不规则膜结构在建筑工程中的应用

张玉东

（晋能控股煤业集团忻州窑矿，山西 大同 037021）

作为一种高强度的柔性薄膜材料与辅助结构的曲面膜，其通过一定的施工手段促使其内部产生一定的预张应力，形成了在应力控制下的某种空间形状，以此形成覆盖结构或者是建筑物的主体部分。这种结构自身所具备的刚度完全能够抵抗外部荷载作用力。以往纯直线的建筑风格模式被膜结构所打破，并且这种曲面能够随着设计的需求适当调整，提升建筑工程的美观性与标志性。现阶段我国通常使用半透明薄膜或者是透明的膜材，自然在色彩上稍显不足，建筑物富有动感的造型以及生动形象的色彩难以充分的展现出来。本文以实际建筑工程为例，对大型彩色不规则曲面膜结构施工技术做出分析，以望参考。

1 工程概况

某建筑工程结构形式采用膜结构进行施工，外观形同一个彩色的蝴蝶，其膜结构展开的整体面积7000m2，整体成33个膜单元，最大的膜单元面积超过310m2。最大的悬梁挑约52m。整体屋面采用索网强膜结构系统，系统整体由钢结构骨架、膜以及索网组成，整体蝴蝶型的动感与颜色呈现更加完美。

2 工程技术难点

为了充分保障建筑整体蝴蝶形状的色彩以及色彩效果的更加的形象与生动，因此建筑整体设计为6种不同的膜材与颜色。这种设计方式在整个建筑业界还属于第一次。不同的颜色膜材之间的搭接为曲线模式，并且不在索网或者是钢结构的边界上。但是这种设计方式会导致整体的施工难度加大，若在施工的过程中出现任何的偏差都会造成价格昂贵及材料损耗的情况发生。

工程钢索整体贯穿于膜的索套中，而索套的净空相对较小，每榀钢桁架上的索及膜钢构件均与相邻桁架钢构件有准确的对应关系，稍有偏差钢索即会偏离于索套之外。

该工程的膜材展开整体面积多达7000m2，分为33个膜单元，单元膜面积最大的310m2。在进行施工的过程中需要进行高空作业，因此有较高的操作难度，风险相对较高。并且，在施工的过程中若出现风雨天气，还需要重新的设计施工方案。

3 膜结构深化设计

3.1 膜单元的分割

在开展实际施工的过程中需要在高空开展整体膜结构，但是由于建筑整体的展开面积相对较大，因此施工难度较大。因此，需要参照膜结构的形状以及颜色进行区域的分割，整体结构被分割成若干个单元。随后，按照形状以及颜色等变化进行分割后膜单元的安装，以此能够保障施工连接的准确性，设计目标得以充分实现。

3.2 节点优化设计

若按照传统的优化方式进行设计则会出现一些问题：首先是在按索间距布置在钢索后结节中的螺旋杆锁头必然会出现十分明显的碰撞[1]；其次，是单元膜边界并不能调节，安装过程中存在的误差难以消除。

优化节点的设计之后，钢索采用双叉耳索头的方式进行设计，传统设计过程中钢索索头出现碰撞的问题能够得到有效的避免；同时膜边界采用张拉螺杆的方式进行设置，促使传统安装施工过程中存在的误差能够得到有效的缩减与调整，安装效率必然得到充分的提升。

3.3 膜单元剪裁设计

针对工程进行分析可知，膜结构通常情况下都是三维不可拓展空间曲面，通过针对二维材料的焊接以及剪裁、张拉形成所需的三维空间曲面[2]。膜单元可以根据结构的形状以及颜色变化剪裁得更加标准，如图1所示。

图1 径向桁架上弦有索处膜节点示意

4 膜深化钢构件制作与安装

4.1 膜深化钢构件制作

建筑钢构件需要在工厂内进行加工，主要用于主桁架上与钢索连接的耳板，同时还包括与膜连接的方钢等钢组件。在进行加工制作的过程中为了能够充分保障钢组件的制作精度以及制作质量，选择使用数控机床进行加工，并且在加工之前还需要以不同的规格为参照对钢结构的表面处理并喷底漆，随后分规格进行堆放。

参照工程设计标准，还需要对钢材料进行防腐处理，在处理的过程中还应当确保防腐手段能够符合环保设计要求，确保工艺标准以及厂家的操作工艺标准严格执行。

施工部门应当及时清理钢结构表面的污物以及灰尘。在安装之前，不能对螺栓、摩擦接触面和需要焊接的部位两侧100mm范围内进行涂漆，但是需要涂刷环氧富锌底漆，确保在开展整体施工的过程中不会影响焊接的防锈处理，在整个安装完成之后需要进行补漆处理。

4.2 膜深化钢构件的安装

①在整体主钢构件安装完成之后，需要复核主体钢结构的坐标；②对主体钢结构坐标的误差进行复核之后需要进行膜深化构件的安装。在此过程中，需要使用Tekla软件，在建立三维空间模型的过程中借助三维坐标点进行设计。由于该工程特点以及工程现场的实际情况，在工厂加工的过程中就进行了第一遍的涂漆，当整体构件运往施工现场的位置之后进行拼装，在完成整体的拼装之后还需要检查工程的施工质量；③膜深化钢构件节点的各个部件在施工之前还需要标记编号，效验完成之后需要将标高、中心线等进行标注，若情况需要还应当设置临时的支撑件；④以Tekla模型的坐标点对膜深化钢构件进行定位，内环的可以被预设为地点的位置，随后还需要以电焊的方式进行固定，对整体的拼装施工进行检查之后方可进行下一步的焊接与安装；⑤对主体钢结构与膜有关系的部分进行测量，以设计数据以及测量结果为参照，深入对比其是否在允许的误差范围中，若超出误差范围则应当适当整改钢结构。膜深化钢构件安装完成之后形成建筑工程的各个单元。同时还需要对膜单元空间尺寸进行及时的测量之后在进行设计与裁剪。

4.3 钢索及膜结构安装

以施工设计方案为准，在展开的膜单元区域进行施工，单元膜安装完成之后将吊装带拆除，并让吊装带运往其他的区域进行使用。

为了保障膜在空中展开后至拉结前的时间得到有效的缩减，还应当提前在安装部位运输钢索和各个附件，对钢索的长度以及规格进行严格的检查，若钢索的长度不一则应当按照标号进行布置。随后使用汽车起重机将膜单元整体吊装至安装区域的边梁位置。

在开展安装施工的过程中还应当先沿长向从边梁至内环梁展开施工，随后再按照短向开展膜单元的施工。在安装之后还需要在一定的距离内设置防风绳，若膜单元的面积较大则应当用卷扬机牵引展开。

同时，施工人员需要将钢索的一头穿入到索套中，随后再从另一端穿出，与钢构件耳板和两端索头进行连接。待施工完成之后调节钢索，甚至可以适当调节之后张紧钢索。

随后需要将铝金夹具与膜进行连接，随后通过张拉螺杆的方式拉结钢结构的方钢，对膜进行调节。由于膜的拉张力相对较低，膜面的受力都会通过钢索传递到主结构，因此在进行施工的过程中对膜的张拉力需要控制在适当的范围。此外，在安装的过程中安装人员应当在位置连接膜单元支撑索头与钢结构的耳板，确保模板的对称安装张拉到位。

在完成膜单元张拉完成之后，需要按照设计图纸对盖口进行安装，还需要通过人力的方式进行提升。现场需要配置小型热合机焊接，在完成之后还需要做淋水实验，充分保障结构有着良好的防水性。膜单元安装并张拉完成后，施工人员站在膜单元平面上安装盖口膜；盖口膜安装完成后，施工人员即可站在安装完成的膜单元两侧进行盖口的热合施工。

5 结语

总而言之，作为一种全新的建筑施工方式，大型彩色不规则曲面膜结构施工技术能够最大程度节省传统施工过程中出现的材料浪费以及无效劳动的现象，施工功效也能够得到充分的提升。应用该技术需要在工厂进行膜片的钢结构、钢索以及裁剪等工序的制作，保障现场施工时间得到充分的缩减，能够同时进行下部钢筋混凝土结构或者是构件的施工，有效地避免较差作业的情况出现。在现场进行施工的过程中仅仅需要进行钢索、膜片以及钢结构等环节的安装等，施工十分简便，其能够有效缩短工期，经济效益显著。