膜结构[1]是由多种高强薄膜材料及加强构件 (钢架、钢柱或钢索) 通过一定方式使其内部产生一定的预张应力以形成某种空间形状作为覆盖结构, 并能承受一定外荷载作用的一种空间结构形式。膜结构可分为充气膜结构和张拉膜结构两大类, 充气膜结构是靠室内不断充气, 使室内外产生一定压力差, 使膜受到一定的向上浮力, 从而实现较大的跨度。

膜结构中所使用的膜材料每m2仅1 kg左右, 由于自重轻, 加上钢索、钢结构高强度材料的采用, 受力体系简洁合理 (力大部分以轴力传递) , 使膜结构适合跨越大空间而形成开阔的无柱大跨度结构体系。因而, 膜结构被大量使用在体育场馆等大跨度空间建筑中, 国内知名的膜结构建筑包括水立方[2]、鸟巢[3]、上海八万人体育场, 国外知名的建筑包括英国的伊甸园和德国的安联体育场等。

膜结构技术发展到今天主要采用的膜材有PTFE膜材和ETFE膜材两类, 其中, PTFE膜材是在超细玻璃纤维织物上涂以聚四氟乙烯树脂而成的材料, 适合于张拉成形;而ETFE膜材是乙烯-四氟乙烯共聚物, 属弹塑性材料, 弹性工作范围有限, 更适合于制成充气膜系统。

大连体育场膜结构屋面创新性地在一个工程中用了以上两种最先进的膜材料, 本文介绍了两种膜系统的具体百富策略白菜网和细部节点处理。

大连市体育场位于大连市甘井子区岚岭路669号, 项目选址西临朱棋路, 南临岭西路, 该位置既是大连市规划的北部中心区域, 又是朱棋路新区的中心位置, 距旅顺口区40 km、开发区27 km、金州区20 km。体育场罩棚最高点距离室外地面高度为55.60 m, 看台主体结构最高点高度为35.43 m, 设有座位6万余个, 能够承担田径、足球等比赛, 兼顾大型活动。大连市体育场的竣工实景见图1。

大连体育场外形为空间曲面造型, 整个建筑气势恢弘、体量庞大。体育场的屋面系统有外层ETFE充气膜系统、内层PTFE张拉膜系统、屋面不锈钢排水天沟系统、屋面及檐口铝蜂窝板封边系统等。

本工程外层屋面由单腔ETFE充气气枕构成 (充气膜) , 气枕位于主钢结构的上方和外侧, 并由建筑钢结构檩条进行支撑, 充气气枕满足建筑外观, 透光, 承受风、雪外荷载, 排水等方面的要求。ETFE气枕外层通过彩色的或带图案的膜材实现建筑外观效果, 将乳白色、无色透明膜银色印点、蓝色透明膜气枕有序组合搭配, 形成了一种旋转动态的水的形态, 将海滨城市大连的水元素巧妙地融入其中。

本工程ETFE气枕总数为2 736个, 其中, 蓝色透明膜气枕731个、乳白色气枕1 413个、无色透明膜银色印点气枕592个, 气枕形状为不规则四边梯形, 最大气枕单层面积约51.2 m2, 屋面气枕四周均有250 mm宽的天沟环绕。气枕采用双层构造, 矢高比约为1/8。上层ETFE膜厚度为250μm, 颜色分别为乳白色、无色透明膜银色印点、蓝色透明膜3种, 局部负风压较大的部位, 在彩色膜下再增加一层250μm厚透明的ETFE补强膜, 上层膜与补强膜之间将紧贴在一起共同承担风荷载作用。气枕下层膜采用200μm厚的透明ETFE膜, 局部正风压较大的地方采用250μm厚的透明ETFE膜。

ETFE气枕通过专用铝合金型材固定于天沟上沿, 天沟则由钢板支架焊接于檩条上方, 气枕通过供气系统提供稳定压力形成一定外形并抵抗外荷载, 整个结构体系传力明确。

ETFE外层气枕及不锈钢板天沟通过自攻自钻螺钉固定于天沟承托钢龙骨上, 该钢龙骨为通长布置, 经过一级调整联接件 (带有垂直长条孔) 联接于天沟支撑钢方管上, 竖向支撑钢方管间距@≤1 500mm布置一道, 再通过二级调整联接件 (带有水平长条孔) 联接于经向主檩条上。

一级、二级调整联接件均采用螺栓联接, 通过长条孔来调整天沟实际安装位置。一级联接件通过垂直长条孔实现高度位置调整;二级联接件通过水平长条孔实现水平位置调整。通过这两个方向的位置调整, 更好地满足气枕的安装需要, 缩短工程的施工周期, 使建筑最终外饰效果更加美观。充气气枕典型节点如图2所示。

本工程在屋面的外层充气气枕下方设计了一层张拉膜, 该层膜为PTFE遮阳膜。PTFE张拉膜挂在主桁架下弦与屋面次结构之下, 并从上层看台的后部向下延伸, 根据遮阳的需要, 膜向下延伸的边界在南侧和西侧较低, 而在东侧和北侧较高。PTFE膜除了用于遮挡通过上方ETFE气枕照射下来的强烈阳光、避免其直接照向看台上的观众外, 还可以防止阳光将体育场钢构的阴影投射在草坪上, 影响对比赛或活动的观赏。另一方面, 通过采用PTFE膜, 其恰到好处的透光率和开孔率, 既可使下方的观众看出上方气枕分格的旋转变化, 又很好地遮挡了一些布置在钢结构中的比较杂乱的管道线路等。内层膜采用张拉铝型材支撑, 张拉铝型材通过不锈钢螺栓固定到U型钢联接件 (间距500 mm) 上, 然后再与钢檩条联接, 钢檩条通过钢联接件固定到主体主桁架钢管上。PTFE张拉膜典型节点如图3所示。

不锈钢排水天沟与ETFE充气膜共同构成了屋面的外层构造, 落到充气膜上的雨水汇入不锈钢排水天沟之后有组织排出。不锈钢排水天沟的支撑构件为钢构件, 此钢构件同时也用来支撑外层充气气枕。

本工程屋面天沟由内环天沟, 拱肩以上气枕周边经向、纬向天沟及立面经向天沟组成。为保持整个体育场从屋面到立面的外观协调一致, 故气枕周边的天沟宽度始终保持为250 mm, 而天沟深度则根据位置不同而有所变化。

由于体育场地处中国大连, 冬季会发生降雪, 为防止积雪或冰棱坠落伤人, 故考虑在屋面向立面变化的肩部区域设置了两至三道环向的截雪天沟, 用于拦截积雪和防止冰棱坠落。肩部天沟典型节点如图4所示。

铝蜂窝板位于屋面内环檐口及气枕底部四周封边部位, 采用隐框定位定距式安装结构。结构先由竖龙骨和横龙骨联接构成幕墙的骨架部分, 并通过联接件固定于主体钢结构上。铝蜂窝板通过副框、铝合金压板固定到龙骨上, 板缝用密封胶和泡沫条填充。檐口封修铝蜂窝板典型节点如图5所示。

膜结构由于材料本身的特性, 单个充气单元可达几十平方米, 各个充气单元之间由不锈钢排水天沟联接, 只要保证充气枕与不锈钢排水天沟联接处的防水性能, 就能保证整个屋面的防水性能。当位于屋面外层的充气枕在充气后存在自然的坡度, 落在屋面部位的雨水在重力作用下自然流入至每个气枕四周的不锈钢天沟中。流入纬向天沟的雨水在重力作用下汇入与其相接的经向天沟内;而经向天沟在拱形最高点的分界处, 形成了两个方向的排水坡度, 分别流向檐口和流向地面两个方向。

流向檐口方向的雨水 (图6) , 最终汇集到檐口内环的大天沟内, 并集中由排水系统排出。流向地面方向的雨水向下经过拱肩部位时分段地被挡水板导入拱肩纬向天沟内, 再由纬向天沟内的排水系统集中排出。因此, 整个屋面及拱肩部位的大量雨水均已被有序排出, 而落在立面部位的少量雨水沿经向天沟自然流到地面, 最终完成整个外层气枕的排水过程。

外层充气膜结构与不锈钢排水天沟的联接处采用专用的铝合金夹具, 夹具通过三元乙丙胶条挤压膜材实现充气枕的定位, 然后用螺钉将夹具固定到支撑钢结构上。三元乙丙胶条与膜材的紧密贴合使雨水不会渗透, 同时夹具的后部在排水天沟上方, 即使有少量水进入到夹具内, 也会通过夹具下方开的孔流入天沟内排走。夹具与不锈钢天沟交接处打密封胶处理, 保证雨水不会通过接缝处进入屋面下方。专用夹具节点如图7所示。

对于不锈钢排水天沟板的对接部位以及檐口与天沟交接部位这些防水薄弱环节, 采用新型的防水材料进行防水密封处理。本工程采用了得泰防水条形盖片, 该材料由专门的EPDM或SILICONE柔性铝底片材料制成, 耐腐蚀、耐臭氧、抗紫外线, 适用-30~115℃的温度变化, 具有良好的物理和化学性能, 可实现柔性连接, 同时可吸收屋面金属板的变形。膜屋面檐口部位排水路径如图8所示。

膜结构工程是近年来发展起来的一种新型建筑外围护形式。本项目充分发挥了两种膜材的不同优势, 是一次经典的组合设计。