國家速滑館雙曲面膜結構施工技術*

王自偉，李久林，張 明，高樹棟，趙 偉，朱富力，周雷蕾，馬偉國

(1.北京城建集團有限責任公司，北京 100088； 2.中國礦業大學，北京 100083)

1 工程概況

國家速滑館位于北京市林萃路和奧林西路之間，奧林匹克公園西側，國家網球中心南側，是2022年冬奧會北京賽區新建的標志性場館。冬奧會期間，國家速滑館將承擔速度滑冰項目比賽和訓練功能。其具有獨特的雙曲馬鞍形屋面，標高為15.800～33.800m。屋蓋結構體系為馬鞍形單層索網結構，索網外圍為環形鋼桁架結構。

膜結構是一種預應力空間整體結構，自重小，適合用于大跨度建筑，并且可充分利用自然光，節能環保。此外，膜結構還具有造價相對低廉、施工速度快、結構抗震性能好、自潔能力強、適用范圍廣的優點。因此，國家速滑館采用雙曲面膜結構作為屋蓋主結構體系的室內裝飾系統。膜結構工程分為3個部分：第1部分為觀眾休息廳玻纖膜幕墻系統，位于觀眾休息廳上部環形鋼桁架外側下方，膜表面積約3 925m2；第2部分為比賽大廳玻纖膜幕墻系統，位于比賽大廳上部鋼桁架內側下方，膜表面積約6 262m2；第3部分為比賽大廳低輻射鏡面吸聲膜吊頂系統，位于比賽大廳上方主索網體系下方，膜表面積約21 644m2。國家速滑館屋面索網結構如圖1所示。

圖1 國家速滑館屋面索網結構

2 工程特點及難點

1)膜是一種新型建筑材料，既輕又薄，自身基本無剛度。膜結構形狀由設計的膜面曲率及預張力來實現。國家速滑館膜結構由膜附屬鋼結構與索網、環桁架鋼結構相連接形成張拉整體結構，目前膜結構普遍呈規則形狀，類似馬鞍面狀的大型膜系統乃是國內首創。呈空間曲面形狀的膜結構要由平面膜材通過拼接組合形成，對膜材裁剪精度要求非常高。并且膜材力學性質各向異性，不是理想的線彈性體，這對預應力設計和施工質量提出極高的要求。

2)速滑館膜單元面積大、膜塊多，膜周邊需熱合加強的位置較多，熱合工作需多人操作完成，加工工時長。由于膜材具有易劃傷、易污染的特點，為確保從原料至成品的加工過程不發生損傷膜材的情況，工作現場必須干凈整潔，在施工過程中需要考慮的因素較多，大大提高了施工難度。

3)膜結構安裝時正值北京隆冬季節，室外氣溫很低，而膜的安裝、張拉過程受溫度影響較大。相關試驗和工程實例均表明，氣溫過低會導致膜材硬化、易撕裂，無法張拉至設計位置。因此，要將膜在封閉保溫的室內預張拉，張拉后在膜單元包裝時還要增加保溫材料(如棉被等)，然后再運至現場安裝。

3 施工技術

雖然膜材具有強度大、使用年限長、易造型等優點，但又易劃傷、易污染，施工過程控制尤為重要。膜單元安裝前，膜面上方保溫材料、屋面材料應安裝完成并驗收合格，膜結構上方焊接、切割施工需全部完成，嚴禁在完成的膜單元上方進行電氣焊和氣割，避免膜結構受熱破壞。不得在膜結構、膜材上增加荷載，以防構件和膜材發生變形或破斷，影響結構安全。膜結構上不得使用鋼絲安全繩及帶尖銳物品的安全設施。在膜單元施工及其他工作中，上膜面應采取必要的安全措施，需穿戴軟底無釘的鞋，同時需避免金屬物體及其他尖硬物體劃傷膜面。

3.1 吸聲膜安裝

速滑館膜結構低輻射鏡面吸聲膜系統共約49個膜單元，最大膜單元面積約為520m2，膜單元及附件重約1.1t。由于吸聲膜系統較重且單元面積大，在地面展開、組裝，利用人力提升吊裝到位后安裝?？紤]到整體工期的需要及膜安裝的行走，操作平臺采用無腳手架方案，在膜框架上掛設安全網、鋪設走道板作為操作平臺，此方法具有對其他專業影響小、費用低、高效安全的優點。使用主體鋼結構安裝的鋼樓梯及馬道，作為施工上下通道；在施工區域鋼結構上沿周圈拉設尼龍繩作為安裝時的安全施工行走路線(見圖2)。

圖2 吸聲膜安裝行走路線

單元膜片四周邊界分別與膜附屬鋼結構及配套鋁合金夾具進行連接，形成整體張拉結構。吸聲膜安裝步驟如下。

1)安裝前準備

首先進行場地清理和保護膜鋪設，防止地面銳角硬物劃傷和污染膜單元。采用人工方式轉運膜單元，并檢查清理膜單元與膜構件接觸的表面，將殘留的飛濺物、尖角清除并打磨光滑。按工藝流程將膜單元展開，檢查膜單元周邊尺寸、搭接、開孔位置、熱合縫是否符合設計要求，膜面有無破損、瑕疵、污染，并做好記錄。在膜單元地面展開并檢查合格后，組裝膜單元四周鋁合金夾具，相鄰鋁合金夾具須采用工裝連接并固定牢靠，每隔4m安裝臨時吊裝工裝，便于膜吊裝。

2)膜單元吊裝及臨時固定

沿膜單元膜附屬框架四周每4m設1個提升吊點，吊點繩扣采用尼龍繩。將滑輪每隔4m用尼龍吊帶掛設在膜附屬框架上，吊繩通過滑輪下放至地面并與膜單元吊裝工裝連接。開始提升，距地面0.5m時暫停，檢查各吊裝位置牢固性及清潔膜單元后再緩慢提升，將膜單元整體吊裝至安裝位置。膜單元吊裝到位后，將膜夾具、專用膜工裝、螺栓與膜單元連接部位組裝，組裝完成后用工裝夾板與膜邊界臨時拉結，如圖3所示。

圖3 吸聲膜單元臨時固定

3)膜單元安裝及張拉

安裝人員在各自位置上，將膜單元定位點與膜附屬框架的邊界對正，再將膜單元拉至安裝位置。先將短邊對稱安裝張拉到位，并由中部向兩邊依次安裝膜附件及螺栓，最后安裝長邊邊界處膜附件和螺栓并張拉完成。依次進行其他膜單元安裝。

膜安裝短邊螺栓時，經過擰緊螺栓壓平鋁合金夾具逐步將膜單元張拉平整。低輻射鏡面吸聲膜單元安裝張拉時，從長邊的中心點開始逐步向兩端安裝和張拉，螺栓擰緊、膜片平整后即張拉安裝到位，膜單元張拉順序如圖4所示。張拉時采用位移控制方法：第1次位移量為設計位置量的50%，第2次位移量為設計位置量的30%，第3次位移量為設計位置量的20%，位移允許偏差為±10%。膜單元張拉完成后，膜面單元平整、受力均勻，膜邊鋁合金夾具與繃膜板連接平整密實，螺栓垂直于繃膜板并擰緊。用專用測力儀對張拉完成的膜單元有代表性的施力點進行力值抽檢，徑向、緯向強度均≥1 600N，力值允許偏差為±15%。根據環境溫度變化，每次張拉間隔12～24h，第2，3次施加預應力時，各工作點位施工人員隨時觀察膜面張緊度，若有應力集中的情況應及時調整，避免膜面破壞。依次完成其他膜單元張拉施工。

圖4 吸聲膜單元張拉順序

4)吸聲材料安裝

吸聲玻璃絲棉在工廠加工成塊狀，檢驗合格后運至現場。每塊吸聲玻璃絲棉重約10kg。施工人員利用滑輪及吊繩將吸聲玻璃絲棉吊裝至馬道上并臨時堆放，在操作平臺上將吸聲玻璃絲棉支撐鋼絲繩網安裝在膜單元上方并拉結完成。利用人力將吸聲玻璃絲棉運送至安裝位置。施工人員以做好保護的膜面為施工平臺將吸聲玻璃絲棉組裝成單元板塊，安裝吸聲玻璃絲棉四周邊界并固定牢固，拉結玻璃絲棉上鋼絲繩并固定。吸聲材料安裝如圖5所示。

圖5 吸聲材料安裝示意

3.2 玻纖膜安裝

國家速滑館玻纖膜系統分為比賽大廳和休息大廳。比賽大廳玻纖膜系統共約160個膜單元，最大膜單元面積約為55m2，膜單元及附件重約80kg；休息大廳玻纖膜系統共約120個膜單元，最大膜單元面積約為50m2，膜單元及附件重約60kg。2個玻纖膜系統膜面積及質量均較小，在地面展開、組裝，利用人力吊裝到位后安裝。操作平臺搭建與安裝吸聲膜類似，行走路線如圖6所示。

圖6 玻纖膜安裝行走路線

單元膜片四周邊界分別與膜附屬鋼結構及配套鋁合金夾具進行連接，形成整體張拉結構。玻纖膜安裝前期步驟基本與吸聲膜類似。玻纖膜安裝如圖7所示。

圖7 玻纖膜安裝示意

玻纖膜單元張拉順序同吸聲膜。玻纖膜單元采用位移控制方法，力值抽檢，張拉間隔均與吸聲膜一致。

3.3 冬期施工措施

本工程膜塊較多，膜邊安裝長度較長，現場耗時多。施工為冬季，氣溫很低，膜材在低溫下會變脆、變硬，給現場施工和張拉等帶來極大難度。除了采取膜材在車間預張拉等措施外，現場施工時也要采取一定措施，以提高施工進度、保證膜材安全。

1)膜單元地面組裝需增加人工，保證膜組裝在較短時間內完成，以避免膜材受冷后變得過硬。

2)膜單元提升過程中加強保護，提升設備及提升過程中所有與膜面接觸的堅硬物體需使用廢膜包好，避免硌傷、劃傷膜面。

3)膜安裝過程中增加安裝工裝、張拉設施及安裝工人，以保證膜單元張拉到位。

4)如溫度過低，在膜單元組裝和張拉過程中，還要增加保溫措施，如在地面組裝時，組裝位置地面鋪設保溫棉，在張拉過程中，膜面利用保溫棉、棉被等覆蓋。

5)由于冬季北京地區風力一般較大，規范規定四級以上風力禁止吊裝，為保證施工進度，現場施工時需增加一定的防風措施，如在吊裝過程中增加吊裝設備、纜風繩、防護工人等。必要時，需在施工吊裝區域利用彩條布搭設避風圍擋，一方面可以降低風力，提高施工安全性；另一方面，還可以起到保溫作用，有利于膜張拉到位。

4 結語

1)合理設計安全高效的膜結構安裝操作平臺和行走路線。

2)通過設置主體鋼結構、膜鋼結構框架、膜結構連接件和連接架，對張拉膜本體進行有效支撐，最大限度地發揮了材料力學性能，形成了獨特的雙曲面馬鞍形結構，解決了傳統張拉膜系統結構不能滿足場館性能要求的問題。

3)采取先搭接框架再鋪設膜體的方式有利于快速施工，通過設置吸聲材料，減少了外部噪聲污染。

4)針對冬期施工的環境條件，提出在車間進行預張拉，提高施工速度，膜單元組裝張拉過程中采取保溫、現場防風等措施，最大限度地保證了膜結構施工質量。