膜结构作为一种现代化的工程结构, 起源于欧洲, 于20世纪中叶发展起来, 并风靡世界, 膜结构是一种生态型建筑, 体现了“More With Less” (少费用多用途) 的节能型设计思想。它能将结构与建筑围合为一体, 最大限度地发挥了膜材的承载能力, 刚柔并济创造出无柱的灵活的大空间, 并且具有飘逸又遒劲的外观, 既不失传统建筑的稳健, 又具备了现代开阔张扬的时尚气息;特别是它的独特造型和夜景效果, 具备了其它建筑结构所无法比拟的明显的“建筑可识性”。正是由于膜结构集建筑学、结构力学、精细化工、材料科学于计算机科学为一体的高科技特性, 被誉为“二十一世纪的建筑”。

膜结构根据建筑造型和支承条件等可分为以下五种:整体张拉式膜结构、骨架支承式膜结构、索系支承式膜结构、空气支承膜结构和组合式膜结构[1]。其中最常见的莫过于能最大限度配合建筑师的想象力的骨架支承式膜结构。

笔者就骨架支承式膜结构的质量控制, 浅谈自己的想法。

骨架支承式膜结构通常由钢结构和膜两部分组成, 钢结构为支承体系、膜材则主要起围护作用。

在开工准备阶段中, 质量控制的重点在于作为支承体系的钢结构工程。

2.1.1 审查设计图所表示的标高、方位是否与建筑专业的图纸相一致。

2.1.2 审查钢结构设计文件与相应的钢筋混凝土结构之间的兼容性。

在承台标高、承台跨度、承台承载力和抗拔力、承台大小与钢构件支承关系上等诸多方面均应进行再次审查。

2.1.3 审查钢结构设计文件的设计深度。

钢结构工程的设计文件不同于其它工程, 设计院提供的往往只有钢结构施工图, 然而仅凭钢结构施工图是不可能完成钢结构的施工任务的。钢结构设计必须有钢结构设计详图, 钢结构设计详图应具体到:

(1) 施工详图说明:

1) 符合施工设计图总说明要求在直接操作过程中所依据的规范、规程、标准及规定;

2) 根据施工设计图要求说明选用原材料、焊接材料、连接件 (高强螺栓、栓钉、工艺螺栓) 、焊接坡口形式、焊接工艺评定、无损检测、构件几何尺寸允许偏差、除锈、涂装、防火、包装、运输、保管、组件预拼装、现场安装等要求。

(2) 构件平 (立) 面布置图 (注明构件位置、编号、构件清单、图例等) 。

(3) 构 (组) 件施工详图

施工详图应清晰显示构件几何形状和断面尺寸。包括构件在平、立面图中所处安装位置、编号、轴线、标高;构件材料表, 其内容包括构件名称、数量、材质、品种、规格、单重、总重;构件连接件 (高强螺栓、普通螺栓、栓钉) 品种、规格、数量;构件开孔及焊接要求 (开孔位置, 大小、数量、焊缝、坡口形式、焊缝尺寸、衬垫) ;相关件连接尺寸、方向、标志等。

(4) 节点施工详图

在施工图节点设计详图的基础上确定连接件 (节点板、预埋件等) 连接材料 (焊缝、螺栓、栓钉等) 的型式、材质、规格、位置、数量、重量等要求。

(5) 施工安装图和预拼装图 (如需要)

其内容应包括:构件平、立面布置图 (可用单线绘制) , 标明构 (部) 件位置、编号、标高、方向等要求以及螺栓、栓钉、预埋件等布置要求。[2]

钢结构设计详图还应经原土建、钢结构方案设计单位确认, 方能作为有效文件提供给钢构件制作单位。

2.1.3 审查膜材设计是否针对所选定的品牌和系列。

不同膜材的材性不尽相同, 设计时应根据其特性合理确定各膜片的收缩量, 从而确定膜片的裁剪尺寸。

2.1.4 审查膜材的裁剪线设计是否合理。其设计是否在促使平衡曲面的前提下, 在空间曲面上确定膜片间的裁剪线, 是否保证了裁剪线布置的美观性、是否有效利用材料, 是否适应膜材适应正交性的特点, 使膜材的纤维方向与计算的主受力方向一致。膜片的裁剪尺寸与连接的方式密切相关, 当采用搭接方式时, 还应在设计的裁剪片中预留搭接宽度。

施工组织设计是指导施工的纲领性文件, 在施工组织上起着重要的作用。其编制质量直接影响到工程的施工质量。施工组织设计应包括:施工及验收依据、材料情况、场地布置、工艺流程、详细的焊接工艺要求、坡口标准、探伤标准、以及制作与安装的偏差等。

施工组织设计必须经过严格的审批, 项目负责人、企业技术负责人、及总承包单位均认真审批通过后, 报业主和监理单位批准才可执行。

对施工组织设计应重点审查:总平面规划、安装方案、机械设备选用、流水组织、人员资格、以及测量、安全等。

审查制作单位资质, 是抓好钢构件实体质量的重要步骤。主要审查制作工厂的设计能力, 制作工厂原材料验收及仓管制度、焊接材料烘培和保温设备情况、审查焊接工艺评定转移报告、参与焊接工艺评定试验、审查焊工资质及有效证件、审查无损检测人员资质及有关设备的鉴定有效期、审查长度计量器具的鉴定有效期、检查除锈与涂装设备情况是否符合有关技术要求, 其产品质量是否能符合技术条件要求以及制作单位类似工程的业绩等。

安装单位的资质审查, 直接关系到钢结构的实体质量。其安装水平高低直接体现在钢结构的结构安全性、耐久性等一系列性能指标上。对安装单位的审查主要在于审查承包单位现场项目管理机构的质量管理体系、技术管理体系和质量保证体系, 具体有:专职管理人员的资格证及施工组织能力的审查, 对设计文件的熟悉程度, 钢构件进场验收制度的落实, 测量工、焊工资质及有效证件的审查, 焊接、烘培设备的完好情况, 质量验收及报验制度的审查等。

在确保混凝土结构基础已完成验收后, 才能进入考虑钢结构的安装。在正式开工前, 应再次对其测量定位、预埋件的定位、以及混凝土基础顶标高、混凝土基础强度、地脚螺栓的位置是否准确、地脚螺栓外露部分的丝扣是否满足安装要求等进行再次复核。

此外, 对地脚螺栓、螺母还应检查其防锈和防碰撞措施情况。

钢材应具有抗拉强度、伸长率、屈服点、硫磷含量、碳含量 (焊接结构) 、-20℃冲击试验 (冬季计算温度不高于-20℃时) 等多项合格保证。

按规定对钢材、连接件等进行抽样复检。对成品、半成品构件, 要求提供相应检测报告并就外观、材料规格等进行再次检测。

膜材的主要指标为极限强度、破坏时延伸率、抗撕裂性、阻燃性和透光性等, 目前主要有两大类:玻璃纤维和聚酯纤维。进场膜材应审查其质量保证期证书和生产企业提供的各类技术指标确保膜材的选用符合设计文件的要求。目前我国市场上常见的品牌有:法国法拉利、德国杜肯、德国米乐、韩国秀博、美国艾美等。品牌及系列是否与设计文件一致, 若不一致, 应及时通知设计进行验算。

膜结构工程的一大优越性, 即制作的工厂化。不论钢构件或膜材加工和制作均在工厂内完成, 可减少现场施工时间, 避免出现施工交叉, 相对传统建筑工程工期较短。既保证了钢构件和膜材的加工质量, 同时节约了现场空间和施工进度。

钢构件的加工和制作通常委托专业的制作单位, 因此控制重点在于:

应要求选用同一企业的同一批号的膜材, 以避免不同程度的色差和不均质。同时, 应注意远离易褪色物品或有害膜材的化学溶剂。

膜材的连接有两种方式:对接和搭接[1] (详见下图) 。

采用何方式, 必须与设计一致。当采用搭接时, 应检查上部膜材是否覆盖在下部膜材之上, 保证了排水畅通。当采用对接连接时, 背贴片应采用与结构一致的膜或专用背贴条膜。搭接长度或背贴片的宽度均应符合设计要求。

膜材缝的连接有热合连接、粘结、缝合, 对于主要受力缝应优先选用热合连接, 不宜采用耐久性差的粘结连接。

热合缝的宽度应注意不的出现负偏差。膜材周边加强处应平整, 热合后应进行检查, 不可存在污渍、划伤、破损现象。

现场安装施工顺序为先钢构件后膜材。

测量定位、焊接质量、构件安装标高和平面位置控制、钢构件的成品检验等。

应特别注意根据制作工艺要求, 预留焊接收缩余量, 预置反变形。选择合理的施焊程序, 对于对称截面, 应进行对称施焊或对称同时施焊。在同一构件上焊接时, 应尽可能采用热量分散、对称分布的方式施焊。当构件焊后产生较大变形, 应予以火工矫正。焊接任务完成后应安规定进行焊缝的无损检测, 对于检测发现的焊接缺陷应及时进行修复。对Q345钢材补焊时应采用低氢焊条进行焊接, 焊条直径不大于4.0mm, 并比焊缝的原预热温度提高50℃。因焊接而产生变形的构件, 应采用机械方法或火焰加热法进行矫正, 低合金钢加热区的温度不应大于850℃, 严禁用水进行急冷。

应重点检查支座标高、轴线定位, 混凝土结构上预埋螺栓的轴线和标高, 构件安装标高和平面位置。

膜材是在支撑结构的拉力和自身重力的作用下绷紧, 形成曲面。因此, 膜材和支承骨架之间的连接成为安装的重点控制内容。

4.2.1 膜材间的接缝应设在支承骨架上, 并以夹具固定[1] (具体见下图) 。

4.2.2 膜材与刚性边缘构件连接时, 夹具应连续、可靠地夹住膜材边缘, 夹具与膜材间应设置衬垫。当刚性边缘构件有棱角时, 必须先倒角, 使膜材光滑过渡, 避免划伤膜材影响其耐久性。膜材与混凝土边缘构件、钢边缘构件的连接做法各不相同。

4.2.3 吊装膜单元前, 应确定膜单元的准确位置。展开和吊装膜单元时应使用临时夹板, 吊装应严格按施工方案执行, 避免吊点受力过大造成膜材撕裂。

4.2.4 膜单元的安装应连续, 当无法连续一次性完成安装作业时应采取可靠临时固定措施, 以便抵抗施工期间可能发生的强风, 同时还应注意使膜面不积水。

4.2.5 膜单元安全吊装的工作环境

工作环境应严格控制, 同时满足以下几点:风力小于三级, 气温高于4℃, 现场可能伤及膜材的物件已采取防护措施, 现场可能污染膜材的物件已清除。

预张力的质量控制是膜结构工程成败的关键, 它直接影响到膜的观感、膜的抗风性能等。

4.3.1 在施加预张力前, 应先将支座连接板和所有可调部件调节到位。检查施力机具和测力仪表是否正常工作。

4.3.2 设计明确的施力位置、位移量、施力值应进行交底, 并与各单位确定有代表性的施力点。

4.3.3 施力是应注意严格按规定分级加荷分块逐步张拉到位, 不可一次到位, 以防主体钢结构侧向失稳。几个点同时加荷时应统一指挥, 同时进行, 避免不均匀受力造成膜材损伤。

4.3.4 施力点的位移量应严密监控。必须留有余量, 以消除整个结构体系积累的误差。

4.3.5 膜面张拉到位后, 应会同安装单位质检人员对膜面张力按照膜结构设计提供的膜面应力值、测试部位和测试工具对膜面应力进行全面检查验收。同时检查压板螺栓有无漏装漏拧。

工程验收阶段的控制要点主要是围绕工程的终端控制。

5.1 对膜面的排水、防水进行全面检查。除膜面的排水坡度、排水槽、天沟、檐口等做法应符合设计要求外, 还应进行淋水试验, 检查膜面排水是否顺畅。

5.2 对膜面的外观进行全面检查。膜面应无明显污渍、串色, 无破损、划伤以及明显的褶皱。

5.3 做好质量控制资料和文件核查及整理工作。

膜结构工程的发展日新月异, 但就骨架支承式膜结构而言, 其质量控制从钢结构、膜的安装、膜与钢结构的协同工作、预张力的施加等几大方面严格把握, 从施工准备阶段起至竣工验收的全过程进行严密控制, 相信骨架支承式膜结构工程的质量将更上一层楼。膜结构的优点也将能人们普遍了解和充分利用, 膜结构建筑将发展得更欣欣向荣。