在人们生活水平日益提高的今天, 各种风格的建筑拔地而起, 对立体观感要求越来越高, 而索膜结构帐篷能产生大空间, 具备美观装饰功能, 挡风避雨遮阳, 具有较好的采光效果。通常被用于建筑物中庭顶棚、入口遮阳, 海边或广场休闲, 室外停车场等处。索膜结构帐篷相较于其他形式帐篷, 存在施工方法简单、采光通风效果好, 视觉美观, 成本较低等特点。且索膜结构帐篷工厂化生产程度较高, 省时、省力, 节约成本, 应用前景十分广阔。

索膜结构帐篷的应用在经济发达的国家和地区应用比效普遍。本文以中资公司所承建的科威特JABER新城住宅项目为例, 对帐篷的应用技术加以分析说明。

现有的整体张拉式索模结构施工方法由桅杆等支撑构件提供吊点, 并在周边设置锚固点, 通过预张拉形成稳定的整体。本论文提出一种整体张拉式索模结构施工方法, 能适应多种膜结构、索结构、支撑结构、联接件结构的选择组合, 可根据建筑功能设计及施工区域进行结构组合设计, 具有高灵活性、广实用性等优点。

科威特JABER住宅新城项目位于科威特80号及605号公路交界处北部, 占地累计2平方公里, 距离科威特城约15公里, 项目合同造价37.8亿元。除1475栋别墅及基础设施外, 还包括公共建筑 (如学校、政府大楼、超市、警察局等99栋公共建筑体) , 其中公共建筑中的幼稚园、小学、高中均设计有索膜结构帐篷。帐篷模层为聚四氟乙烯PTFE (由玻璃纤维布层和聚四氟乙烯混合层组成, 质量为1 100 g/m2) , 具有较高的抗拉强度、优异的耐老化性、优良的防火性和自洁性) , 膜材的经、纬向抗拉强度分为3 600 N/cm3以及2 900 N/cm3。

该项目单个帐篷最大安装面积为1 380 m2。

包括帐篷外形、索结构、支撑结构、联接件设计, 可通过FORTEN 4000等建模软件, 将施工区域已有结构尺寸数据输入其中, 通过力密度法以及运用Newton Raphson理论的几何非线性结构分析进行找形。

帐篷膜片主要有竖向、对角或拱形几种型式;钢绞索与帐篷的联接方式有:穿于帐篷膜边缘锁边内, 锁边应使用双层膜材与膜面融焊在一起, 形成有足够强度的整体;也可将帐篷膜边缘通过夹具与钢绞索相连接, 膜边缘应用双层膜材锁边, 锁边膜材应与膜面融焊在一起, 搭接长度不小于30 cm;支撑桅杆分为落地式和悬飘式;帐篷与结构之间的联接, 可通过结构联接件或钢立柱联接件相连 (图1) 。

本项目小学中庭、入口、高中院内、幼儿园中庭根据建筑特色, 采用了不同帐篷结构设计。

1) 小学中庭区建筑结构为六边形二层钢筋混凝结构, 高8.5 m, 该中庭区为升旗区及学生室内操场, 面积为1 280 m2。帐篷设计采用的是中央落地式桅杆支撑, 支撑桅杆高度为19.475 m, 并通过穿于帐篷锁边内的钢绞索将墙体联接件与桅杆顶部相连。

小学入口结构高8.5 m, 采用落地式桅杆提供支撑, 通过调节桅杆底部, 使桅杆倾斜一定角度, 桅杆总高12.98 m。入口处3面墙共设置4处预埋件于角部, 另在入口区域地面设置2个钢柱联接体, 方向可调 (图2) 。

2) 幼儿园中庭施工区域四周环绕教室, 为单层结构, 区域设置为玩耍区。设计采用在屋顶设6个钢柱联接体用于帐篷与结构连接, 钢柱安装于屋面预埋基础上;采用中央悬飘桅杆, 高度为8.63 m。帐篷安装:通过穿于帐篷锁边内的钢绞索将桅杆与钢柱相连形成索膜结构帐篷 (图3) 。

3) 高中院内结构高16.4 m, 面积为1380 m2, 长边距离44 m, 区域设置为操场。设计为双穹顶拼接帐篷, 帐篷各锁边通过夹具与钢绞索相连, 两帐篷端部相连接部位通过夹具连接。两穹顶各设置一悬飘式桅杆, 以形成骨架, 高度为14.17 m。操场3面墙设置墙体预埋件, 共设置17个, 分别与边索相连。另一侧设置门型钢柱联接体, 与两桅杆端部及两帐篷相连接处的钢绞索相连 (图4) 。

埋件预留预埋→索膜结构帐篷材料准备→帐篷联接件及钢绞索现场安装→桅杆及帐篷安装→分次张拉成型

结构联接件、钢柱联接件、桅杆基础等, 需要在已有建筑结构施工时, 将上述结构的预埋件预埋, 核对预埋件几何尺寸、钢板厚度, 锚勾数量/长度及与钢板焊接质量, 埋件平面位置、标高等符合设计及施工规范要求后, 方可浇筑结构混凝土。

帐篷膜片、桅杆、钢绞索、夹具等均在工厂进行加工成型, 帐篷膜片按照专业建模软件确定的裁切线, 在工厂内, 将成卷帐篷原材料按照设计图纸裁剪成片状, 然后将片状原材用黏结胶膜通过高温融合焊接成帐篷。

原片膜材的连接处应完全融合, 以确保帐篷的整体性, 对受力集中部位、边部锁边穿钢绞索或固定联接件部位应设双层膜材, 膜材搭接宽度依设计受力计算确定 (膜材搭接最小宽度不小于10 cm) (图5) 。对膜材融合处应按规定抽样检查, 若拼接缝处撕裂则判定为不合格, 必须加强融合焊接施工艺过程控制, 确保拼接整体质量受控。

膜材拼接完成后, 应对膜材上需安装夹具 (锚具) 部位进行编号, 该编号与钢绞索、夹具 (锚具) 的编号一一对应。桅杆入场时, 需注意放置位置, 方便后期起吊安装;钢构件, 例如桅杆及基础底座钢材、钢柱及其附件等, 需在工厂预先进行镀锌防腐处理, 并应该根据图纸上的编号进行材料编号。入场时应进行材料抽检, 确保材料符合设计要求。

按照拟定的施工方案及作业设计, 依次进行基础底板、钢柱联接体、结构联接体进行安装, 检查原设计预埋件平面位置及标高的准确性, 若有后置埋件则应先进行后置埋件安装, 并由有资质的专业实验单位进行抗拉拔试验 (抗拉拔力不小于设计的二倍) , 合格后方可进入下道工序施工。根据作业设计拟定的施工顺序, 结合各构件/联接件编号, 将安全固定钢绞索一端与需联接的墙体联接件或钢柱联接件相接。对于高处联接件, 皆需要设置脚手架, 方便后期进行钢绞索张拉及最终索膜帐篷成型。

将施工区域地面清理干净并满铺塑料薄膜后, 将帐篷膜运至施工现场, 并展开在施工区域内, 根据膜片上的编号, 确保与联接件一一对应。根据钢绞索在图纸上的编号, 将帐篷边部及内部的钢绞索全部安装连接。

帐篷包括开蓬膜片和顶部膜片两部分组成, 落地式桅杆帐篷的开蓬膜片上端开口边沿设置圆形钢头环, 钢头环与帐篷顶端开口边缘通过螺栓组联接, 并于安装于桅杆顶点的顶部膜片连接 (图6) 。悬飘式桅杆则是桅杆顶部自带头环, 头环上预留孔洞, 通过预留孔将悬飘式桅杆顶部分别与帐篷开蓬膜片及顶部膜片通过螺栓连接 (图7) 。

对于边角处需与联接件联接处, 安装夹具, 夹具一端与角膜及边索相连, 一端设置U型卡具。夹具安装完成后, 在夹具的U型卡具外露端系上钢绞索, 该钢绞索穿过对应的联接件联接吊耳, 与手动葫芦相连 (图8) 。

若桅杆为落地式桅杆, 需要将桅杆头部吊起, 运至桅杆基础底盘处。由于该项目落地桅杆与基础底盘采用卡盘连接, 即基础底板中部为圆形开洞, 桅杆底部为圆形端头, 圆形开洞尺寸小于端头尺寸。在底板上另设置4处圆形端头固定件。安装时, 将端头卡入底板开洞中, 并初步固定圆形端头固定件, 进而初步固定桅杆底部 (图9) 。

若设计中桅杆存在一定倾斜, 通过调整桅杆位置, 达到倾斜要求后, 将圆形端头固定件紧固。进而将桅杆固定。采用该方法, 将允许桅杆存在一定倾斜, 缓解了桅杆安装位置的局限性。螺栓紧固需要按顺序, 两边对称同时紧固, 对于高强螺栓必须严格按照施工规范及操作规程在24 h内完成初拧、复拧、终拧 (图10) 。

桅杆固定后, 将安全固定钢绞索与桅杆顶部相连。对于悬飘式桅杆, 则需要将悬飘式桅杆预先与帐篷顶部相连, 桅杆下部与联接件通过钢绞索相连。安全固定钢绞索也预先连接。后期整体起吊帐篷时, 同步起吊。

帐篷起吊时, 在联接件各处需设置2人, 在起吊帐篷的过程中, 一人负责操作手动葫芦, 带动与之相连的, 已连接在帐篷角端的U型卡具外露端的钢绞索, 进而提起帐篷该角。同时, 另一人在上部进行观察帐篷起吊过程中的偏移。确保各联接点起吊同步, 避免帐篷因受力不均产生偏移, 同时地面上应按安排施工作业专业工长, 一名安全观察人员, 以确保施工安全及质量。

采用落地式桅杆时, 将帐篷起吊至钢头环设计位置时, 将钢头环上预安装的与桅杆顶部的联接件与桅杆顶部进行相连, 帐篷位置以及头环位置调整完毕后, 需安装好镀层钢钳板, 并且固定头环上的全部螺栓 (图11) 。与此同时帐篷边角也需通过手动葫芦起吊至预埋联接件或钢柱联接件处。此时将帐篷边角夹具上的U型卡具与联接件上的吊环采用插销连接。联接固定后, 可松掉与手拉葫芦相连的钢绞索。夹具需要相对两角同时对称固定。

索膜结构帐篷的钢绞索张拉, 分安初步张拉及安装后张拉, 其中初步张拉为自安装之日的一个星期内一次完成;安装后张拉分三次完成, 分为一个月、2个月及6个月最终张拉完成。安全固定钢索的张拉同步于钢绞索的初步张拉, 但不需进行最终张拉。最终拉力达到时, 应无褶皱、撕裂、帐篷无飘动或者膜片物理损坏。

初步张拉时, 通过调节安全钢绞索端头的可调部件进行张拉, 随后进行帐篷边角夹具的张拉。手拉葫芦与夹具上两边对称分布的圆形开孔进行连接, 手拉葫芦另一端与结构预埋件相连, 进而拉动夹具靠向结构, 夹具上的U型卡具松动。将U型卡具与结构预埋件连接的U型联接端松开, 当夹具达到设计张拉位置时, 进行固定 (图12) 。

最后进行边钢绞索的张拉, 通过在边索端头安装吊环扣件, 与手拉葫芦相连。手拉葫芦另一端与结构预埋件相连。张拉到设计位置时, 通过调节螺母固定, 使帐篷安装后看起来更加顺畅, 优美。张拉过程中, 需要对帐篷进行敲击, 避免帐篷膜面在张拉过程中产生褶皱。

1) 进行帐篷设计时, 应与结构设计协调进行, 做好图纸的专业会审及报批, 避免结构与其它专业工作相冲突, 以便结构设计与帐篷设计能完美结合, 正确做好结构的预留预埋及基础定位, 从而避免设计冲突和事后对结构打凿。

2) 支承结构预埋件位置的允许偏差为±5 mm, 同一支座地脚螺栓相对位置的允许偏差为±2 mm。对于超出误差范围内的预埋件, 应请原设计单位或其它具备相应资质的设计单位出具新的设计或处理方案后执行。若后期植入, 后置埋件还应做拉拔试验, 拉拔试验应请有资质的实验单位进行, 实际拉拔力不应小于设计值的两倍。

3) 帐篷施工前应有相应的施工方案及作业设计, 应全过程考虑, 从埋件的预留预埋到最后安装张拉成型, 从材料要求到施工工艺、施工方法到人员组织、施工材料/机械及安全注意事项等等均应周全考虑。

4) 膜面的制作质量:包括几何尺寸和膜面及接缝质量。帐篷供应商根据图纸在工厂内进行膜面材料的拼接完成后, 需要进行尺寸自查, 焊接质量检查, 合格后方可出厂。待运至施工现场时, 现场需对尺寸进行复核, 发现偏差后立即返回工厂进行调整。几何尺寸合格后, 安装过程中监理必须检查膜面上是否有划伤或破洞。当发生膜面破损时, 必须立即进行修补。

5) 膜面张拉应力控制。膜面应力张拉不可一次到位, 以防主体钢结构侧向失稳, 应分块逐步张拉到位。张拉到位后, 质检人员对膜面张力按照膜结构设计提供的膜面应力值, 测试部位和测试工具对膜面进行全面的检查验收, 同时检查压板螺栓有无漏装漏拧。工程完工后宜检查膜面的张力值是否符合设计的预张力。

通过对整体张拉式索膜结构应用技术总结, 使工程技术人员熟知:以优良的织物为膜面材料, 利用钢绞索、桅杆组成帐篷支撑骨架, 与已有结构上的联接件相连, 通过钢绞索张拉固定形成稳定整体的索膜结构。掌握了其施工工艺流程、关键技术及质量控制要点, 从而为今后在“帐篷”施工方面积累了保贵的施工技术经验, 在企业的发展沉淀财富。