大跨徑仿生樹狀PVDF膜快速安裝工藝

傅樂平，蔡曉男，楊連佼，林宇翔

(中交三航局第二工程有限公司，上海 200122)

0 引言

索膜結(jié)構(gòu)是指通過拉索給柔性膜材料施加預(yù)應(yīng)力從而獲得承受外部荷載并具有一定剛度的建筑結(jié)構(gòu)，索膜結(jié)構(gòu)豐富的表現(xiàn)力和靈活性受到建筑師的廣泛青睞，如上海世博軸、秦皇島體育館、佛山游泳館等都使用索膜結(jié)構(gòu)。近年來，隨著社會、經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，膜索結(jié)構(gòu)中復(fù)合膜材的種類也越來越多，常見的有PVC膜材、PDVC膜材、PTFE膜材、ETFE膜材等。李章珍等依托奧林匹克體育中心工程研究PVC張拉膜的施工工藝，采用雷射自動裁切機(jī)加工膜材，張拉時控制批次、順序、量值和速度。潘潤軍研究某大型游樂項目ETFE膜安裝流程及施工工藝，并對與膜材連接的鋁型材進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計。張勇研究ETFE膜結(jié)構(gòu)的連接節(jié)點(diǎn)設(shè)計、工廠加工、現(xiàn)場安裝等細(xì)節(jié)，并探討各種節(jié)點(diǎn)形式的優(yōu)缺點(diǎn)。但目前的索膜結(jié)構(gòu)研究很少涉及仿生結(jié)構(gòu)張拉膜的安裝工藝。

1 工程概況

中國花卉博覽會(簡稱“花博會”)是我國規(guī)模最大、規(guī)格最高、影響最廣、內(nèi)容最豐富的國家級花事盛會。第十屆中國花博會選址上海市崇明區(qū)東平鎮(zhèn)，計劃于2021年5月21日正式開幕。1號入口大門鋼膜建筑形似2棵枝繁葉茂的大樹，內(nèi)部采用仿葉脈骨架的鋼管桁架，外部采用仿樹狀的張拉膜體系，造型美觀獨(dú)特。1號入口大門建筑高19.21m、長100m、寬40m，建筑面積4 500m2，用鋼量約400t，膜面總展開面積近4 800m2。仿生樹狀構(gòu)筑物結(jié)合雨水回用系統(tǒng)，實現(xiàn)雨水的輸送、儲存、凈化，用于廣場區(qū)域的自動灌溉和場地清洗。未來通過3D全息影像技術(shù)可在膜材表面投影出絢麗花海(見圖1)。

圖1 主入口大門平面

1號入口大門采用PVDF膜材，它是在PVC膜表面加以PVDF樹脂涂層制作而成，織物基材為聚酯纖維及玻璃纖維。與傳統(tǒng)的PVC膜材相比，PVDF膜材其耐用年限提高2倍以上，且具有自凈自潔性，后期無須清潔維護(hù)。1號入口大門膜結(jié)構(gòu)膜面共分為20個單元，最大單元膜面積350m2，該膜材厚度為1.02mm，透光率為3%，具有較高的機(jī)械強(qiáng)度與堅韌度及高耐磨性和耐熱穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)(見圖2)。

圖2 主入口大門膜結(jié)構(gòu)軸測

2 施工重難點(diǎn)

1)1號入口大門的膜結(jié)構(gòu)屬于反吊張拉膜(膜材在鋼桁架下方)，相鄰的膜材必須實現(xiàn)無縫拼接。

2)1號入口大門的膜結(jié)構(gòu)由10組對稱的膜單元無縫拼接而成，各膜單元均是空間異形的不規(guī)則四邊形，對膜材的裁剪、下料及制作精度提出很高要求。

3)1號入口大門“上寬下窄”，周邊膜材懸挑長度大且立面坡度較陡，仿生葉脈狀鋼桁架上膜材安裝節(jié)點(diǎn)多達(dá)2 000多個，鋼桁架上焊接懸挑腳手架的常規(guī)方案無法適用。

4)1號入口大門的膜材安裝時間在11—12月，崇明冬季多大風(fēng)天氣?，F(xiàn)場施工需考慮合理安排安裝順序，確保在不利工況下已安裝的膜結(jié)構(gòu)不受大風(fēng)影響而受損。

綜上所述，本工程首先使用全站儀測量仿生葉脈狀鋼結(jié)構(gòu)的空間點(diǎn)位數(shù)據(jù)，將其導(dǎo)入BK專用切割系統(tǒng)實現(xiàn)膜材的數(shù)字化精確加工；然后沿主要鋼桁架豎向固定數(shù)條鋼索及竹爬梯，形成蛛網(wǎng)狀施工操作平臺；最后采用從上至下、相鄰相接的順序安裝膜材。安裝過程中，利用登高車優(yōu)先固定膜材的上側(cè)、左側(cè)、右側(cè)3個邊的安裝節(jié)點(diǎn)，再利用蛛網(wǎng)狀操作平臺固定膜材的下側(cè)安裝節(jié)點(diǎn)。

3 關(guān)鍵施工工藝

3.1 鋼膜安裝節(jié)點(diǎn)

為實現(xiàn)反吊張拉膜的無縫拼接、應(yīng)力分布均勻無褶皺，針對不同桿件設(shè)計3種鋼膜連接節(jié)點(diǎn)，如圖3所示。其中，A類鋼膜節(jié)點(diǎn)適用于1—1，2—2，3—3斷面，采用內(nèi)扣式U型拉膜專用鋁型材，主要用于較大面積膜材的拼縫處；B類鋼膜節(jié)點(diǎn)適用于4—4，5—5，6—6，7—7斷面，采用雙邊拉膜專用鋁型材，主要用于較大面積膜材的中間固定；C類鋼膜節(jié)點(diǎn)適用于8—8斷面，采用單邊拉膜專用鋁型材，主要用于結(jié)構(gòu)邊緣懸挑區(qū)域的張拉固定。

圖3 鋼膜節(jié)點(diǎn)深化設(shè)計

3.2 膜材劃分與加工

主入口大門的膜材劃分為對稱的10組，整體上從中間分開安裝，最后閉合1道龍門，如圖4所示，圖中序號代表膜單元的安裝先后順序。主入口大門的鋼結(jié)構(gòu)骨架安裝完成后，先焊接鋼膜節(jié)點(diǎn)構(gòu)件，然后現(xiàn)場使用全站儀對膜材拼縫處的膜節(jié)點(diǎn)進(jìn)行空間數(shù)據(jù)采集，最后將測量數(shù)據(jù)導(dǎo)入BK專用切割系統(tǒng)，實現(xiàn)對膜材尺寸的數(shù)字化處理，完成膜材的平面排版與立體裁切工作，提高異形不規(guī)則膜材的裁切精確度和生產(chǎn)效率。

圖4 膜單元安裝順序示意

3.3 蛛網(wǎng)狀操作平臺

結(jié)合主入口大門仿生樹形的建筑特點(diǎn)，提出搭設(shè)蛛網(wǎng)狀操作平臺的思路以實現(xiàn)懸挑結(jié)構(gòu)的反吊膜安裝工藝(見圖5)。具體實施方案如下。

圖5 蛛網(wǎng)狀操作平臺平面布置

1)采用10mm鍍鋅鋼絲繩將豎向鋼管的各節(jié)點(diǎn)水平橫向拉結(jié)，豎向間距2～3m，并用手拉葫蘆將上述鋼絲繩拉緊固定，從而形成多個環(huán)狀鍍鋅鋼絲繩圓環(huán)，以此作為蛛網(wǎng)狀操作平臺橫向柔性骨架。

2)沿鋼管節(jié)點(diǎn)豎向布置竹梯，竹梯與環(huán)狀鍍鋅鋼絲繩采用10號鐵絲雙股固定，每節(jié)竹梯與鍍鋅鋼絲繩的連接節(jié)點(diǎn)≥3道，兩節(jié)竹梯之間同樣采用10號鐵絲雙股固定。豎向鋼管兩側(cè)的竹梯還須與鋼管節(jié)點(diǎn)固定牢靠。豎向竹梯不僅作為珠狀網(wǎng)操作平臺的豎向骨架，也作為上下該平臺的通道。

3)利用登高車在每節(jié)豎向主鋼管上各設(shè)置1道防墜器，作為膜材安裝人員的安全保障措施。同時，竹梯的上、下兩端要包裹嚴(yán)密，防止劃傷鋼管涂裝與膜材(見圖6)。

3.4 膜材安裝工藝

1)安裝順序 膜材按從上至下順序安裝，具體如圖7所示。單片反吊膜先固定膜片的4個角點(diǎn)，經(jīng)全站儀測量復(fù)核后再固定膜片的配件節(jié)點(diǎn)，應(yīng)順著膜片邊的延伸方向，逐個將膜片的鋁合金型材和不銹鋼配件安裝牢固。

2)膜材臨時固定 將膜材放置于相應(yīng)區(qū)域的地面上，人工將拉膜專用鋁材穿拉固定至膜材上，注意膜材方向與結(jié)構(gòu)方向一致。用專用鋼夾板固定膜邊索作為起吊吊點(diǎn)，利用汽車式起重機(jī)將整塊膜從下至上吊起，用手拉葫蘆張拉膜邊索內(nèi)鋼絞線將膜上部2個角點(diǎn)固定至膜角板上。再利用登高車，將膜下部角點(diǎn)通過手拉葫蘆固定至底部鋼桁架上，完成整塊膜的臨時固定。

3)膜節(jié)點(diǎn)固定 豎向膜節(jié)點(diǎn)利用登高車，從上部膜角板(膜節(jié)點(diǎn))向下依次安裝。安裝時，用3～4根鋼絲繩將膜邊分段，臨時固定至附近膜節(jié)點(diǎn)，方便安裝。把拉膜專用鋁材與手拉葫蘆固定，轉(zhuǎn)動手拉葫蘆將拉膜專用鋁材頂至相應(yīng)膜節(jié)點(diǎn)上，再用手電鉆將M12×90不銹鋼螺栓與拉膜專用鋁材固定至膜節(jié)點(diǎn)上。待該段大部分膜節(jié)點(diǎn)固定完畢后，解開下方鋼絲繩，進(jìn)行下一段膜節(jié)點(diǎn)安裝。待豎向膜節(jié)點(diǎn)安裝完成后，利用蛛網(wǎng)狀操作平臺進(jìn)行橫向膜節(jié)點(diǎn)安裝，安裝方法與豎向膜節(jié)點(diǎn)相同。

4)相鄰膜材合龍 先在鋁合金型材側(cè)面用直徑10mm鉆頭打孔，內(nèi)穿直徑6～8mm鋼絲繩，通過手拉葫蘆張拉鋼絲繩使2件鋁型材閉合。確認(rèn)2個鋁型材的原螺栓孔對齊后，暫時固定張拉鋼絲繩，用M12×90不銹鋼螺栓把2件拉膜專用鋁材固定在一起。最后，松開手拉葫蘆并解下張拉鋼絲繩。

5)膜材及索具張拉 膜材張拉時，通過每塊夾板對膜單元邊界逐一施加張力，補(bǔ)償膜單元邊界的縮量，使膜單元邊界的孔位與夾板孔位一一對應(yīng)。安裝過程中應(yīng)及時檢查膜面應(yīng)力值，確保膜面應(yīng)力達(dá)到設(shè)計要求。待所有膜材均固定后，從上往下對每個膜單元進(jìn)行檢查調(diào)整。通過觀察膜面的松弛程度，將對應(yīng)區(qū)域的螺栓進(jìn)行微調(diào)，確保膜面均張拉至光滑無褶皺。待各膜單元均安裝完成后，利用起重機(jī)配合索具的安裝。索具安裝完畢后，用發(fā)泡劑將索管密封，索螺紋及碰損的油漆重新涂刷。

6)操作平臺拆除 膜片安裝完畢，梯子繩網(wǎng)即可撤除。每單元緊固件全部安裝完畢，碰損油漆及時補(bǔ)刷同時跟進(jìn)，膜單元檢查無缺陷后即可分步解除梯子，循環(huán)使用梯子及繩網(wǎng)。

4 結(jié)語

第十屆中國花博會的主入口大門采用仿葉脈狀鋼桁架外掛PVDF張拉膜體系，高19.21m、長100m、寬40m，膜展開面積約4 800m2，會展期間將結(jié)合3D全息影像技術(shù)營造絢麗花海，其造型獨(dú)特、結(jié)構(gòu)優(yōu)美，但安裝難度很大。施工過程中，將膜面劃分為10組對稱的膜單元，最大單元膜面積350m2?，F(xiàn)場采用全站儀測量鋼構(gòu)件空間數(shù)據(jù)，將其輸入BK專用切割系統(tǒng)實現(xiàn)膜材的數(shù)字化加工。因膜單元屬于反吊膜，現(xiàn)場搭設(shè)蛛網(wǎng)狀施工操作平臺用于膜單元的快速安裝。按指定的安裝順序依次完成膜單元的起吊掛膜、臨時固定、膜節(jié)點(diǎn)緊固、索具張拉等工藝。