国家体育场PTFE (中文名聚四氟乙烯) 膜结构位于屋盖下弦, 由下弦声学吊顶吸声膜、看台肩部屏风膜和内环立面防水膜三部分组成, 由1 068个膜单元组成, 总覆盖面积约5.3万m2 (图1) 。

PTFE膜结构主要起到吸声和吊顶装饰的作用, 保证整个鸟巢看台空间的音响和装饰效果。PTFE膜材厚度为350μm, 吸声率70%以上, 透光率30%以上, 防火等级B1级, 使用寿命25年以上, 具有高透光性、高强度、耐久性、防火性、耐腐蚀性、抗紫外线、自洁性等特点。

对于声学吊顶膜结构 (图2) , 设计提出明确要求:声学吊顶分块与屋面ETFE膜结构板块投影几何形状相同, 板块之间保持100 mm的间隔。要求PTFE膜的张力不在不同的板块之间传递, 也不对主桁架下弦杆件传递膜的张力和撑杆的轴向力。此外, 下弦声学吊顶还有18个需要为场地照明的灯光开口, 其设计难度多大可想而知。

而且, 声学吊顶结构大量采用了非轴心对称空心圆钢管的相贯焊接节点, 这些相贯节点既承受轴向力, 又承受平面内和平面外的弯矩。而现行国内外《钢结构设计规范》 (GB 50017-2003) 关于相贯节点的承载力设计值计算公式均是基于轴心对称结构的, 这给PTFE膜结构设计带来了巨大的困难。

对于看台屏风膜 (图3) , 主体钢结构和主体土建结构是完全脱离的两个独立的结构体系, 而建筑师却要求看台屏风膜以光滑的曲面从下弦声学吊顶过渡到土建看台, 不能有明显的分界。这就要求PTFE膜结构系统既要满足主体钢结构在各种荷载下 (主要是温度荷载) 的变形要求, 又不能设置有明显的变形缝, 而看台屏风膜的形状又是千差万别, 毫无规律可循, 其优化难度可想而知。

总之, PTFE膜结构形状异型、受力复杂, 国内外承包商均无成熟的施工经验可借鉴, 而且, 由于膜结构体系属于较新的结构体系和施工工艺, 国内外均无施工质量验收标准可以引用。另外, 设计院的膜结构施工图仅为建筑方案, 对其施工质量均无明确要求。因此, 如何对原设计方案进行优化、采取何种施工工艺才能保证ETFE膜结构施工的顺利进行、以及如何对其施工质量进行验收等关键问题成为制约膜结构施工的关键性技术难题。

鉴于上述情况, 本文主要从总体方案深化设计、施工工艺等方面进行研究。

根据PTFE膜结构的结构特点, 按照部位选取典型板块, 分别从支座反力、膜材应力分布和板块间相对位移控制等方面进行了研究, 根据研究结果来确定深化设计方案的可行性。

图4为典型板块一在不同荷载工况下的应力分布, 其他板块应力分布与此类似, 不再赘述。

另外, 根据分析结果可知, 各区块支点反力、膜材力学性能和水平相对位移等均满足设计师的有关要求。因此, 该深化设计方案可百富策略白菜网于国家体育场PTFE膜结构工程。

PTFE膜结构安装主要分膜附属钢结构安装和膜块安装。

声学吊顶膜附属钢结构安装先在地面拼装成整体, 然后采用起重机由体育场内环吊至周圈看台的操作平台上, 最后再通过卷扬机在空中接力将膜附属钢结构拼装单元吊至安装位置, 其主要安装步骤如图5～9所示。

看台屏风膜附属钢结构采用散装法安装, 其安装顺序为:边缘构件→撑杆→小撑杆。边缘构件和撑杆分段进场, 在地面上接长后, 整根吊装就位。待边缘构件和撑杆组成一个框架受力体系后, 再进行小撑杆的安装 (图10) , 其安装防护如图11所示。

膜单元安装采用流水作业, 实行定岗、定责、定人、定质责任制, 每组完成各自固定安装内容。膜单元安装前, 应在距主钢构上下桁架支撑杆1.2 m处铺设工作人员高空行走安全绳, 在距每个膜附属钢结构框架吊杆1.2 m处铺设人员行走安全绳 (?12无油钢丝绳或?20尼龙绳) 。并用竹梯沿膜单元膜附属钢结构框架四周铺设, 将木板或竹梯在搭接处捆扎。

(1) 地面展膜。膜单元成品在地面展开检查前, 应清理清水混凝土看台杂物并铺设擦洗清洁的保护膜。然后将膜单元展开, 展开的各边与上面的膜附属钢结构基本吻合;展开过程中, 注意保护膜面, 防止膜面污染;膜单元完全展开后, 检查膜单元周边尺寸、搭接、开孔位置、热合缝是否符合设计要求, 膜面有无破损、瑕疵或污染并做好记录, 待全部合格后进入预张拉工序。

(2) 膜单元预张拉。由于每个膜单元各边都有设计补偿值和热合收缩量, 膜单元地面展开且检查合格后, 对膜单元周边尺寸进行预张拉 (图12) 。

(3) 安装膜单元。沿膜单元膜附属钢结构框架四周每5～7 m设一个提升吊点, 吊点绳扣采用尼龙带, 通过滑轮将绳放至地面 (图13) 。

(4) 膜单元张拉。1) 预应力施加顺序:先边角, 后中部;先短边, 后长边, 对称张拉。2) 控制方法:位移控制为主, 力值控制为辅。

第一次位移量为设计位移量的50%, 第二次位移量为设计位移量的30%, 第三次位移量为设计位移量的20%, 位移允许偏差为10%;用专用测力仪对张拉完成的膜单元代表性的施力点进行力值抽检, 力值允许偏差为10%。

为加强国家体育场膜结构工程的质量管理、统一膜结构工程施工质量的验收、保证膜结构工程质量, 根据相关规范、规程和标准, 并采用国内外最新的科研成果, 总结制订出《国家体育场PTFE膜结构施工质量验收标准》。该标准以《膜结构技术规程》 (CECS 1582004) 为基础, 以设计要求为准则, 参照现行有关规范、标准和规程, 结合膜结构分包单位的施工经验进行编写。共分8章、7个附录, 编制过程中区分主控项目和一般项目;其中, 主控项目46条, 一般项目29条;并于2006年5月通过北京市建委审查、鉴定及备案工作。

图14～21为某肩部典型板块PTFE膜结构施工过程。

利用本文研究成果历时8个月安装完成PTFE膜结构约5.3万m2, 自检和专检合格率均为100%, 很好地保证了工程质量和进度, 为国家体育场工程的顺利竣工打下了坚实基础。