国家速滑馆双曲面膜结构施工技术*

王自伟，李久林，张 明，高树栋，赵 伟，朱富力，周雷蕾，马伟国

(1.北京城建集团有限责任公司，北京 100088； 2.中国矿业大学，北京 100083)

1 工程概况

国家速滑馆位于北京市林萃路和奥林西路之间，奥林匹克公园西侧，国家网球中心南侧，是2022年冬奥会北京赛区新建的标志性场馆。冬奥会期间，国家速滑馆将承担速度滑冰项目比赛和训练功能。其具有独特的双曲马鞍形屋面，标高为15.800～33.800m。屋盖结构体系为马鞍形单层索网结构，索网外围为环形钢桁架结构。

膜结构是一种预应力空间整体结构，自重小，适合用于大跨度建筑，并且可充分利用自然光，节能环保。此外，膜结构还具有造价相对低廉、施工速度快、结构抗震性能好、自洁能力强、适用范围广的优点。因此，国家速滑馆采用双曲面膜结构作为屋盖主结构体系的室内装饰系统。膜结构工程分为3个部分：第1部分为观众休息厅玻纤膜幕墙系统，位于观众休息厅上部环形钢桁架外侧下方，膜表面积约3 925m2；第2部分为比赛大厅玻纤膜幕墙系统，位于比赛大厅上部钢桁架内侧下方，膜表面积约6 262m2；第3部分为比赛大厅低辐射镜面吸声膜吊顶系统，位于比赛大厅上方主索网体系下方，膜表面积约21 644m2。国家速滑馆屋面索网结构如图1所示。

图1 国家速滑馆屋面索网结构

2 工程特点及难点

1)膜是一种新型建筑材料，既轻又薄，自身基本无刚度。膜结构形状由设计的膜面曲率及预张力来实现。国家速滑馆膜结构由膜附属钢结构与索网、环桁架钢结构相连接形成张拉整体结构，目前膜结构普遍呈规则形状，类似马鞍面状的大型膜系统乃是国内首创。呈空间曲面形状的膜结构要由平面膜材通过拼接组合形成，对膜材裁剪精度要求非常高。并且膜材力学性质各向异性，不是理想的线弹性体，这对预应力设计和施工质量提出极高的要求。

2)速滑馆膜单元面积大、膜块多，膜周边需热合加强的位置较多，热合工作需多人操作完成，加工工时长。由于膜材具有易划伤、易污染的特点，为确保从原料至成品的加工过程不发生损伤膜材的情况，工作现场必须干净整洁，在施工过程中需要考虑的因素较多，大大提高了施工难度。

3)膜结构安装时正值北京隆冬季节，室外气温很低，而膜的安装、张拉过程受温度影响较大。相关试验和工程实例均表明，气温过低会导致膜材硬化、易撕裂，无法张拉至设计位置。因此，要将膜在封闭保温的室内预张拉，张拉后在膜单元包装时还要增加保温材料(如棉被等)，然后再运至现场安装。

3 施工技术

虽然膜材具有强度大、使用年限长、易造型等优点，但又易划伤、易污染，施工过程控制尤为重要。膜单元安装前，膜面上方保温材料、屋面材料应安装完成并验收合格，膜结构上方焊接、切割施工需全部完成，严禁在完成的膜单元上方进行电气焊和气割，避免膜结构受热破坏。不得在膜结构、膜材上增加荷载，以防构件和膜材发生变形或破断，影响结构安全。膜结构上不得使用钢丝安全绳及带尖锐物品的安全设施。在膜单元施工及其他工作中，上膜面应采取必要的安全措施，需穿戴软底无钉的鞋，同时需避免金属物体及其他尖硬物体划伤膜面。

3.1 吸声膜安装

速滑馆膜结构低辐射镜面吸声膜系统共约49个膜单元，最大膜单元面积约为520m2，膜单元及附件重约1.1t。由于吸声膜系统较重且单元面积大，在地面展开、组装，利用人力提升吊装到位后安装。考虑到整体工期的需要及膜安装的行走，操作平台采用无脚手架方案，在膜框架上挂设安全网、铺设走道板作为操作平台，此方法具有对其他专业影响小、费用低、高效安全的优点。使用主体钢结构安装的钢楼梯及马道，作为施工上下通道；在施工区域钢结构上沿周圈拉设尼龙绳作为安装时的安全施工行走路线(见图2)。

图2 吸声膜安装行走路线

单元膜片四周边界分别与膜附属钢结构及配套铝合金夹具进行连接，形成整体张拉结构。吸声膜安装步骤如下。

1)安装前准备

首先进行场地清理和保护膜铺设，防止地面锐角硬物划伤和污染膜单元。采用人工方式转运膜单元，并检查清理膜单元与膜构件接触的表面，将残留的飞溅物、尖角清除并打磨光滑。按工艺流程将膜单元展开，检查膜单元周边尺寸、搭接、开孔位置、热合缝是否符合设计要求，膜面有无破损、瑕疵、污染，并做好记录。在膜单元地面展开并检查合格后，组装膜单元四周铝合金夹具，相邻铝合金夹具须采用工装连接并固定牢靠，每隔4m安装临时吊装工装，便于膜吊装。

2)膜单元吊装及临时固定

沿膜单元膜附属框架四周每4m设1个提升吊点，吊点绳扣采用尼龙绳。将滑轮每隔4m用尼龙吊带挂设在膜附属框架上，吊绳通过滑轮下放至地面并与膜单元吊装工装连接。开始提升，距地面0.5m时暂停，检查各吊装位置牢固性及清洁膜单元后再缓慢提升，将膜单元整体吊装至安装位置。膜单元吊装到位后，将膜夹具、专用膜工装、螺栓与膜单元连接部位组装，组装完成后用工装夹板与膜边界临时拉结，如图3所示。

图3 吸声膜单元临时固定

3)膜单元安装及张拉

安装人员在各自位置上，将膜单元定位点与膜附属框架的边界对正，再将膜单元拉至安装位置。先将短边对称安装张拉到位，并由中部向两边依次安装膜附件及螺栓，最后安装长边边界处膜附件和螺栓并张拉完成。依次进行其他膜单元安装。

膜安装短边螺栓时，经过拧紧螺栓压平铝合金夹具逐步将膜单元张拉平整。低辐射镜面吸声膜单元安装张拉时，从长边的中心点开始逐步向两端安装和张拉，螺栓拧紧、膜片平整后即张拉安装到位，膜单元张拉顺序如图4所示。张拉时采用位移控制方法：第1次位移量为设计位置量的50%，第2次位移量为设计位置量的30%，第3次位移量为设计位置量的20%，位移允许偏差为±10%。膜单元张拉完成后，膜面单元平整、受力均匀，膜边铝合金夹具与绷膜板连接平整密实，螺栓垂直于绷膜板并拧紧。用专用测力仪对张拉完成的膜单元有代表性的施力点进行力值抽检，径向、纬向强度均≥1 600N，力值允许偏差为±15%。根据环境温度变化，每次张拉间隔12～24h，第2，3次施加预应力时，各工作点位施工人员随时观察膜面张紧度，若有应力集中的情况应及时调整，避免膜面破坏。依次完成其他膜单元张拉施工。

图4 吸声膜单元张拉顺序

4)吸声材料安装

吸声玻璃丝棉在工厂加工成块状，检验合格后运至现场。每块吸声玻璃丝棉重约10kg。施工人员利用滑轮及吊绳将吸声玻璃丝棉吊装至马道上并临时堆放，在操作平台上将吸声玻璃丝棉支撑钢丝绳网安装在膜单元上方并拉结完成。利用人力将吸声玻璃丝棉运送至安装位置。施工人员以做好保护的膜面为施工平台将吸声玻璃丝棉组装成单元板块，安装吸声玻璃丝棉四周边界并固定牢固，拉结玻璃丝棉上钢丝绳并固定。吸声材料安装如图5所示。

图5 吸声材料安装示意

3.2 玻纤膜安装

国家速滑馆玻纤膜系统分为比赛大厅和休息大厅。比赛大厅玻纤膜系统共约160个膜单元，最大膜单元面积约为55m2，膜单元及附件重约80kg；休息大厅玻纤膜系统共约120个膜单元，最大膜单元面积约为50m2，膜单元及附件重约60kg。2个玻纤膜系统膜面积及质量均较小，在地面展开、组装，利用人力吊装到位后安装。操作平台搭建与安装吸声膜类似，行走路线如图6所示。

图6 玻纤膜安装行走路线

单元膜片四周边界分别与膜附属钢结构及配套铝合金夹具进行连接，形成整体张拉结构。玻纤膜安装前期步骤基本与吸声膜类似。玻纤膜安装如图7所示。

图7 玻纤膜安装示意

玻纤膜单元张拉顺序同吸声膜。玻纤膜单元采用位移控制方法，力值抽检，张拉间隔均与吸声膜一致。

3.3 冬期施工措施

本工程膜块较多，膜边安装长度较长，现场耗时多。施工为冬季，气温很低，膜材在低温下会变脆、变硬，给现场施工和张拉等带来极大难度。除了采取膜材在车间预张拉等措施外，现场施工时也要采取一定措施，以提高施工进度、保证膜材安全。

1)膜单元地面组装需增加人工，保证膜组装在较短时间内完成，以避免膜材受冷后变得过硬。

2)膜单元提升过程中加强保护，提升设备及提升过程中所有与膜面接触的坚硬物体需使用废膜包好，避免硌伤、划伤膜面。

3)膜安装过程中增加安装工装、张拉设施及安装工人，以保证膜单元张拉到位。

4)如温度过低，在膜单元组装和张拉过程中，还要增加保温措施，如在地面组装时，组装位置地面铺设保温棉，在张拉过程中，膜面利用保温棉、棉被等覆盖。

5)由于冬季北京地区风力一般较大，规范规定四级以上风力禁止吊装，为保证施工进度，现场施工时需增加一定的防风措施，如在吊装过程中增加吊装设备、缆风绳、防护工人等。必要时，需在施工吊装区域利用彩条布搭设避风围挡，一方面可以降低风力，提高施工安全性；另一方面，还可以起到保温作用，有利于膜张拉到位。

4 结语

1)合理设计安全高效的膜结构安装操作平台和行走路线。

2)通过设置主体钢结构、膜钢结构框架、膜结构连接件和连接架，对张拉膜本体进行有效支撑，最大限度地发挥了材料力学性能，形成了独特的双曲面马鞍形结构，解决了传统张拉膜系统结构不能满足场馆性能要求的问题。

3)采取先搭接框架再铺设膜体的方式有利于快速施工，通过设置吸声材料，减少了外部噪声污染。

4)针对冬期施工的环境条件，提出在车间进行预张拉，提高施工速度，膜单元组装张拉过程中采取保温、现场防风等措施，最大限度地保证了膜结构施工质量。