摘要：随着国家城市化发展和人口的聚集，人们所需要的公共建筑设施也随之增加，为了尽可能多的容纳服务于汇集的人流，公共建筑中也渐渐使用大跨度网壳结构结合建筑膜材料的组合形式，对比传统的网架网壳结合玻璃的组合形式，这种新型的组合形式受力合理、整体自重轻盈、造价经济、结合形式自由多样化，一系列突出的优点，逐渐受到全国各地建筑师的关注和探索，湖南湘潭步步高广场二期改扩建工程，建筑师构建了大跨度鲸鱼形状网壳穹顶，结合覆盖两种不同ETFE薄膜材料，本文以此工程为例，介绍网壳结合膜结构组合形式穹顶从设计到施工的细节及应用经验。
关键词：大跨度；膜结构穹顶；组合结构；ETFE；网壳
一.工程概况
湘潭步步高广场位于湘潭市建设路口，二期总建筑面积约14万m2，囊括百货、超市、家居、餐饮、商务文化、影视娱乐、总部CBD等商业形态，结合一期后总面积26万m2，是湖南单体最大购物中心。约6000 m2的天幕穹顶，覆盖二期八层楼顶并衔接于一期幕墙立面，头部阳光谷落至七层楼面，部分主树形柱落至四层楼面，整体造型流畅，双向拱曲，穹顶膜单元与主方向钢管同向，膜单元控制长度最长约50m，宽约2m，共布置约140片单层ETFE膜单元，采用了2种ETFE材料，其中250μm蓝色镀点ETFE材料为主，占总面积80%，建筑师考虑夏季光线照射原因，又在整个屋面上离散分布20%的250μm白色磨砂ETFE材料，每片长条膜单元上，均有布置一块或多块三角形、菱形、梯形磨砂膜，每个区域磨砂膜面积约1～3m2，如此双ETFE材料交叉使用，给这个网壳穹顶营造了特殊的视觉效果。
二.结构体系
整个天幕穹顶主体部分采用空间网壳结构，长跨度约110m，平均短跨度约50m，由主方向钢管结合次方向钢管首先形成类平行四边形，再基于平行四边行短向对角线布置联系杆，最终把类平行四边形分割为三角形，三角形可视为稳定的结构单元，大小不一的三角形单元，连续组合形成网壳双曲面并达到大跨度的效果，网壳与土建结构之间，通树形柱、V形柱、钢管柱及阳光谷连接。主要树形柱柱底到柱顶高度超过40米，树形柱主干与树枝分叉部位均采用铸钢件节点。网壳中部设立主要树形柱且柱顶支撑与网壳铰接连接；网壳四周沿土建结构采用V形柱，同样V形柱顶支撑与网壳铰接连接。树形柱脚采用刚性连接，V柱钢柱脚采用铰接连接，鲸鱼头部阳光谷底采用铰接连接，网壳本体连接均采用直接相贯焊接形式，在保证单层网壳刚性连接受力要求的同时也满足安装的调整要求。整体网壳结构体系与步步高广场一期、二期混凝土建筑完美连续结合。
三.技术措施
3.1膜二次结构设计
主结构网壳体系设计完成，需要在网壳上设计布置合适的膜边二次结构用于张拉约束ETFE膜单元，依据建筑师原始意图，膜结构的最终成形应类似菱形片，但由于ETFE材料强度较低，且本工程中使用单层ETFE又不可使用膜面支撑索网体系，所以在膜边二次结构设计时，在主方向钢管上考虑布置天沟膜边节点用于区膜分片，两道主方向钢管上天沟之间为一片膜；针对膜面覆盖的铝盖板装饰也需要最终形成菱形，所有次方向钢管上再设计布置矩形衬管，这样长条状膜片以主方向天沟边安装完成后，依次对次梁方管上铺设装饰铝盖板，最终把整个穹顶的膜面分割成无数个菱形片。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆
3.2mockup样品检验
由于本工程中ETFE材料使用量偏大，且结构造型自由，整体高程较高，为了保证工程实施过程能顺利推进，在工程最终设计实施之前，1：1提取工程中局部典型部位后进行MOCKUP放样设计，用以检验相应膜节点的使用适配情况，MOCKUP样品需尽量考虑到实施过程中所有可能生发的问题点，均能通过MOCKUP样品预体现并得到解决方案，经过MOCKUP样品的检验后，再结合整体网壳状态调整并形成可以用于最终工程实施节点设计。
3.3膜裁剪设计
主体网壳钢结构及膜边二次钢结构等完成后，考虑整体结构造型特殊性，钢结构误差情况不可避免，ETFE膜材料裁剪又必须准确无误，所以需要对完成钢结构进行全站仪三维测量，基于测量结果重新形态解板后方可用于穹顶膜面的裁剪，整个穹顶膜最终划分为140多个膜片，以主方向钢管上天沟为边界，把膜面分成一道道长条状膜片，遇到膜片过长时二次划分至50m以下长度，膜片宽度基本维持在2米左右，每片膜片周边均使用可调节的膜节点，保证最终膜片安装时均可通过合适调整膜节点使膜面最终张拉平整。
3.4 膜结构施工
本工程网壳穹顶们于40米高程之上，由双向双曲面形态构成，膜结构安装施工基本为最后一道工序，因此本项目的膜结构安装施工极具挑战，经过多层次比较考虑，从网壳类似鱼尾部离土建结构屋面较近部位开始，逐渐向鱼头高位按顺序安装膜片。
首张膜片安装前，沿膜边天沟外布置安全钢丝绳网，建立工人施工安全保障线，之后可跨天沟布置施工跳板或直接利用天沟行走，安全保障线建立后，还需进行膜安装前的铺装保护准备工作，工程中主梁上天沟为膜分界边，次梁上方管用于约束膜片中部，天沟侧壁为膜片接触部位，天沟侧壁顶端插设膜材保护卡条，次梁上方管表面，本身为四边形平面，由于穹顶曲面原因，方管平面与双侧天沟衔接时只能保证三个角点对齐，总有一个角点的方管面与天沟侧壁顶存在微小高差，需要对方管表面铺设保护橡胶垫，再按高差需求量处理找平，到此，膜片安装前的准备工作基本完成。
施工人员由网壳尾部攀登于网壳之上后，沿主方向天沟可向网壳中间或向上行走，每片膜片出厂打包时，考虑膜卷由高部向低部卷包，这样的膜片在现场展开时即可由低部向高部反向展开。
由于单膜片可能长几十米，宽只有2米左右，当膜片展开后，以设计标记位置找到相应钢膜对齐定位点，预固定天沟边界，同时膜片长度方向必须维持张紧状态，天沟边界节点预固定完成，长度方向两端头超张拉后预固定至边界节点，至此，全膜片相当于已经四周预固定，针对膜面上由于预张拉不平衡产生的褶皱瑕疵部位，对所有膜边铝材调节螺栓进行二次紧固及调整，最终使膜面达到设计张紧绷平状态；整体翘曲的形态的影响下，每道膜面张拉完成后均会向下与次梁上方管表面橡胶垫接触贴紧。当首张膜片预安装完成后，再由相邻边向上或向下按顺序安装邻近膜片，与此同时，由网壳顶部高点设置安全绳索牵引点，由牵引点引挂安全绳索，为工人上下爬高行走时建立安全保障线，有特殊需要时，也可以在已完成的相邻膜片上铺棉毯布，棉毯布上临时铺设跳板供工人行走。
待大部分膜片安装调整完成，后道工序作业队伍介入，通过预先在膜面上铺设的棉毯布，架设绳梯或跳板，运输次梁方管上使用的铝盖板至使用位置，每一根次梁方管上铝盖板均通过两端与天沟内连接板固定，固定完成后铝盖板基本与膜面贴合夹紧，待单条膜片上所有次梁方管铝盖板铺装完成后，进行主梁天沟上铝盖板安装，等网壳中间铝盖板全部完成后，再进行网壳外周边收边装饰盖板安装，直至整个膜结构工程完成。
四.结语
湘潭步步高广场所采用的大跨度网壳与ETFE薄膜材料组合穹顶工程的实现，在整个膜结构业界及湘潭建筑设计行业中取得了良好的应用示范效果。大跨度网壳膜结构屋面，具有工厂膜材料集中加工、现场机械化施工、膜片安装效率高、无附加污染、安装进展过程中较少影响网壳以下其它交叉作业分部工程施工等等优点，属绿色施工范畴，符合当代建筑的发展趋势，值得广泛推广。
参考文献：
[1]陈务军.膜结构工程设计.北京：中国建筑工业出版社，2004
[2]BrianForster，MarijkeMollaert.欧洲张力薄膜结构设计指南.北京：机械工业出版社，2006
论文作者:张英
论文发表刊物:《基层建设》2019年第1期
论文发表时间:2019/4/2
标签：膜片论文; 天沟论文; 穹顶论文; 组合论文; 结构论文; 工程论文; 步步高论文; 《基层建设》2019年第1期论文;