基于索结构屋盖的金属屋面施工技术研究

蔡碧蓉 丁伟灿 胥献忠 孙玉涛 徐志强

大型公共建筑是衡量建筑施工水平的重要标准，也代表着一个城市的文明发展。而大型公共建筑对空间结构要求较为严格，既需要造型美观，又需要经久耐用[1]。索膜结构作为一种全新的建筑结构形式，具有与传统结构形式所不同的空间设计，富有张力且灵活多变，给人一种全新的视觉感受。

近年来，这种结构形式在我国获得迅速发展，受到建筑行业的关注。全国各地很多在建或者已建的体育场馆、影剧院、商场等标志性建筑均应用索膜结构施工。工程具有建材性能优良、安装速度较快等特点，不仅施工效率高，而且其建筑的结构造型也更加丰富，极具现代气息。然而索膜结构的施工难度较大，存在一定的安全隐患，本文将结合工程实例针对此课题进行深入研究。

1 工程概况

德胜体育中心大型综合体育场馆，包含游泳馆、体育馆、训练馆以及相应的服务设施。建筑主体结构是混凝土框架，其中体育馆与训练馆的金属屋面连为一体，金属屋面主要通过主檩条来支撑，且檩条和屋盖的索网索夹相连。金属屋面最上方是不锈钢装饰板，装饰板与金属屋面间存在两道防水层、两道防潮层、两道降噪隔音层以及1道保温层等，并通过铝合金夹具焊接而成。其中，游泳馆的屋面整体呈波浪状，设置了外膜、内膜以及吸音膜3 层膜结构，每层膜均采用聚四氟乙烯材质，且都以圆管或方通构成的龙骨为支撑，龙骨与屋盖的索网索夹相连。由此可见，本工程中索膜结构的施工工艺较为复杂。

2 索膜结构的施工工艺及操作要点

2.1 施工准备

在正式施工前，由专业人员踏勘施工现场，确保无安全问题后安排施工人员进场，同时运送起重机、吊车等大型施工设备进场。然后准备好施工所需的工具及设备，根据设计图纸以及实际环境，制订合适的施工方案，复核拉索与膜材，确保膜材尺寸与拉索结构同施工图纸相符，避免施工过程中出现错误而返工。

首先，基于索膜结构的施工特点需要布置施工场地，布置原则为节约用地、方便施工以及便于管理。其次，在建筑屋面附近为施工人员设置可以安全站立的施工排架，排架需要与屋面之间留有足够的距离，避免妨碍膜材安装施工。再次，由于膜材较为脆弱，在施工场地内需要划分一块膜材堆放区域，该区域需要平整且干净，便于安全存放膜材。本次施工中将膜材存放区域设置在建筑结构正下方看台处，同时清空该区域向外延伸的20 m 左右范围，保障膜材不会遭到破坏[2—4]。最后，本次施工所使用的电焊机与切割机等相对较小的施工器具需放置在库房中，并设专门人员看管，避免施工中因找不到器具而影响工期。

另外，在拉索进场后，如果不能及时投入施工使用，需要对其进行防护，可以在拉索表面涂抹氯丁等涂料，避免拉索存放过程中出现氧化腐蚀现象。

2.2 安装金属屋面

金属屋面安装施工中的关键工序就是组装钢檩条结构，此工序施工量较大，组装时需要保证每一根钢檩条的位置精度，这样才可以确保金属屋面牢固。检查确定钢檩条位置准确、固定牢靠后，在钢檩条结构处铺设底板，作业中应注意铺设顺序[5]。接下来安装天沟，选取经久耐用的不锈钢天沟，该材质不仅实用而且可以为金属屋面的外观加分。

在安装金属面板前先检查铝合金支架是否牢固，避免面板安装过程中出现工程事故。然后利用吊索把金属面板按设计图纸要求铺设在支架上，通过支架实现金属面板的吊装，防止发生变形。在吊装的同时，金属面板与支架交界处需要使用专业机械连接，以此固定面板，并将面板两侧切齐。金属面板固定后，安装外檐钢结构。由于外檐处于室外，需搭设脚手架进行安装，安装的同时对外檐进行封边处理[6]。

在整个金属屋面的安装施工中，雨水槽安装工序贯穿整个施工过程。在安装雨水槽时，要以不妨碍金属屋面板安装工期为前提，安排施工人员穿插工序完成安装。在金属屋面安装施工结束后，需要对屋面结构进行自检，防止后续施工中出现问题，检查无误后清理施工现场，为下一工序的施工做准备。

2.3 吊装索结构屋盖

本次施工所应用的索结构屋盖上存在一个外部压环和两个中央拉环，其中外部压环为马鞍形状，其最高点与最低点之间的距离差值为9 m 左右，截面呈“目”字形。压环的翼缘厚度为20 mm左右，腹板厚度为30 mm 左右，垂直方向的加劲肋板厚度为25 mm 左右。索结构屋盖的两个中央拉环主要由全封闭的拉索构成，且拉环的预应力将在屋盖索桁架的上径向索和下径向索之间产生拉力，以此将预应力传输至外压环，形成索结构屋盖的自锚体系[7]。

在进行索结构屋盖的吊装施工时，采用双层悬索同步提升的施工工艺。在地面上将屋盖的外环结构与飞柱拼装在一起，通过飞柱上的拉索与提升千斤顶，以同步提升的形式将屋盖提升至屋面的设计高度。在安装屋盖时，需要保证地面平整，利用槽钢焊接胎具，可以避免屋盖吊装过程中出现变形。利用同步提升工艺进行屋盖的吊装施工时，需要将多个拉索固定在屋盖的各个位置处，保证屋盖以水平角度进行吊装。本次屋盖吊装施工中的飞柱上部分拉索位置示意图如图1 所示。

图1 飞柱上部分拉索位置示意图（来源：作者自绘）

当飞柱被拉索提升至距地面9 m 处时，除了作为提升索的几根拉索外，调节端连接吊装带升高至1 m 处。当飞柱被拉索提升至距地面14 m 处时，拉索连接的固定索与脊索也升高至距地面1 m处。需要使用拉索两端的调节带捆绑固定索与脊索，并将脊索牵引至屋盖钢结构的耳板处固定。当飞柱被拉索提升至距地面22 m 处时，需要将脊索的调节端固定在屋盖的外环梁上，并在提升飞柱的拉索上设置就位工装，使用钢绞线将屋盖外环梁与提升拉索组装在一起。然后将非提升拉索的长度调到最大值，利用倒链与吊装带安装非提升索的脊索，再将工装提升到斜索上，与屋盖耳板相连，这时缆风索开始正式应用。

当飞柱被拉索提升至距地面34 m 处时，精度应控制在30 mm 左右。由于固定索施加向上的提升力，因此可以靠同步提升技术实现拉索索力的自动控制。当飞柱被拉索提升至距地面40 m 处时，精度控制在25 mm 左右。由于飞柱位于屋盖外环梁上部，因此需要放松缆风索，让飞柱侧偏一定距离后再通过控制斜索将飞柱对正。当飞柱被拉索提升至距地面46 m 处时，屋盖已到达设计高度。可以将斜索的调节端固定在屋盖外环梁上，并将就位工装设置在提升斜索上，从而实现飞柱的提升，结束后拆除就位工装即可。

2.4 安装膜材

本次膜结构施工中的膜材主要选取聚四氟乙烯材料。膜材制作时需要进行热合试验，以保障膜材的接缝较为牢固，并且需要按照设计图纸的要求对膜材的周边进行补强操作，全面检查膜材的各项参数指标，合格后方可使用。膜材安装前需要在工作面设置安全网，以避免出现工程事故。施工人员需要佩戴安全带，采取相应保护措施后，开始膜结构屋面施工。

首先，在天沟上设置底板。底板选用铝型材，并按照施工需求进行开孔操作，在钢结构上以相同的孔距进行开孔，以此保障底板和钢结构完全匹配。为了保证底板的安装精度，屋面角部位置需要根据施工现场的实际情况进行加工。底板设置完成后，利用密封条将其固定。

其次，打开膜材包装并在安全网上展开膜材。在打开膜材包装前，可以参考设计图纸上的膜材安装位置，在膜材包装上进行标记，然后再打开膜材，这样可以保障膜材展开位置的准确性。在膜材展开过程中，需要严格参考施工方案所确定的施工顺序进行，避免施工人员在膜材上进行不必要的走动，以免损伤膜材。膜材展开后用夹板和预应力拉索将膜材设置在穿膜板上，其中夹板的规格需要参考施工设计图纸上的参数进行选取。通过张拉工具使穿膜板就位，利用密封条将穿膜板固定在盖板上，最后将盖板固定在底板上。

另外，屋面悬挑处的膜材安装同样需要设置安全网，并且沿着屋盖钢梁方向设置绳索来承载安全网，以便施工人员可以站在安全网上进行作业。然后展开膜材，将拉索穿过索袋进行张拉，直到设计的索力停止再将拉索固定在钢梁支架上。将膜材固定在最尖角的位置，按顺序依次将膜材向各边张拉，由于张拉过程中膜材易产生褶皱，因此需要先安装角部，再逐步张拉整张膜材，一边张拉一边将其固定在天沟上，并通过玻璃胶封堵空隙处。膜材张拉结束后，注意检查是否有褶皱、破损以及漏水现象。

3 索力监测

3.1 监测方法及准备

本次索膜结构施工的特点与难点是使用拉索过多，为了判断本次施工质量以及施工过程的安全性，需要实时监测施工中的拉索索力，并测量径向索的索力。监测拉索索力的方法有很多，出于实际施工环境与经济性的角度考虑，本次监测依靠传感器来实现。一般每一片径向索都包括上径向索与下径向索，为更全面地反映本次施工中索力的变化情况，需要在上、下径向索上分别布置10个振弦式传感器，也就是单独监测每一根上径向索与下径向索的索力。

由于索力监测数据会出现在结构的不同位置，因此需要获取X轴与Y轴的上、下径向索索力数据。通过夹具基座将传感器固定在各拉索的锚固端或者张拉端，可以得到最精准的索力监测数据，且夹具基座不会破坏拉索的表面抗腐蚀处理。

3.2 监测结果

为了更好地体现本次施工中拉索索力的变化情况，在某关键拉索上选取一些关键点进行张拉试验。上、下径向索力与牵引索长度关系图如图2、图3 所示。

图2 上径向索力与牵引索长度关系图（来源：作者自绘）

图3 下径向索力与牵引索长度关系图（来源：作者自绘）

由图2、图3 可知，本次索膜施工中的拉索满足设计需求，表明本次施工质量较好，施工过程较为安全。

4 结语

本文以德胜体育中心大型综合体育场馆为研究对象，深入分析了施工工艺及操作要点。从施工材料的制作加工到屋盖与屋面的安装施工，本文建立了一套相对完善的施工体系，对控制施工质量具有一定作用。由于索膜施工中的高空作业较多，因此需要做好施工人员的高空安全防护工作。本文的研究中仍存在一些不足之处，如膜结构屋面的隔声以及屋顶膜材的积灰、积雪等问题，都需要今后进行深入研究。索膜结构施工具有效率高、无污染等优点，符合绿色建筑的发展趋势，具有较高推广价值。