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        上海浦東足球場屋蓋吊頂膜的深化與施工工藝研究

        2021-12-22 06:38:20陳文俊王維剛
        建筑施工 2021年9期
        關(guān)鍵詞:膜結(jié)構(gòu)吊頂環(huán)向

        楊 清 陳文俊 王維剛

        1.上海市機械施工集團有限公司 上海 200072;

        2.深圳市燁興膜結(jié)構(gòu)工程有限公司 廣東 深圳 518109

        上海浦東足球場項目是上海打造足球文化的重點項目,位于上海市浦東新區(qū)金橋鎮(zhèn),是一座滿足國際足聯(lián)A級比賽要求的專業(yè)足球場。其屋面幕墻系統(tǒng)由多種體系組成,其中屋蓋吊頂膜結(jié)構(gòu)面積逾2萬 m2,凈高30 m左右,由于上方金屬屋面已閉水,故其施工難度相當(dāng)大。

        本文主要介紹膜結(jié)構(gòu)吊頂單元式深化與施工工藝,闡明各環(huán)節(jié)中的控制要點。

        1 工程概況

        上海浦東足球場幕墻面積共88 872 m2(可視面展開面積),幕墻系統(tǒng)包括聚碳酸酯板屋面、鋁鎂錳合金板+蜂窩鋁板屋面、幻彩鋁塑板幕墻、屋蓋吊頂膜結(jié)構(gòu)、肌理板、紅色鋁塑板幕墻、玻璃幕墻、玻璃欄板等,具體組成如圖1所示。

        圖1 幕墻系統(tǒng)組成示意

        2 施工總體技術(shù)路線

        體育場鋼結(jié)構(gòu)屋蓋吊頂膜為反吊張拉膜,是體育場屋蓋的吊頂結(jié)構(gòu)??紤]到施工安全、施工效率、膜材成品保護等因素,確定屋面表皮的施工順序為先完成主體結(jié)構(gòu)頂面的金屬屋面,待金屬屋面閉水后,再進行主體結(jié)構(gòu)下面的膜結(jié)構(gòu)吊頂施工[1-5]。

        膜結(jié)構(gòu)吊頂采用單元式安裝的方式,以降低安裝難度。整個屋面膜結(jié)構(gòu)共分為276個膜單元,每個膜單元面積從50 m2到170 m2不等,膜結(jié)構(gòu)單元與主體結(jié)構(gòu)直接采用轉(zhuǎn)接件進行螺栓連接。

        3 膜單元的深化設(shè)計

        膜單元的深化設(shè)計主要考慮如下幾點:

        1)建筑效果。整個體育場的建筑效果以環(huán)向韻律為主,根據(jù)建筑設(shè)計師的要求,在膜面中間,環(huán)向要形成4道600 mm寬、150 mm深的鋁單板凹槽。另外,在大環(huán)梁處形成一個800 mm高的鋁單板階梯,一圈完整的環(huán)向凹槽要形成流暢的弧形造型,但與之對應(yīng)的主體結(jié)構(gòu)卻是不規(guī)則的折線段。應(yīng)用BIM模型技術(shù),首先根據(jù)主體鋼結(jié)構(gòu)的深化模型,對每一個環(huán)進行放線擬合,使之形成一個流暢的環(huán)向造型,然后再根據(jù)放線深化每一個凹槽的邊界。凹槽的邊界線同時也是兩側(cè)膜單元的邊界,這樣,一方面能夠確保反吊膜單元和鋁單板直接完美交接,另一方面可以利用膜單元框架作為鋁單板凹槽的主骨架(圖2、圖3)。

        圖2 BIM效果圖

        圖3 實際完成效果

        2)膜連接節(jié)點設(shè)計。在高空完成膜結(jié)構(gòu)單元和主體結(jié)構(gòu)的連接,在無固定的施工通道及施工平臺的情況下,要確保安裝快速且連接可靠,就要求節(jié)點設(shè)計必須方便安裝且能夠適應(yīng)施工誤差。為實現(xiàn)單元化的膜結(jié)構(gòu)能在高空快速安裝且質(zhì)量良好,將連接節(jié)點設(shè)計為三維可調(diào),從而大大提高了安裝效率和質(zhì)量。圖4即為典型節(jié)點,確保節(jié)點在x、y、z三個方向上都有±50 mm的調(diào)節(jié)量,以便能很好地適應(yīng)施工誤差,降低高空連接固定時的難度。為了解決因開長條形孔所帶來的連接螺栓摩擦面減小的問題,在每個長條形孔的位置增加6 mm厚的鋼墊板,以增加螺栓連接的摩擦面,增加節(jié)點連接的可靠度。

        圖4 連接節(jié)點

        3)單元框架的設(shè)計。要形成276個獨立的單元,每個單元的框架設(shè)計是一個關(guān)鍵問題。既要能保證框架有很好的剛度,又要嚴(yán)格控制質(zhì)量,以確??傎|(zhì)量不超過15 kg/m2。經(jīng)過反復(fù)的計算對框架單元進行分類,并根據(jù)不同的類型對框架進行優(yōu)化,設(shè)置不同的掛點(圖5、圖6)。

        圖5 8個掛點單元

        圖6 12個掛點單元

        4)特殊位置節(jié)點處理。主結(jié)構(gòu)的V字柱以及結(jié)構(gòu)索會穿過膜面,通過深化確保這些過渡節(jié)點既美觀,又安全可靠(圖7、圖8)。

        圖7 特殊位置節(jié)點處理

        圖8 實際完成效果

        4 膜單元深化及施工相關(guān)試驗

        1)節(jié)點抗拉試驗。為檢驗節(jié)點的抗拉能力及可靠性,通過制作試驗?zāi)P?,對三維可調(diào)節(jié)點進行了抗拉試驗。根據(jù)結(jié)構(gòu)計算,荷載組合下,最大支座反力為32.8 kN。所以,抗拉試驗分別設(shè)置拉力32.8、49.2、65.6 kN進行拉力測試,即用最大支座反力的1倍、1.5倍、2倍的力進行抗拉試驗,以檢驗創(chuàng)新節(jié)點的抗拉性能。經(jīng)過第1次的試驗,發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)接件有輕微的變形,于是對轉(zhuǎn)接件進行改進,增加加勁板。然后進行第2次試驗,試驗結(jié)果顯示,抗滑移、抗變形均無問題(圖9、圖10)。

        圖9 第1次試驗

        圖10 第2次試驗

        2)提升設(shè)備試驗。要把地面上組裝好的膜結(jié)構(gòu)單元順利送至安裝界面,需要進行垂直提升。由于頂面的金屬屋面已經(jīng)閉水,傳統(tǒng)的吊車吊機等起吊設(shè)備無法將膜單元完全送至安裝位置。為解決這一問題,設(shè)計并制作專門的提升設(shè)備。提升設(shè)備(圖11)由主桁架、提升機(2臺)組成。其中提升機包括控制器、傾角傳感器、交流接觸器及提升器(包括提升平臺、提升裝置、安全鎖、工作鋼絲繩、安全鋼絲繩、電氣箱及電氣控制系統(tǒng))。設(shè)備制作完成后,進行一系列的試驗。先進行空載運行,試驗全系統(tǒng)的安全性、可靠性。然后進行負(fù)重試驗,驗證提升設(shè)備的載重能力及在載重狀態(tài)下的運行情況。經(jīng)過上述2個階段的試驗后,再進行運送鋼結(jié)構(gòu)框架到達(dá)指定位置的試驗,以驗收提升設(shè)備的運輸能力、效率及可靠性。

        圖11 提升設(shè)備

        3)樣品單元試裝。為對深化設(shè)計、全流程的施工工藝以及提升設(shè)備等進行實戰(zhàn)化的檢驗,大面積安裝前,進行樣品試裝試驗。首先對一個獨立單元進行試裝,檢驗深化設(shè)計和施工全流程工藝的可靠性。然后將環(huán)向相鄰的2個單元試裝,以檢驗2個單元拼合的效果(圖12、圖13)。

        圖12 單獨單元試裝

        圖13 相鄰單元試裝

        5 膜單元施工工藝研究

        1)膜面預(yù)張力施加與膜面變形控制。鋼結(jié)構(gòu)框架具有一定的彈性,在受力狀態(tài)下,容易產(chǎn)生變形。上海浦東足球場對框架的精度要求很高,尤其是徑向。為形成徑向密拼的效果,兩邊的框架邊緣必須為一條直線,如果誤差稍大,即會嚴(yán)重影響密拼效果。膜安裝過程中,隨著膜面預(yù)張力的施加,對框架的反作用力也在增加,框架變形的風(fēng)險也在增加。如何控制預(yù)張力施加的水平,以及施加預(yù)張力的方法,是控制框架變形量的關(guān)鍵方法。經(jīng)過反復(fù)試驗,最終確定徑向優(yōu)先的張拉方式,即四周施加預(yù)張力時徑向先加力,確保徑向先張拉到位,然后再在環(huán)向方向加力。這樣,最終四周的預(yù)張力均到達(dá)設(shè)計值3 kN/m,但是徑向的變形能降到最低,環(huán)向的變形略大。但環(huán)向的變形誤差也能控制在15 mm之內(nèi),這樣的誤差是可以被后面的鋁單板包邊所掩蓋和吸收的。

        2)尺寸精度控制。屋面膜結(jié)構(gòu)共分為276個膜單元,每單元尺寸各不相同,276個單元分為6環(huán),每個環(huán)由46個單元組成。如果尺寸和定位精度沒有得到很好的控制,環(huán)向合攏時勢必會受到影響,這可能會嚴(yán)重影響建筑效果,或者導(dǎo)致大面積的返工。所以,這不僅要求在鋼結(jié)構(gòu)尺寸和膜裁剪及加工的過程中,對尺寸的控制都需要很精準(zhǔn),還需要使用精密的測量設(shè)備輔助施工。為了確保精度,進行全過程的精準(zhǔn)三維測量,并實時把測量數(shù)據(jù)發(fā)回設(shè)計部,設(shè)計部根據(jù)測量數(shù)據(jù)及時分析誤差情況并對后道工序進行調(diào)整。其中,測量主要分三個階段:一是主體結(jié)構(gòu)上的錨節(jié)點測量,用于框架的加工出圖;二是膜張拉完成后的測量,分析單元變形是否在可控范圍之內(nèi);三是膜單元安裝就位后。分析安裝是否到達(dá)預(yù)定位置,若出現(xiàn)偏差,須在后面的單元中及時進行尺寸調(diào)整,確保誤差不要累積,以避免后面產(chǎn)生嚴(yán)重后果。

        6 結(jié)語

        通過屋蓋吊頂膜結(jié)構(gòu)在上海浦東足球場項目中的順利實施,得到以下結(jié)論:

        1)單元式反吊膜具有自重輕、安裝快速等特點,對主體結(jié)構(gòu)的影響小,比較適用于大面積室外吊頂結(jié)構(gòu)應(yīng)用。

        2)單元式反吊膜的深化設(shè)計過程需要應(yīng)用BIM技術(shù)來精確控制出圖數(shù)據(jù),安裝過程中需要高精度測量儀器全程跟進并把控施工精度。

        3)單元式反吊膜采用定制智能提升設(shè)備來進行垂直運輸,能更好地實現(xiàn)膜單元的高空安裝。

        4)施工工藝的優(yōu)化是確保施工效率的關(guān)鍵。

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