膜结构是一种由高强薄膜材料及加强构件 (钢结构或拉索) 通过一定的方式使其内部产生一定的预张应力以形成某种空间形状, 可作为覆盖结构并能承受一定的外荷载的空间结构形式。膜结构以良好的自洁性、隔热性以及高强耐久、造型新颖、自重轻等优点广泛百富策略白菜网于各类休闲小品、轻型大跨度无柱空间或轻型屋盖建筑结构。由于膜结构是张力结构的一种, 只有在一定的张力作用下, 膜结构才有一定的形状和刚度, 因而膜结构建筑表现了力的平衡美, 是一种受力最为合理的结构形式。膜结构采用轻质膜材, 同时辅以柔性拉索、轻型钢桁架的结构形式, 可以很好地达到大跨度、覆盖大空间的目的。

本工程为上海市某企业员工锻炼用网球场 (图1) , 结构形式为膜结构。整个工程的张拉膜部分, 总面积为1 632 m2。上部屋顶由4块9.165 m×36.66 m和2块带有弧度4 m×4 m的厚0.8 mm的PTFE膜组成, 下部用弧形钢结构及拉索作为支撑, 弧形构件为H型钢结构。膜采用进口PTFE膜材, 膜主材为玻璃纤维, 涂层为PTFE (聚四氟乙烯) 。其主要性能为: 1) 颜色和透光性。只有白色一种;PTFE膜材料刚安装时呈米黄色, 随着太阳的照射颜色逐渐变为纯白色。透光率在10%～15%。 2) 膜材寿命25～30年。由于涂层为PTFE受紫外线影响较小, 故稳定性好。 3) 防火性能为不燃材料。 4) 可加工性能。由于基材为玻璃纤维, 故加工难度较大, 采用高温技术进行焊接。

施工队伍进场后, 先进行操作脚手架的搭设, 膜结构脚手架需保证施工人员的安全、膜的张拉及拉膜工人的操作平台。

膜结构施工工艺流程见图2。

1) 对工地全部工程的进度状况做确认。2) 将相关工程进度状况做确认, 主要对土建工程与钢结构安装和膜结构的配合进行确认。3) 确认施工范围的现状, 包括起重机作业回转半径等。4) 对所有状况进行商讨及调整。

1) 保留出入车辆的开行路线。2) 起重机的作业范围、预留距离等告知其他作业者。3) 撤去障碍物。4) 对已完成的结构进行保护。

1) 膜及配件运输到施工现场后专门搭设货物仓库。仓库搭设的具体位置根据业主批准的用地示意图进行布置。

2) 为保证施工道路的畅通及本工程文明施工的需要, 膜及配件运输至施工现场后直接卸放在该堆场内, 卸车后不要开启膜布, 以免造成膜布、配件的损坏或遗失。为防止雨水对膜布的侵蚀, 百富策略白菜网彩条布将膜布覆盖。待施工时, 再将膜布、配件取出, 按施工区域依次就位。

3) 待货品到达现场后, 应指派专人在堆场内进行值班, 负责安装工具及五金件的看管工作, 保证所有物件完好、不丢失。

4) 认真熟悉图纸和施工方案, 了解各个部位主要几何尺寸。

5) 要求对所需材料的规格、型号、数量与图纸认真核对, 做到准确无误, 且需有合格证。无合格证或有质疑时, 必须进行复验。同时应符合规范要求, 做好检验记录和标识工作。

6) 备好施工用料和施工机具。

采用国际膜结构设计专业软件EASY 8.2进行计算、分析、裁剪 (图3) 。

1) 根据CECS 158∶2004《膜结构技术规程》[1]中关于膜材初始态进行找形, 在3D3S10.0以及EASY 9.1中得到找形结果。找形结果应满足网球馆的边界条件和合理预张力的要求, 并满足网球馆的建筑造型和使用功能的要求。本工程预张力取经纬向为2 kN/m2。

2) 在膜材找形后进行膜结构的荷载分析。膜结构的荷载分析是在初始形态分析确定的几何形态和满足预张力的基础上进行, 考虑各种可能的荷载组合情况对膜结构内力和变形的影响, 此分析需结合3D3S 10.0及EASY 9.1软件进行分析计算。在软件中计算膜材受力情况, 并提取相应的膜材最不利情况下的受力值[2], 根据公式 (1) 进行膜材强度确定。

在各种荷载组合下, 膜面各点的最大主应力应满足以下要求:

σmax≤f (1a)f=ζfkγR (1b)σmax≤f(1a)f=ζfkγR(1b)

式中: σmax为在各种荷载组合作用下的最大主应力值;f为对应于最大主应力方向的膜材抗拉强度设计值;fk为膜材抗拉强度标准值;ζ为强度折减系数, 对处于一般部位的膜材, ζ=0.75;γR为膜材抗力分项系数, 对第一类荷载效应组合, γR=5.0;对第二类组合, γR=2.5。

3) 由软件荷载分析所得结构文件中提取其膜材受力状况[3], 再计算得到膜材最终拉伸强度为经纬向4 400/4 000 (N/5 cm) 膜材, 可以满足设计要求。

a.结构必须安装完毕, 膜结构支架必须安装完成, 并应满足设计要求。b.施工设施是安全、稳定的。c.相关区域内构件的涂装必须施工完毕。d.相关区域内施工准备工作结束。e.膜面安装技术指导抵达现场, 现场情况全面检查后同意开工。f.接收到现场监理工程师下发的开工单。

将安装膜面的手工工具分发到各个班组, 包括大力钳、套筒扳手及带安全挂钩的工具袋。

膜面展开必备条件 (图4) :1) 当天天气情况。当天风力不大于5级 (风速小于8.2 m/s) ;且非大雨天。2) 绳网的拉设符合要求。3) 所有安全设施及操作平台的最终形式符合要求。4) 人员配备到位, 并按指定位置安置牵引工具。5) 安装指导在现场督察。所有参加膜面展开工作的人员, 必须穿软底胶鞋。

最后, 操作工人通过紧绳机牵引膜面 , 工字梁两侧工人用绳索拉紧螺旋夹, 抖动膜面, 辅助膜面的牵引[5]。当膜布纵向基本牵引到位时, 将膜布向两侧方向牵引。

膜面牵引过程中应注意: a.应由专人负责统一指挥;b.确保膜布的任何处不与钢结构相接触;c.保证操作工人的牵引速度同步; d.有专门技术人员跟踪监督。

膜布展开时, 随时观测膜布外观质量, 发现因制作引起的破损、钩丝及不可清除的污迹, 及时通知有关方面。

当膜布牵引工作结束后, 为防止风的作用造成膜面的损坏, 应立即安装反绳网 (图5) , 反绳网纵向每隔1 m设拉弦一道。

膜面张拉应力不可一次到位, 以防主体钢结构侧向失稳, 应分块逐步张拉到位[6]。

本工程为大型膜结构项目, 膜面应力采用同济大学自行研制开发的膜材应力测量仪。膜面应力测试的基本原理是利用膜面应力 - 膜面法向分布荷载 - 膜面位移之间的非线性关系, 通过真空泵向膜面施加法向分布吸力, 采用激光位移计测得膜面法向位移, 根据其非线性关系计算得到膜面的应力分布。膜面应力测试的精度达90%以上 (图7) 。

膜结构模型中各测点的空间坐标采用精密电子全站仪进行测量。同济大学自主研发了国内第一台具备自动控制和数据采集功能的膜材双轴拉伸试验机, 并百富策略白菜网于膜材双轴拉伸工程中。

1) 本工程膜结构形式为张挺式膜结构, 是指膜结构中未设置张拉机构, 膜面直接固定在钢结构支架上 (图8) , 安装的过程就是膜面张拉的过程, 膜面安装完成后应达到受力要求。

2) 当膜面被牵引到距最终位置10 cm时, 卸除部分紧绳机 (并用钢丝绳代替紧绳机绳索) 。

3) 松开所有绳网。

4) 调整膜布周边, 使膜布中心位置与钢结构中心位置相一致, 然后进行膜布周边固定工作。

5) 膜面固定时, 先用紧线机拉紧膜的4个角, 使膜角尽量接近固定位置, 再进行膜边的固定。

6) 膜结构支架上的螺栓间距与膜布上的眼孔是相匹配的, 当膜布拉到其安装位置后即可将膜面固定在螺栓上。膜面固定时, 局部地方的眼孔会与支架上的螺栓位置不一致, 因此, 要求现场开孔。开孔时用美工刀或冲头, 禁止使用榔头直接敲击膜布进行开孔。当膜面周边固定张拉好后, 拆除所有夹具。

根据上述工艺要求, 整个膜结构的安装顺序: a.在已安装好的钢梁间铺设大面积的彩条布将绳网拉紧, 在中间部位对称将膜布展开, 通过中间钢索的间隙, 将膜布就位。 b.安装反绳网, 保证膜在施工期间的安全性。 c.沿中间将膜材向两边对称张拉, 基本就位后将边索穿入, 紧固边索, 将膜布张拉就位。 d.拆除绳网, 完成紧固工作。

本次膜结构施工的主要难点在于, 因膜材采用PTFE, 无法在地面上全部展开;安装时, 由于大多为张拉形式, 膜材无法摆放在高处展开, 只能由地面向上牵引, 因此给膜铺装和牵引带来困难。另外, 钢梁的高度也给膜布铺装造成困难;钢构间的标高也是本工程的难点部分。

膜布安装时, 操作工人的手套必须干净、无油污;鞋子必须是软底胶鞋;安装工具放置时一定要平稳摆放, 使用时必须做到安全、可控制;小工具必须放置在工具包内。膜面安装完成后需保证膜布不破损, 表面不被污浊。

现场熔接防水膜须注意:1) 天气必须晴好, 无雨、无露水、无霜、无冰冻等。2) 保持膜面的清洁, 施工人员一律穿专用作业鞋在膜面施工。3) 熔接机在达到一定的设定温度后方可施工, 注意电压。4) 施工时注意人员配合, 保证膜施工没有间断进行。5) 熔接完毕后及时平整熔接表面, 保证熔接质量及平整度[5]。

防水膜是完成膜结构工程施工的最后一步, 此道工序必须保质保量完成。

a.膜面安装完成后, 应请业主协调, 规定膜面上非施工单位人员及管理人员不准踩踏膜面, 需经许可后上膜面进行观察、工作。对其他施工单位, 应对在膜面上 (下) 进行施工作业的操作人员进行交底。明确保护对象应注意的事项。b.施工时, 派专职监督员进行巡查, 其他施工单位在膜面上施工作业时, 在不同的操作地点安排专职监督员进行巡视检查, 发现膜面损坏及时取证并向上级有关部门报告。

a.膜面安装完成后, 应配合监理、业主及时进行膜面的阶段验收工作。验收工作结束后, 将规定人员非特许不准再上膜面, 以免造成膜布表面污垢或破损。b.场内只留部分登高脚手架, 并拆除所有的操作平台。c.在登高脚手架上悬挂标志牌, 标志牌上用红色油漆标明“严禁”或“禁止”等字样。d.派2名专职监督员进行必要的巡查。督促有关方面继续做好膜面的保护工作。必须做到屋面上有工人施工就有专职监督员监护, 并请业主协助进行膜面的全面保护工作。

对质量的总体要求是:膜面无渗漏, 无明显褶皱, 不得有积水;膜面颜色均匀, 无明显污染串色;连接固定节点牢固, 排列整齐、缝线无脱落、无超张拉、膜面无大面积拉毛蹭伤 (图9) 。

网球场整体设计富有很强的立体感, 流线感强, 外观简单气派, 非常具有时代气息, 体现了现代体育场馆设计的先进理念。膜结构建筑因其简洁、 优美的曲面造型和卓越的光学、力学、保温、耐火、防水、自洁等性能被誉为21世纪的建筑。膜结构工程是集建筑学、结构力学、精细化工、材料科学为一体的高科技工程, 在发达国家百富策略白菜网已有50年的历史, 发展势头强劲, 而在我国, 膜结构的理论和实践则刚起步。作为顶盖的膜结构, 由于耐腐蚀、轻质高强、造型多样和透光性能良好, 在工程实践中效果理想, 因此值得推广百富策略白菜网和深入研究。