膜结构既是一种古老的结构形式, 也是一种代表当今建筑技术和材料科学发展水平的新型结构形式。ETFE膜材是继PVC膜材、PTFE膜材之后用于建筑结构的第三大类产品, 作为一种新型的建筑材料, 具有轻质、高强、长寿命、宽气候带、高透光性、高自洁性、高吸音性、难燃、高耐腐蚀性和成型后良好的保温、隔热性能, 且自身可回收再利用, 是绿色环保材料。已在国外一些大型体育场馆、温室中得到百富策略白菜网。国家体育场外层膜结构是ETFE膜结构在我国的首次百富策略白菜网。

ETFE膜是乙烯——四氟乙烯共聚体, 由氟塑料制造而成。它的特性为:①ETFE膜材为可循环利用的材料, 可再次利用产生新的膜材, 或者分离杂质后生产其他的ETFE产品。②抗温度变化能力强, 能直接暴露于-200℃～150℃的温度中;③透光率可高达95%, 不能阻挡紫外线光的投射, 以保证建筑内部自然光线。通过表面印刷, 该材料的半透明度可进一步降低到50%。④特有抗粘着表面可使其具有高抗污、易清洗的特点, 通过雨水可清除主要污垢。⑤厚度通常为0.05mm～0.25mm, 且该膜质量很轻, 每平方米只有0.15kg～0.35kg。⑥膜材达到B1、DIN4102防火等级标准, 燃烧时也不会滴落;这个特点使其即使在由于烟、火引起的膜融化情况下也具有相当的优势。⑦拥有耐腐蚀性特征, 同时又有对金属特有的较强粘着特性, 克服了聚四氟乙烯对金属的不粘合缺陷, 加之其平均线膨胀系数与低碳钢接近, 使ETFE成为金属的理想复合材料, 具有极其优良的耐负压特征。⑧ETFE膜寿命至少为25～35年是用于永久性多层可移动屋顶结构的理想材料。

ETFE膜材用于建筑领域已有20年的历史, 2000年落成的英国康沃尔“伊甸园”项目被认为是一个工程奇迹, 并制造了一波全球影响。巴塞尔运动场、加州艺术学院、德国慕尼黑安联球场、德国杜伊斯堡迈德里奇剧院, 以及将于2009年建成的哈萨克斯塔成吉思汗后裔帐篷娱乐中心和2010年完工的位于爱荷华州的佩拉“地球公园”等一大批采用ETFE膜结构项目的开展, 都说明ETFE这种新型建筑材料有着旺盛的生命力和光辉的前景。我国的膜结构建筑发展较晚, 国家游泳馆的气垫式膜结构工程和国家体育场外层膜结构工程是ETFE膜材在我国的尝试百富策略白菜网和推广。

国家体育场项目位于北京市成府路南侧, 奥林匹克公园中心区内, 是2008年第29界奥运会的主体育会场, 总建筑面积258000 , 顶部围护结构采用0.25mm厚无色透明名带印刷点的ETFE膜材, 膜面积达到36515 (图1) , 建成后的国家体育场是北京市重要标志性建筑之一。

膜区块边界为主体钢结构围成的封闭区域;膜区块系统中的天沟作为连接结构连接到主体钢结构上;索与天沟的边界为位于天沟上的索支座;钢梁与天沟的边界为位于天沟上的钢梁支座;索穿过位于ETFE膜单元上的索袋而与ETFE膜单元连接在一起;钢梁通过位于钢梁上的转接件与索连接在一起。荷载计算分区分块进行, 计算选用基于有限元分析的EASY软件, 计算分析的数学基础是力密度法。最终将膜内预张力 (径向及纬向) 调整到1kN/m。索内预张力设置方法为:0<L<2m时, 施加预应力为5kN;2m<L<3m时, 施加预应力为7kN;3m<L<4m时, 施加预应力为10kN。膜结构所承受的荷载主要为风荷载和雪荷载。风荷载依据《北京国家体育场风洞测试结构荷载研究报告》取值:上升力:-1.53/ -1.02kPa (屋面中部) , -1.28/ -0.85kPa (屋面边缘) ;下压力:1.40/ 0.93kPa (屋面中部) , 1.43/ 0.95kPa (屋面边缘) 。雪荷载依据风洞试验报告确定取值:基本雪压为0.45 kN/m2, 积雪荷载考虑板块内局部堆雪荷载的影响取0.69kN/m2。依据现行规范, 按承载力极限状态取如下荷载组合:

第一类组合 (预张力) :1.35 (预张力+恒载) ;

第二类组合 (暴风雨) :1.35 (预张力+恒载) +1.5风压;

第三类组合 (暴风雨) :1.35 (预张力+恒载) +1.5风吸;

第四类组合 (下雪) :1.35 (预张力+恒载) +1.5雪载;

第五类组合 (暴风雪) :1.35 (预张力+恒载) +1.5 (风压+半跨雪载) 。

最后对索膜的受力及变形进行分析校核。同时, 将荷载分析后得到的节点反力施加到支承结构体系进行校核。

索夹板与梁之间的节点在高度, 平移和倾角上可调 (ETFE膜面不接触支撑梁) 。钢索夹板必须能夹住钢索以抵抗风吸并能稳定支撑梁。

考虑到钢结构施工的误差可能较大, 需要支架能较好地消化各种类型的误差, 包括在膜单元平面内的扭转。支架以结合螺栓连接, 使得支座能容许弯曲或平移自由度 (或二者) , 也可以形成刚结点。

膜内索的关键之处是钢索应在膜面下并固定在主钢结构上, 避免穿透膜面。与梁支架相似, 钢索节点设计方案能较好地吸收一定程度的施工误差, 从而为膜面提供良好的支撑。

膜袋的设计独立于任何设计问题, 国家体育场ETFE膜袋有一个破口, 使钢索夹板能从膜面下固定钢索, 而不穿透膜面。

一般来说张拉膜结构的裁剪拼接过程无论如何都是会有误差的, 这是因为首先用平面膜片拼成空间曲面就一定会有误差, 其次膜布是各向异性非线性材料, 在把它张拉成曲率变化多端的空间形状时, 不可避免的会与初始设计形状有出入。而考虑到国家体育场ETFE膜结构是平膜面, 不存在拼接空间曲面问题, 其次ETFE膜材的特性是各向同性, 所以根据本工程的特点最终决定采用依据实地测量数据剪裁的方法。工程技术人员先搭脚手架, 实地测量“鸟巢”顶部及肩部的每一块镂空面积。然后, 在加工车间, 用热熔设备缝制出有519种完全不同的形状的1038块片膜。

膜结构工程的施工安装需按以下次序和要求来进行:

在钢结构安装完毕后, 安装完成操作平台, 相关区域内构件的涂装必须施工完毕;膜面安装技术指导抵达现场, 对现场情况全面检查后同意开工;膜面安装要求放置一定数量的膜面固定材料以及临时张拉工具, 包括铝合金压条, 膜面螺旋夹, 白色夹具, 拉条及卸甲, 绳索紧绳机, 钢丝绳紧绳机, 紧固钳和Ф14尼龙绳。

根据膜面安装部位确认相同编号的膜布;膜布的外层包裹着很厚的塑料纸, 每一层之间摆放有硬纸筒, 将膜布从包装箱内取出时, 吊装用索具为4根1.5t绳圈。起吊时, 为防止绳圈直接接触膜面造成膜布上产生折痕, 应将绳圈从硬纸筒内穿过, 然后吊至安装面。膜吊装过程中应注意:①应由专人负责统一指挥;②确保膜布的任何处不与钢结构相接触;③保证上升速度均匀;④有专门技术人员跟踪监督。

膜面展开必备条件:当天风力不大于5级 (风速小于8.2m/s) ;且非大雨天。平台面必须清扫干净, 不得有任何尖锐物体。安装膜单元区域拉设好临时绳网并张紧。

以一个单元为例, 膜单元于绳网上按折叠或卷制顺序反向打开。膜单元展开后, 必须立即于膜上方拉设反绳网并张紧。使用膜夹板及紧线器, 按1米间距将膜边夹紧并拉伸至固定位置。使用铝压条固定膜单元周边。

膜单元组安装完毕后, 松开临时绳网及反绳网。

按同样程序进行下一组膜的安装。

全部安装完成后, 对整个系统进行全面的检查和调试。

国家体育场ETFE膜结构工程的顺利实施充分体现了ETFE张拉膜结构外形优美、技术先进、透光性好、设计安装快捷、综合效益高的优势。本文通过介绍该工程的设计方法、节点形式及安装铺设方法为以后索膜结构的设计施工提供了经验积累。