上海浦東足球場屋蓋吊頂膜的深化與施工工藝研究

楊 清 陳文俊 王維剛

1.上海市機械施工集團有限公司 上海 200072；

2.深圳市燁興膜結構工程有限公司 廣東 深圳 518109

上海浦東足球場項目是上海打造足球文化的重點項目，位于上海市浦東新區(qū)金橋鎮(zhèn)，是一座滿足國際足聯(lián)A級比賽要求的專業(yè)足球場。其屋面幕墻系統(tǒng)由多種體系組成，其中屋蓋吊頂膜結構面積逾2萬 m2，凈高30 m左右，由于上方金屬屋面已閉水，故其施工難度相當大。

本文主要介紹膜結構吊頂單元式深化與施工工藝，闡明各環(huán)節(jié)中的控制要點。

1 工程概況

上海浦東足球場幕墻面積共88 872 m2（可視面展開面積），幕墻系統(tǒng)包括聚碳酸酯板屋面、鋁鎂錳合金板＋蜂窩鋁板屋面、幻彩鋁塑板幕墻、屋蓋吊頂膜結構、肌理板、紅色鋁塑板幕墻、玻璃幕墻、玻璃欄板等，具體組成如圖1所示。

圖1 幕墻系統(tǒng)組成示意

2 施工總體技術路線

體育場鋼結構屋蓋吊頂膜為反吊張拉膜，是體育場屋蓋的吊頂結構。考慮到施工安全、施工效率、膜材成品保護等因素，確定屋面表皮的施工順序為先完成主體結構頂面的金屬屋面，待金屬屋面閉水后，再進行主體結構下面的膜結構吊頂施工[1-5]。

膜結構吊頂采用單元式安裝的方式，以降低安裝難度。整個屋面膜結構共分為276個膜單元，每個膜單元面積從50 m2到170 m2不等，膜結構單元與主體結構直接采用轉(zhuǎn)接件進行螺栓連接。

3 膜單元的深化設計

膜單元的深化設計主要考慮如下幾點：

1）建筑效果。整個體育場的建筑效果以環(huán)向韻律為主，根據(jù)建筑設計師的要求，在膜面中間，環(huán)向要形成4道600 mm寬、150 mm深的鋁單板凹槽。另外，在大環(huán)梁處形成一個800 mm高的鋁單板階梯，一圈完整的環(huán)向凹槽要形成流暢的弧形造型，但與之對應的主體結構卻是不規(guī)則的折線段。應用BIM模型技術，首先根據(jù)主體鋼結構的深化模型，對每一個環(huán)進行放線擬合，使之形成一個流暢的環(huán)向造型，然后再根據(jù)放線深化每一個凹槽的邊界。凹槽的邊界線同時也是兩側(cè)膜單元的邊界，這樣，一方面能夠確保反吊膜單元和鋁單板直接完美交接，另一方面可以利用膜單元框架作為鋁單板凹槽的主骨架（圖2、圖3）。

圖2 BIM效果圖

圖3 實際完成效果

2）膜連接節(jié)點設計。在高空完成膜結構單元和主體結構的連接，在無固定的施工通道及施工平臺的情況下，要確保安裝快速且連接可靠，就要求節(jié)點設計必須方便安裝且能夠適應施工誤差。為實現(xiàn)單元化的膜結構能在高空快速安裝且質(zhì)量良好，將連接節(jié)點設計為三維可調(diào)，從而大大提高了安裝效率和質(zhì)量。圖4即為典型節(jié)點，確保節(jié)點在x、y、z三個方向上都有±50 mm的調(diào)節(jié)量，以便能很好地適應施工誤差，降低高空連接固定時的難度。為了解決因開長條形孔所帶來的連接螺栓摩擦面減小的問題，在每個長條形孔的位置增加6 mm厚的鋼墊板，以增加螺栓連接的摩擦面，增加節(jié)點連接的可靠度。

圖4 連接節(jié)點

3）單元框架的設計。要形成276個獨立的單元，每個單元的框架設計是一個關鍵問題。既要能保證框架有很好的剛度，又要嚴格控制質(zhì)量，以確保總質(zhì)量不超過15 kg/m2。經(jīng)過反復的計算對框架單元進行分類，并根據(jù)不同的類型對框架進行優(yōu)化，設置不同的掛點（圖5、圖6）。

圖5 8個掛點單元

圖6 12個掛點單元

4）特殊位置節(jié)點處理。主結構的V字柱以及結構索會穿過膜面，通過深化確保這些過渡節(jié)點既美觀，又安全可靠（圖7、圖8）。

圖7 特殊位置節(jié)點處理

圖8 實際完成效果

4 膜單元深化及施工相關試驗

1）節(jié)點抗拉試驗。為檢驗節(jié)點的抗拉能力及可靠性，通過制作試驗模型，對三維可調(diào)節(jié)點進行了抗拉試驗。根據(jù)結構計算，荷載組合下，最大支座反力為32.8 kN。所以，抗拉試驗分別設置拉力32.8、49.2、65.6 kN進行拉力測試，即用最大支座反力的1倍、1.5倍、2倍的力進行抗拉試驗，以檢驗創(chuàng)新節(jié)點的抗拉性能。經(jīng)過第1次的試驗，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)接件有輕微的變形，于是對轉(zhuǎn)接件進行改進，增加加勁板。然后進行第2次試驗，試驗結果顯示，抗滑移、抗變形均無問題（圖9、圖10）。

圖9 第1次試驗

圖10 第2次試驗

2）提升設備試驗。要把地面上組裝好的膜結構單元順利送至安裝界面，需要進行垂直提升。由于頂面的金屬屋面已經(jīng)閉水，傳統(tǒng)的吊車吊機等起吊設備無法將膜單元完全送至安裝位置。為解決這一問題，設計并制作專門的提升設備。提升設備（圖11）由主桁架、提升機（2臺）組成。其中提升機包括控制器、傾角傳感器、交流接觸器及提升器（包括提升平臺、提升裝置、安全鎖、工作鋼絲繩、安全鋼絲繩、電氣箱及電氣控制系統(tǒng)）。設備制作完成后，進行一系列的試驗。先進行空載運行，試驗全系統(tǒng)的安全性、可靠性。然后進行負重試驗，驗證提升設備的載重能力及在載重狀態(tài)下的運行情況。經(jīng)過上述2個階段的試驗后，再進行運送鋼結構框架到達指定位置的試驗，以驗收提升設備的運輸能力、效率及可靠性。

圖11 提升設備

3）樣品單元試裝。為對深化設計、全流程的施工工藝以及提升設備等進行實戰(zhàn)化的檢驗，大面積安裝前，進行樣品試裝試驗。首先對一個獨立單元進行試裝，檢驗深化設計和施工全流程工藝的可靠性。然后將環(huán)向相鄰的2個單元試裝，以檢驗2個單元拼合的效果（圖12、圖13）。

圖12 單獨單元試裝

圖13 相鄰單元試裝

5 膜單元施工工藝研究

1）膜面預張力施加與膜面變形控制。鋼結構框架具有一定的彈性，在受力狀態(tài)下，容易產(chǎn)生變形。上海浦東足球場對框架的精度要求很高，尤其是徑向。為形成徑向密拼的效果，兩邊的框架邊緣必須為一條直線，如果誤差稍大，即會嚴重影響密拼效果。膜安裝過程中，隨著膜面預張力的施加，對框架的反作用力也在增加，框架變形的風險也在增加。如何控制預張力施加的水平，以及施加預張力的方法，是控制框架變形量的關鍵方法。經(jīng)過反復試驗，最終確定徑向優(yōu)先的張拉方式，即四周施加預張力時徑向先加力，確保徑向先張拉到位，然后再在環(huán)向方向加力。這樣，最終四周的預張力均到達設計值3 kN/m，但是徑向的變形能降到最低，環(huán)向的變形略大。但環(huán)向的變形誤差也能控制在15 mm之內(nèi)，這樣的誤差是可以被后面的鋁單板包邊所掩蓋和吸收的。

2）尺寸精度控制。屋面膜結構共分為276個膜單元，每單元尺寸各不相同，276個單元分為6環(huán)，每個環(huán)由46個單元組成。如果尺寸和定位精度沒有得到很好的控制，環(huán)向合攏時勢必會受到影響，這可能會嚴重影響建筑效果，或者導致大面積的返工。所以，這不僅要求在鋼結構尺寸和膜裁剪及加工的過程中，對尺寸的控制都需要很精準，還需要使用精密的測量設備輔助施工。為了確保精度，進行全過程的精準三維測量，并實時把測量數(shù)據(jù)發(fā)回設計部，設計部根據(jù)測量數(shù)據(jù)及時分析誤差情況并對后道工序進行調(diào)整。其中，測量主要分三個階段：一是主體結構上的錨節(jié)點測量，用于框架的加工出圖；二是膜張拉完成后的測量，分析單元變形是否在可控范圍之內(nèi)；三是膜單元安裝就位后。分析安裝是否到達預定位置，若出現(xiàn)偏差，須在后面的單元中及時進行尺寸調(diào)整，確保誤差不要累積，以避免后面產(chǎn)生嚴重后果。

6 結語

通過屋蓋吊頂膜結構在上海浦東足球場項目中的順利實施，得到以下結論：

1）單元式反吊膜具有自重輕、安裝快速等特點，對主體結構的影響小，比較適用于大面積室外吊頂結構應用。

2）單元式反吊膜的深化設計過程需要應用BIM技術來精確控制出圖數(shù)據(jù)，安裝過程中需要高精度測量儀器全程跟進并把控施工精度。

3）單元式反吊膜采用定制智能提升設備來進行垂直運輸，能更好地實現(xiàn)膜單元的高空安裝。

4）施工工藝的優(yōu)化是確保施工效率的關鍵。