邊界上穿設(shè)鋁合金拉膜條，并且間隔使用臨時(shí)安裝夾具（間距不可大于1 500 m）和套環(huán)上連接的緊繩器分別與索體進(jìn)行臨時(shí)拉結(jié)，直至膜單元全部展開，吊機(jī)將膜卷的卷芯吊離。

張拉方向應(yīng)當(dāng)與排水柱方向相同，通過(guò)收緊緊繩器對(duì)臨時(shí)拉結(jié)的背索邊界進(jìn)行張拉。一次未張拉到位的，應(yīng)保持臨時(shí)安裝夾具和緊繩器的拉結(jié)，按張拉順序逐步張拉到位并且將背索索體上的U型夾與鋁合金拉膜條完成連接后，可以逐步拆除臨時(shí)安裝夾具。

2.2.2.4 排水柱膜邊界的安裝和張拉

拆除背索膜邊界預(yù)留的臨時(shí)安裝夾具，補(bǔ)足鋁合金拉膜條并使之與U 型夾進(jìn)行連接。通過(guò)收緊緊繩器對(duì)排水柱邊界進(jìn)行張拉，一次未張拉到位的，保持臨時(shí)安裝夾具和緊繩器的拉結(jié)。直至張拉到位，將安裝螺栓穿入排水柱邊界的鋁合金拉膜條，完成排水柱邊界的安裝工作。

2.2.2.5 屋面膜單元索邊界的檢修踏板安裝和防水膜焊接

內(nèi)環(huán)膜單元的兩片膜片和外環(huán)膜單元的一片膜片安裝完成后，在索邊界（徑向索和背索）的連接鋁合金拉膜條的U型夾上安裝通長(zhǎng)的檢修踏板。最后對(duì)所有邊界現(xiàn)場(chǎng)焊接同材質(zhì)的防水膜，至此完成了一個(gè)屋面膜單元的全部安裝工作。

按照以上施工程序完成單個(gè)屋面內(nèi)環(huán)膜單元安裝和屋面外環(huán)膜單元安裝后，應(yīng)重復(fù)施工程序，完成所有36 個(gè)屋面膜單元的安裝，進(jìn)而完成對(duì)昆山市專業(yè)足球場(chǎng)索膜結(jié)構(gòu)的搭建。

3 結(jié)語(yǔ)

本文以昆山市專業(yè)足球場(chǎng)索膜結(jié)構(gòu)工程為例，對(duì)索膜技術(shù)在體育場(chǎng)結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用展開研究，詳細(xì)分析了索膜安裝方案。工程整體安裝進(jìn)度較快，并完全滿足足球場(chǎng)的安裝需求，保證了2023 年亞洲杯足球賽的順利進(jìn)行，具有較高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和社會(huì)價(jià)值，值得推廣使用。