基于索結(jié)構(gòu)屋蓋的金屬屋面施工技術(shù)研究

蔡碧蓉 丁偉燦 胥獻忠 孫玉濤 徐志強

大型公共建筑是衡量建筑施工水平的重要標準，也代表著一個城市的文明發(fā)展。而大型公共建筑對空間結(jié)構(gòu)要求較為嚴格，既需要造型美觀，又需要經(jīng)久耐用[1]。索膜結(jié)構(gòu)作為一種全新的建筑結(jié)構(gòu)形式，具有與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式所不同的空間設(shè)計，富有張力且靈活多變，給人一種全新的視覺感受。

近年來，這種結(jié)構(gòu)形式在我國獲得迅速發(fā)展，受到建筑行業(yè)的關(guān)注。全國各地很多在建或者已建的體育場館、影劇院、商場等標志性建筑均應(yīng)用索膜結(jié)構(gòu)施工。工程具有建材性能優(yōu)良、安裝速度較快等特點，不僅施工效率高，而且其建筑的結(jié)構(gòu)造型也更加豐富，極具現(xiàn)代氣息。然而索膜結(jié)構(gòu)的施工難度較大，存在一定的安全隱患，本文將結(jié)合工程實例針對此課題進行深入研究。

1 工程概況

德勝體育中心大型綜合體育場館，包含游泳館、體育館、訓(xùn)練館以及相應(yīng)的服務(wù)設(shè)施。建筑主體結(jié)構(gòu)是混凝土框架，其中體育館與訓(xùn)練館的金屬屋面連為一體，金屬屋面主要通過主檁條來支撐，且檁條和屋蓋的索網(wǎng)索夾相連。金屬屋面最上方是不銹鋼裝飾板，裝飾板與金屬屋面間存在兩道防水層、兩道防潮層、兩道降噪隔音層以及1道保溫層等，并通過鋁合金夾具焊接而成。其中，游泳館的屋面整體呈波浪狀，設(shè)置了外膜、內(nèi)膜以及吸音膜3 層膜結(jié)構(gòu)，每層膜均采用聚四氟乙烯材質(zhì)，且都以圓管或方通構(gòu)成的龍骨為支撐，龍骨與屋蓋的索網(wǎng)索夾相連。由此可見，本工程中索膜結(jié)構(gòu)的施工工藝較為復(fù)雜。

2 索膜結(jié)構(gòu)的施工工藝及操作要點

2.1 施工準備

在正式施工前，由專業(yè)人員踏勘施工現(xiàn)場，確保無安全問題后安排施工人員進場，同時運送起重機、吊車等大型施工設(shè)備進場。然后準備好施工所需的工具及設(shè)備，根據(jù)設(shè)計圖紙以及實際環(huán)境，制訂合適的施工方案，復(fù)核拉索與膜材，確保膜材尺寸與拉索結(jié)構(gòu)同施工圖紙相符，避免施工過程中出現(xiàn)錯誤而返工。

首先，基于索膜結(jié)構(gòu)的施工特點需要布置施工場地，布置原則為節(jié)約用地、方便施工以及便于管理。其次，在建筑屋面附近為施工人員設(shè)置可以安全站立的施工排架，排架需要與屋面之間留有足夠的距離，避免妨礙膜材安裝施工。再次，由于膜材較為脆弱，在施工場地內(nèi)需要劃分一塊膜材堆放區(qū)域，該區(qū)域需要平整且干凈，便于安全存放膜材。本次施工中將膜材存放區(qū)域設(shè)置在建筑結(jié)構(gòu)正下方看臺處，同時清空該區(qū)域向外延伸的20 m 左右范圍，保障膜材不會遭到破壞[2—4]。最后，本次施工所使用的電焊機與切割機等相對較小的施工器具需放置在庫房中，并設(shè)專門人員看管，避免施工中因找不到器具而影響工期。

另外，在拉索進場后，如果不能及時投入施工使用，需要對其進行防護，可以在拉索表面涂抹氯丁等涂料，避免拉索存放過程中出現(xiàn)氧化腐蝕現(xiàn)象。

2.2 安裝金屬屋面

金屬屋面安裝施工中的關(guān)鍵工序就是組裝鋼檁條結(jié)構(gòu)，此工序施工量較大，組裝時需要保證每一根鋼檁條的位置精度，這樣才可以確保金屬屋面牢固。檢查確定鋼檁條位置準確、固定牢靠后，在鋼檁條結(jié)構(gòu)處鋪設(shè)底板，作業(yè)中應(yīng)注意鋪設(shè)順序[5]。接下來安裝天溝，選取經(jīng)久耐用的不銹鋼天溝，該材質(zhì)不僅實用而且可以為金屬屋面的外觀加分。

在安裝金屬面板前先檢查鋁合金支架是否牢固，避免面板安裝過程中出現(xiàn)工程事故。然后利用吊索把金屬面板按設(shè)計圖紙要求鋪設(shè)在支架上，通過支架實現(xiàn)金屬面板的吊裝，防止發(fā)生變形。在吊裝的同時，金屬面板與支架交界處需要使用專業(yè)機械連接，以此固定面板，并將面板兩側(cè)切齊。金屬面板固定后，安裝外檐鋼結(jié)構(gòu)。由于外檐處于室外，需搭設(shè)腳手架進行安裝，安裝的同時對外檐進行封邊處理[6]。

在整個金屬屋面的安裝施工中，雨水槽安裝工序貫穿整個施工過程。在安裝雨水槽時，要以不妨礙金屬屋面板安裝工期為前提，安排施工人員穿插工序完成安裝。在金屬屋面安裝施工結(jié)束后，需要對屋面結(jié)構(gòu)進行自檢，防止后續(xù)施工中出現(xiàn)問題，檢查無誤后清理施工現(xiàn)場，為下一工序的施工做準備。

2.3 吊裝索結(jié)構(gòu)屋蓋

本次施工所應(yīng)用的索結(jié)構(gòu)屋蓋上存在一個外部壓環(huán)和兩個中央拉環(huán)，其中外部壓環(huán)為馬鞍形狀，其最高點與最低點之間的距離差值為9 m 左右，截面呈“目”字形。壓環(huán)的翼緣厚度為20 mm左右，腹板厚度為30 mm 左右，垂直方向的加勁肋板厚度為25 mm 左右。索結(jié)構(gòu)屋蓋的兩個中央拉環(huán)主要由全封閉的拉索構(gòu)成，且拉環(huán)的預(yù)應(yīng)力將在屋蓋索桁架的上徑向索和下徑向索之間產(chǎn)生拉力，以此將預(yù)應(yīng)力傳輸至外壓環(huán)，形成索結(jié)構(gòu)屋蓋的自錨體系[7]。

在進行索結(jié)構(gòu)屋蓋的吊裝施工時，采用雙層懸索同步提升的施工工藝。在地面上將屋蓋的外環(huán)結(jié)構(gòu)與飛柱拼裝在一起，通過飛柱上的拉索與提升千斤頂，以同步提升的形式將屋蓋提升至屋面的設(shè)計高度。在安裝屋蓋時，需要保證地面平整，利用槽鋼焊接胎具，可以避免屋蓋吊裝過程中出現(xiàn)變形。利用同步提升工藝進行屋蓋的吊裝施工時，需要將多個拉索固定在屋蓋的各個位置處，保證屋蓋以水平角度進行吊裝。本次屋蓋吊裝施工中的飛柱上部分拉索位置示意圖如圖1 所示。

圖1 飛柱上部分拉索位置示意圖（來源：作者自繪）

當飛柱被拉索提升至距地面9 m 處時，除了作為提升索的幾根拉索外，調(diào)節(jié)端連接吊裝帶升高至1 m 處。當飛柱被拉索提升至距地面14 m 處時，拉索連接的固定索與脊索也升高至距地面1 m處。需要使用拉索兩端的調(diào)節(jié)帶捆綁固定索與脊索，并將脊索牽引至屋蓋鋼結(jié)構(gòu)的耳板處固定。當飛柱被拉索提升至距地面22 m 處時，需要將脊索的調(diào)節(jié)端固定在屋蓋的外環(huán)梁上，并在提升飛柱的拉索上設(shè)置就位工裝，使用鋼絞線將屋蓋外環(huán)梁與提升拉索組裝在一起。然后將非提升拉索的長度調(diào)到最大值，利用倒鏈與吊裝帶安裝非提升索的脊索，再將工裝提升到斜索上，與屋蓋耳板相連，這時纜風(fēng)索開始正式應(yīng)用。

當飛柱被拉索提升至距地面34 m 處時，精度應(yīng)控制在30 mm 左右。由于固定索施加向上的提升力，因此可以靠同步提升技術(shù)實現(xiàn)拉索索力的自動控制。當飛柱被拉索提升至距地面40 m 處時，精度控制在25 mm 左右。由于飛柱位于屋蓋外環(huán)梁上部，因此需要放松纜風(fēng)索，讓飛柱側(cè)偏一定距離后再通過控制斜索將飛柱對正。當飛柱被拉索提升至距地面46 m 處時，屋蓋已到達設(shè)計高度?？梢詫⑿彼鞯恼{(diào)節(jié)端固定在屋蓋外環(huán)梁上，并將就位工裝設(shè)置在提升斜索上，從而實現(xiàn)飛柱的提升，結(jié)束后拆除就位工裝即可。

2.4 安裝膜材

本次膜結(jié)構(gòu)施工中的膜材主要選取聚四氟乙烯材料。膜材制作時需要進行熱合試驗，以保障膜材的接縫較為牢固，并且需要按照設(shè)計圖紙的要求對膜材的周邊進行補強操作，全面檢查膜材的各項參數(shù)指標，合格后方可使用。膜材安裝前需要在工作面設(shè)置安全網(wǎng)，以避免出現(xiàn)工程事故。施工人員需要佩戴安全帶，采取相應(yīng)保護措施后，開始膜結(jié)構(gòu)屋面施工。

首先，在天溝上設(shè)置底板。底板選用鋁型材，并按照施工需求進行開孔操作，在鋼結(jié)構(gòu)上以相同的孔距進行開孔，以此保障底板和鋼結(jié)構(gòu)完全匹配。為了保證底板的安裝精度，屋面角部位置需要根據(jù)施工現(xiàn)場的實際情況進行加工。底板設(shè)置完成后，利用密封條將其固定。

其次，打開膜材包裝并在安全網(wǎng)上展開膜材。在打開膜材包裝前，可以參考設(shè)計圖紙上的膜材安裝位置，在膜材包裝上進行標記，然后再打開膜材，這樣可以保障膜材展開位置的準確性。在膜材展開過程中，需要嚴格參考施工方案所確定的施工順序進行，避免施工人員在膜材上進行不必要的走動，以免損傷膜材。膜材展開后用夾板和預(yù)應(yīng)力拉索將膜材設(shè)置在穿膜板上，其中夾板的規(guī)格需要參考施工設(shè)計圖紙上的參數(shù)進行選取。通過張拉工具使穿膜板就位，利用密封條將穿膜板固定在蓋板上，最后將蓋板固定在底板上。

另外，屋面懸挑處的膜材安裝同樣需要設(shè)置安全網(wǎng)，并且沿著屋蓋鋼梁方向設(shè)置繩索來承載安全網(wǎng)，以便施工人員可以站在安全網(wǎng)上進行作業(yè)。然后展開膜材，將拉索穿過索袋進行張拉，直到設(shè)計的索力停止再將拉索固定在鋼梁支架上。將膜材固定在最尖角的位置，按順序依次將膜材向各邊張拉，由于張拉過程中膜材易產(chǎn)生褶皺，因此需要先安裝角部，再逐步張拉整張膜材，一邊張拉一邊將其固定在天溝上，并通過玻璃膠封堵空隙處。膜材張拉結(jié)束后，注意檢查是否有褶皺、破損以及漏水現(xiàn)象。

3 索力監(jiān)測

3.1 監(jiān)測方法及準備

本次索膜結(jié)構(gòu)施工的特點與難點是使用拉索過多，為了判斷本次施工質(zhì)量以及施工過程的安全性，需要實時監(jiān)測施工中的拉索索力，并測量徑向索的索力。監(jiān)測拉索索力的方法有很多，出于實際施工環(huán)境與經(jīng)濟性的角度考慮，本次監(jiān)測依靠傳感器來實現(xiàn)。一般每一片徑向索都包括上徑向索與下徑向索，為更全面地反映本次施工中索力的變化情況，需要在上、下徑向索上分別布置10個振弦式傳感器，也就是單獨監(jiān)測每一根上徑向索與下徑向索的索力。

由于索力監(jiān)測數(shù)據(jù)會出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)的不同位置，因此需要獲取X軸與Y軸的上、下徑向索索力數(shù)據(jù)。通過夾具基座將傳感器固定在各拉索的錨固端或者張拉端，可以得到最精準的索力監(jiān)測數(shù)據(jù)，且夾具基座不會破壞拉索的表面抗腐蝕處理。

3.2 監(jiān)測結(jié)果

為了更好地體現(xiàn)本次施工中拉索索力的變化情況，在某關(guān)鍵拉索上選取一些關(guān)鍵點進行張拉試驗。上、下徑向索力與牽引索長度關(guān)系圖如圖2、圖3 所示。

圖2 上徑向索力與牽引索長度關(guān)系圖（來源：作者自繪）

圖3 下徑向索力與牽引索長度關(guān)系圖（來源：作者自繪）

由圖2、圖3 可知，本次索膜施工中的拉索滿足設(shè)計需求，表明本次施工質(zhì)量較好，施工過程較為安全。

4 結(jié)語

本文以德勝體育中心大型綜合體育場館為研究對象，深入分析了施工工藝及操作要點。從施工材料的制作加工到屋蓋與屋面的安裝施工，本文建立了一套相對完善的施工體系，對控制施工質(zhì)量具有一定作用。由于索膜施工中的高空作業(yè)較多，因此需要做好施工人員的高空安全防護工作。本文的研究中仍存在一些不足之處，如膜結(jié)構(gòu)屋面的隔聲以及屋頂膜材的積灰、積雪等問題，都需要今后進行深入研究。索膜結(jié)構(gòu)施工具有效率高、無污染等優(yōu)點，符合綠色建筑的發(fā)展趨勢，具有較高推廣價值。