随着我国经济快速发展, 建筑作为文化艺术的重要表现形式, 被赋予了更多的含义。屋面作为建筑围护系统中最为重要的组成部分, 除了满足遮风避雨、保温隔热、安全耐久等物理性能要求, 同时也作为塑造建筑形象不可或缺的一部分。金属屋面与传统的卷材屋面相比, 具有轻质高强、设计灵活、色彩丰富、造型独特等特点, 能使建筑产生更强的现代感与时代气息, 在屋面领域中独领风骚。

然而, 随着国民对健康的要求标准日益提高, 越来越多的体育场馆在建筑行业中所占份额逐渐增大。这类城市地标性建筑开始在结构形式与建筑美学的道路上摸索, 预应力索膜结构应用逐渐广泛, 这对传统钢罩棚结构上的屋面施工提出了新挑战。

苏州工业园区体育中心游泳馆罩棚是由外倾V柱和环梁组成的环形钢桁架支撑、单层正交索网以及刚性金属屋面组成。游泳馆的外压环为直径107m的圆形投影平面, 整体造型为马鞍形, 标高为22.000~32.000m, 游泳馆整体造型如图1所示。

该游泳馆金属屋面系统包含主檩条、屋面板、防水透气膜、保温棉、防水卷材、次檩条、隔汽膜和压型底板等。整个刚性屋面坐落在正交柔性索网上, 优雅轻盈的建筑造型兼顾刚柔并济的结构语言。

游泳馆金属屋面面积约为9 000m², 承载金属屋面的是单层马鞍形正交悬索结构, 因此该屋面工程具有以下难点。

1) 屋面构造层次多, 安装工序多, 施工中质量控制难度加大。

2) 该工程金属屋面相较于一般屋面工程的难点在于下部支承为柔性正交索网, 索结构因其自重较轻、变形大的特点使屋面施工遇到极大挑战。

3) 由于索网预应力结构的特殊性, 需要对整个屋盖结构施工过程进行模拟分析。经分析得到, 屋面系统荷载施加后, 索网中心竖向变形约1.1m, 如何采取合适的施工方法使金属屋面能够适应这种施工前后位移较大的情况是最大难题。

为了解决屋面在施工前后索网变形较大的难题, 提出了一种在施工阶段对柔性索网基层进行找形的方法来应对大变形对屋面结构的影响。

本文对比了2种方式在施工前实现索网基层的找形 (见表1) 。

根据施工过程分析, 可以得到各索夹加载前后的位移量, 通过锚具将索网平面通过索夹各点按照对应的位移量预先向下拉成施工后的位形。此方法称为拉锚法, 卸载时可通过锚具调节位移变化量。

由于该游泳馆特殊的构造, 屋面荷载通过索夹节点传递至索网上。通过统计屋面系统的质量和结构模拟计算, 得到各索夹节点需施加的荷载值, 根据荷载值选择对应的配重预先挂设在索夹节点处。此方法称为配重法 (见图2) , 卸载时根据已安装的结构自重进行对应的配重卸除。

通过从技术可行性、经济性、安全性、工期4个方面进行方案对比分析, 选择配重法作为解决屋面施工难题的办法。

根据屋面系统施工工艺分3层安装, 该3层不流水作业, 即待前一层全部安装完毕后才安装后一层。屋面系统总质量为43.69kg/m², 按照分层后统计各层需要的配载 (见表2) 。

施工总体流程为:配载→安装第1层屋面 (+9.25kg/m²) →卸载第1批配重 (-100kg/点) →安装第2层屋面 (+7.89kg/m²) →卸载第2批配重 (-100kg/点) →安装第3层屋面 (+26.55kg/m²) →流水卸载第3批配重 (剩余配重) 。

1) 配载布置形式 索网各节点均配载, 如图3所示。

2) 配载质量 根据面荷载等效为索网各点配载质量约443kg。

3) 配载形式 从现场重车道挖取石子, 装入抗风化编织袋中, 采用电子秤进行称重装载, 称重后的配重袋使用登山绳索悬挂于索夹节点下。

4) 配载施工顺序 从外逐环向内, 如图4所示。

在配重施工完成15日、索网曲面变形趋于稳定后, 从索网平面对称选择了9个控测点 (见图5) , 对索网进行位形检测, 并对测量结果进行了汇总, 如表3所示。

测量结果分析可知, 索网曲面控制点位实测z向最大偏差为-33mm, 达到索网曲面加载完成后控制点高度方向偏差范围在±35mm以内的目标值。

1) 卸载顺序沿承重索方向, 从低点向高点对称分步卸载 (见图6) 。

2) 卸载工艺采用卸除相应质量的配重袋。

由于马鞍形索网为柔性结构, 所以在屋面板系统安装的同时索网会发生较大变形, 会导致屋面安装不紧密, 而造成后期屋面漏水的情况。

针对这一情况, 在施工前采用ANSYS有限元分析软件进行施工过程模拟分析, 模拟屋面荷载施加过程的结构变化, 可以得到:金属屋面系统铺装后, 相对于结构安装状态结构径向位移正向最大为35.2mm, 负向最大为-111.1mm;环向位移最大为40.2mm;竖向最大位移为-519.6mm, 位于索网中心。

基于安装状态的结构位形, 索网张拉成型时索网最大上挠约588.4mm, 安装屋面系统后, 索网竖向位移为-519.6mm, 可见屋面系统质量使索网产生了约1 108mm的竖向变形。相关分析结果如图7所示。

苏州工业园区体育中心游泳馆创新性采用刚性屋面系统与柔性索网体系结合的结构形式, 传统屋面施工方法无法满足此类屋面的要求。本文探究了一种通过预配重的施工方法, 将柔性索网进行找形后施工屋面, 在方便现场施工的基础上遵循结构受力特点, 巧妙地规避了屋面施工中由于大变形导致的安装缺陷。

通过对配重施工过程中的模拟分析, 施工过程中各工况的索力及索网曲面位移变化过程被跟踪记录, 不仅保证力形统一, 而且过程中各项应力水平均保持在安全范围内, 整个施工过程是安全的。此结果说明配重法施工在应对大变形基层下的刚性屋面施工是安全合理、切实可行的。