國(guó)家體育場(chǎng)pfe膜結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)與施工技術(shù)

國(guó)家體育場(chǎng)pfe膜結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)與施工技術(shù)

1ptfe膜結(jié)構(gòu)的施工技術(shù)難點(diǎn)國(guó)家體育中心的ptf膜結(jié)構(gòu)為下涂層。下涂層噪聲收集膜、下涂層聲波吸收膜、參考肩胛架屏蔽膜和圓形防水膜由1068個(gè)膜單元組成，總覆蓋率約5.33萬(wàn)米（圖1）。PTFE膜結(jié)構(gòu)主要起到吸聲和吊頂裝飾的作用,保證整個(gè)鳥(niǎo)巢看臺(tái)空間的音響和裝飾效果。PTFE膜材厚度為350μm,吸聲率70%以上,透光率30%以上,防火等級(jí)B1級(jí),使用壽命25年以上,具有高透光性、高強(qiáng)度、耐久性、防火性、耐腐蝕性、抗紫外線、自潔性等特點(diǎn)。對(duì)于聲學(xué)吊頂膜結(jié)構(gòu)(圖2),設(shè)計(jì)提出明確要求:聲學(xué)吊頂分塊與屋面ETFE膜結(jié)構(gòu)板塊投影幾何形狀相同,板塊之間保持100mm的間隔。要求PTFE膜的張力不在不同的板塊之間傳遞,也不對(duì)主桁架下弦桿件傳遞膜的張力和撐桿的軸向力。此外,下弦聲學(xué)吊頂還有18個(gè)需要為場(chǎng)地照明的燈光開(kāi)口,其設(shè)計(jì)難度多大可想而知。而且,聲學(xué)吊頂結(jié)構(gòu)大量采用了非軸心對(duì)稱空心圓鋼管的相貫焊接節(jié)點(diǎn),這些相貫節(jié)點(diǎn)既承受軸向力,又承受平面內(nèi)和平面外的彎矩。而現(xiàn)行國(guó)內(nèi)外《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50017-2003)關(guān)于相貫節(jié)點(diǎn)的承載力設(shè)計(jì)值計(jì)算公式均是基于軸心對(duì)稱結(jié)構(gòu)的,這給PTFE膜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)帶來(lái)了巨大的困難。對(duì)于看臺(tái)屏風(fēng)膜(圖3),主體鋼結(jié)構(gòu)和主體土建結(jié)構(gòu)是完全脫離的兩個(gè)獨(dú)立的結(jié)構(gòu)體系,而建筑師卻要求看臺(tái)屏風(fēng)膜以光滑的曲面從下弦聲學(xué)吊頂過(guò)渡到土建看臺(tái),不能有明顯的分界。這就要求PTFE膜結(jié)構(gòu)系統(tǒng)既要滿足主體鋼結(jié)構(gòu)在各種荷載下(主要是溫度荷載)的變形要求,又不能設(shè)置有明顯的變形縫,而看臺(tái)屏風(fēng)膜的形狀又是千差萬(wàn)別,毫無(wú)規(guī)律可循,其優(yōu)化難度可想而知。總之,PTFE膜結(jié)構(gòu)形狀異型、受力復(fù)雜,國(guó)內(nèi)外承包商均無(wú)成熟的施工經(jīng)驗(yàn)可借鑒,而且,由于膜結(jié)構(gòu)體系屬于較新的結(jié)構(gòu)體系和施工工藝,國(guó)內(nèi)外均無(wú)施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)可以引用。另外,設(shè)計(jì)院的膜結(jié)構(gòu)施工圖僅為建筑方案,對(duì)其施工質(zhì)量均無(wú)明確要求。因此,如何對(duì)原設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化、采取何種施工工藝才能保證ETFE膜結(jié)構(gòu)施工的順利進(jìn)行、以及如何對(duì)其施工質(zhì)量進(jìn)行驗(yàn)收等關(guān)鍵問(wèn)題成為制約膜結(jié)構(gòu)施工的關(guān)鍵性技術(shù)難題。鑒于上述情況,本文主要從總體方案深化設(shè)計(jì)、施工工藝等方面進(jìn)行研究。2深化設(shè)計(jì)的可行性根據(jù)PTFE膜結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),按照部位選取典型板塊,分別從支座反力、膜材應(yīng)力分布和板塊間相對(duì)位移控制等方面進(jìn)行了研究,根據(jù)研究結(jié)果來(lái)確定深化設(shè)計(jì)方案的可行性。圖4為典型板塊一在不同荷載工況下的應(yīng)力分布,其他板塊應(yīng)力分布與此類似,不再贅述。另外,根據(jù)分析結(jié)果可知,各區(qū)塊支點(diǎn)反力、膜材力學(xué)性能和水平相對(duì)位移等均滿足設(shè)計(jì)師的有關(guān)要求。因此,該深化設(shè)計(jì)方案可應(yīng)用于國(guó)家體育場(chǎng)PTFE膜結(jié)構(gòu)工程。3安裝關(guān)鍵工藝PTFE膜結(jié)構(gòu)安裝主要分膜附屬鋼結(jié)構(gòu)安裝和膜塊安裝。3.1安裝步驟聲學(xué)吊頂膜附屬鋼結(jié)構(gòu)安裝先在地面拼裝成整體,然后采用起重機(jī)由體育場(chǎng)內(nèi)環(huán)吊至周圈看臺(tái)的操作平臺(tái)上,最后再通過(guò)卷?yè)P(yáng)機(jī)在空中接力將膜附屬鋼結(jié)構(gòu)拼裝單元吊至安裝位置,其主要安裝步驟如圖5～9所示?？磁_(tái)屏風(fēng)膜附屬鋼結(jié)構(gòu)采用散裝法安裝,其安裝順序?yàn)?邊緣構(gòu)件→撐桿→小撐桿。邊緣構(gòu)件和撐桿分段進(jìn)場(chǎng),在地面上接長(zhǎng)后,整根吊裝就位。待邊緣構(gòu)件和撐桿組成一個(gè)框架受力體系后,再進(jìn)行小撐桿的安裝(圖10),其安裝防護(hù)如圖11所示。3.2膜單元張拉膜單元安裝采用流水作業(yè),實(shí)行定崗、定責(zé)、定人、定質(zhì)責(zé)任制,每組完成各自固定安裝內(nèi)容。膜單元安裝前,應(yīng)在距主鋼構(gòu)上下桁架支撐桿1.2m處鋪設(shè)工作人員高空行走安全繩,在距每個(gè)膜附屬鋼結(jié)構(gòu)框架吊桿1.2m處鋪設(shè)人員行走安全繩(覫12無(wú)油鋼絲繩或覫20尼龍繩)。并用竹梯沿膜單元膜附屬鋼結(jié)構(gòu)框架四周鋪設(shè),將木板或竹梯在搭接處捆扎。(1)地面展膜。膜單元成品在地面展開(kāi)檢查前,應(yīng)清理清水混凝土看臺(tái)雜物并鋪設(shè)擦洗清潔的保護(hù)膜。然后將膜單元展開(kāi),展開(kāi)的各邊與上面的膜附屬鋼結(jié)構(gòu)基本吻合;展開(kāi)過(guò)程中,注意保護(hù)膜面,防止膜面污染;膜單元完全展開(kāi)后,檢查膜單元周邊尺寸、搭接、開(kāi)孔位置、熱合縫是否符合設(shè)計(jì)要求,膜面有無(wú)破損、瑕疵或污染并做好記錄,待全部合格后進(jìn)入預(yù)張拉工序。(2)膜單元預(yù)張拉。由于每個(gè)膜單元各邊都有設(shè)計(jì)補(bǔ)償值和熱合收縮量,膜單元地面展開(kāi)且檢查合格后,對(duì)膜單元周邊尺寸進(jìn)行預(yù)張拉(圖12)。(3)安裝膜單元。沿膜單元膜附屬鋼結(jié)構(gòu)框架四周每5～7m設(shè)一個(gè)提升吊點(diǎn),吊點(diǎn)繩扣采用尼龍帶,通過(guò)滑輪將繩放至地面(圖13)。(4)膜單元張拉。1)預(yù)應(yīng)力施加順序:先邊角,后中部;先短邊,后長(zhǎng)邊,對(duì)稱張拉。2)控制方法:位移控制為主,力值控制為輔。第一次位移量為設(shè)計(jì)位移量的50%,第二次位移量為設(shè)計(jì)位移量的30%,第三次位移量為設(shè)計(jì)位移量的20%,位移允許偏差為10%;用專用測(cè)力儀對(duì)張拉完成的膜單元代表性的施力點(diǎn)進(jìn)行力值抽檢,力值允許偏差為10%。4驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)制訂為加強(qiáng)國(guó)家體育場(chǎng)膜結(jié)構(gòu)工程的質(zhì)量管理、統(tǒng)一膜結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量的驗(yàn)收、保證膜結(jié)構(gòu)工程質(zhì)量,根據(jù)相關(guān)規(guī)范、規(guī)程和標(biāo)準(zhǔn),并采用國(guó)內(nèi)外最新的科研成果,總結(jié)制訂出《國(guó)家體育場(chǎng)PTFE膜結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)》。該標(biāo)準(zhǔn)以《膜結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(CECS1582004)為基礎(chǔ),以設(shè)計(jì)要求為準(zhǔn)則,參照現(xiàn)行有關(guān)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)程,結(jié)合膜結(jié)構(gòu)分包單位的施工經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行編寫。共分8章、7個(gè)附錄,編制過(guò)程中區(qū)分主控項(xiàng)目和一般項(xiàng)目;其中,主控項(xiàng)目46條,一般項(xiàng)目29條;并于2006年5月通過(guò)北京市建委審查、鑒定及備案工作。5施工過(guò)程的圖像圖14