第六届全国现代结构工程学术研讨会佛山世纪莲体育场索膜工程施工技术王文胜胡庆卫薄燕培( 北京纽曼帝．莱蒙膜建筑技术有限公司，北京1 0 2 6 0 1 )提要：佛L L I 世纪莲体育中心屋盖是我国目前在建的最大规模的张拉式索膜结构工程，屋盖直径3 1 0 米，最大出挑长度达到9 2 ．5 米，中心环直径1 2 5 米，各种钢索总长约3 6 公里本文先扼要介绍了该工程的概况、结构体系、主要材料规格，然后着重介绍了施工方案的选择、施工模拟计算和主要的安装步骤关键词：索膜结构施工索网张拉施工方案选择一、工程概况佛山世纪莲体育中心是佛山市迎接2 0 0 6 年广东省第十二届省运会的主会场，届时将承担省运会开幕式和足球、田径、游泳、跳水等赛事其中可容纳3 ．6 万名观众的主体育场屋盖为一超大型的索膜结构工程，其外形模拟莲花造型，被命名为“世纪莲体育场”，建成后将成为佛山市一座地标性建筑世纪莲体育场建筑面积1 2 3 1 2 5 平方米，屋盖投影面积7 5 4 7 7 平米，膜材覆盖面积5 3 0 0 0 平方米，展开面积7 2 0 0 0 平方米，它不仅是我国目前在建的最大规模的张拉式索膜结构，屋盖规模在世界范围内也可跻身前三位。
该体育场的建筑方案设计为德国G M P 国际建筑设计有限公司( 其结构顾问公司为德国S B P事务所) ；总体建筑结构设计为华南理工大学建筑设计研究院0 5 年初由北京纽曼帝膜建筑技术有限公司、中国建研院建筑结构研究所和北京市机械施工公司组成的联合体中标承接了该工程，其中纽曼帝公司负责索膜部分的分析计算、施工图设计及施工安装，建研院负责钢索预应力监控，北京机械负责环索提升工程预计0 6 年7 月份完工，以下是该工程结构情况的介绍二、结构体系一、毒口个叫I 伞刁R图1 鸟瞰视图图2 侧立面效果图体育场屋面工程投影为环形，外环( 上压环) 直径3 1 0 米，内环( 环索) 直径为1 2 5 米，最早的建筑方案中内环曾设想采用可开启膜屋面，后因造价的原因取消了活动屋盖改为了现在的中心开敞形式屋盖从结构上可细分为外围钢结构、索网、膜面三个部分钢结构由上压环、下压环及腹杆组成，分布于场区外圈下压环标高为2 9 米，上压环标高为4 9 米，上下压环由“V ”形腹杆连接为整体，钢结构部分实际上构成了一个倒置的锥面桁架壳体以抵抗索系传来1 4 2工业建筑2 0 0 6 增刊第六届全国现代结构工程学术研讨会的张拉力。
另外，为节省用钢量下压环采用了钢管混凝土形式索网结构由上径向索( 脊索) 、下径向索( 谷索) 、内环索、中间径向索、悬挂索、分叉索组成，其中内环索通过脊索、谷索、分叉索与钢结构连接成稳定的主索系，并通过悬挂索的预张力作用形成整体预应力索网，需指出的是：在膜单元后端，膜面宽度大，在风荷载作用下出现较大位移，故在此部位，沿环向增设了4 道膜面支撑索( 图3 ) 膜面部分由8 0 个单元膜片组成，膜片四周边界分别与钢结构腹杆、谷索、脊索、分叉索及悬挂索连接整个膜结构屋盖较充分的发挥了各种材料的力学效能，设计新颖、结构独特、造型简洁，屋盖效果见图1 ，2 三、材料及工程指标图3 索系平面布置4 图( 一) 膜材体育场屋盖膜结构可划分为4 0 个屋盖单元，每个屋盖单元由2 个膜片单元组成，膜材料采用法拉力1 3 0 2T 2 型P V C 膜材，每个膜片单元展开面积约为9 0 1m 2 ，连接边最大长度约为8 4 米，最大宽度约为2 8米，重量约为1 l O O k g ( 二) 初步实物工程量序号名称型号规格数量1上压环Q 3 4 5 B中1 4 0 0 ×2 5约9 7 3 ．4 米2下压环Q 3 4 5 B中1 4 0 0 ×2 8 + C 5 0约8 6 4 米3腹杆Q 3 4 5 B巾1 1 0 0 ×2 08 0 根 4内拉环索全封闭钢绞线①9 01 0 根，每根长约工业建筑2 0 0 6 增刊1 4 3第六届全国现代结构工程学术研讨会3 9 3 米5上径向索( 脊索)半平行钢索3 3 7 0 54 0 根6下径向索( 谷索)半平行钢索3 3 7 m 54 0 根7分叉索半平行钢索2 4 1 0 58 0 根8中间径向索螺旋钢绞线巾3 0 ( 1 ×6 1 )8 0 根 9悬挂索螺旋钢绞线m 3 0 ( 1 ×6 1 )7 2 0 根l O膜面支撑索及环螺旋钢绞线0 3 0 ( 1 ×6 1 )8 组共3 2 根 向索1 1膜单元P V C8 9 0m 2共8 0 片 另外：钢结构总重4 2 0 0 吨；钢构件总长4 ．2 千米。
钢索总重9 9 5 吨；总长3 5 ．9 千米四、施工方案及模拟计算( 一) 安装难点及方案的选择本工程钢索体系共由2 6 8 4 根钢索组成，总重量为9 9 5 吨，具有数量多、吨位重、安装工序复杂、安装难度大等特点，环索、脊索、谷索的安装是整个钢索体系安装的最大难点如果在环索、脊索、谷索投影位置及相应标高处搭设承重脚手架，进行环索的组拼和脊索、谷索的安装，方案虽然可行，但所需的脚手架数量非常巨大，将直接造成施工成本的增加，同时也很不安全，在钢索体系的安装过程中，内场地草坪、跑道及看台的抹灰、座椅等很多专业将无法与索膜安装交叉施工，直接影响到整个工程的工期，因此使用脚手架的方案基本不可行另一种可能的方案，是使用4 0 台3 0 0 吨张拉能力的设备将内环索整体提升到位，然后再挂设脊索，此时脊索可在很小的拉力( 小于2 0 吨) 下直接挂设，但此方案需要大吨位的穿心千斤顶，采购困难，价格昂贵，因此，这种方案的可操作性不强最终，结合国内起重设备的实际能力、施工工期并考虑到降低施工造价，我们采取了分两次张拉的方式进行环索、脊索、谷索的安装，即首先采用8 0 台小吨位穿心式千斤顶将环索整体提升至3 7 米标高左右( 第一次张拉) ，然后采用8 台大吨位承压式千斤顶按四点对称的原则分l O 组安装脊索( 第二次张拉，每批安装四根脊索) ，这样，可大大降低张拉千斤顶的吨位，同时也能满足施工工期的需要。
( 二) 施工模拟计算和设备选型j准确、详尽、合理的施工模拟计算不仅是选择张拉升设备的基础和完成施工工艺的前提保证，而且是安装过程监控和检测的理论依据经过对安装过程的认真分析，我们把模拟计算分为环索整体提升、脊索安装、谷索安装、悬挂索安装、中径向索安装五个大的阶段，按四点对称安装的原则分别按吊装、张拉两个施工顺序共进行了3 6 个安装状态的模拟计算，并对每一个安装步骤中钢索、钢结构的几何位置及内力情况进行了分析整理和调整( 图4 ) ，在可能的范围内根据现有的设备能力调整工装索的受力以及二次张拉的行程在整个施工模拟计算过程中均保持下压环与混凝土柱之间为滑动连接状态( 沿径向自由，沿切线方向固定) 工业建筑2 0 0 6 增刊第六届全国现代结构工程学术研讨会，黄五帝r 莆i 曩竞虚碍童标誓：1 1 ’．I ' 1 1 ．1 糸 工鞋囊■X 由tl _ ¨督童一大力rr i l l | 1 1 皇示越曩●r 誓_ I i蓠七簪r 篇l 魍竞戚 碍膏标膏：l l ’．' ’●．睐瑚脚ra l r - | l l督羹一戈内r 啊‘¨ 嘲希虐—童r 啊4 | 1 1图4 施工模拟计算图例 根据施工模拟计算结果，在钢结构脊索耳板上部布置4 0 吨穿心千斤顶( L S D 4 0 型) 共8 0 个，其工装索( 每组6 根①1 5 ．2 4 的钢铰线) 与内环索索夹通过工装转换板连接，当内拉环索提升至3 7 ．8 ～3 8 ．0 米标高时，整个体系达到平衡状态。
经计算，此时每组工装索力为3 3 3 K N ，使用4 0 吨穿心千斤顶可满足整体提升的要求脊索挂设：当内拉环索提升至3 7 ．8 ～3 8 ．0 米标高后开始对称分组安装脊索( 每组四根) ，将脊索连同工装具使用5 吨卷扬机挂设在脊索耳板工装孔上，经过模拟计算工装挂设力最大约为1 6 ．5 吨，可使用3 —3滑车组，跑头拉力S = O ．1 8 ×1 ．1 ×1 6 ．5I l d g ：3 ．2 7 吨，5 吨卷扬机能够满足挂设要求，同时还配以7 5 吨汽车吊进行辅助挂设脊、谷索挂设各分1 0 组，每组4 根，以对称挂设为原则，二次张拉的行程为2 ．1 米，脊索挂设到位时最大张拉力为9 8 6 K N ，谷索挂设最大张拉力为1 1 1 9 K N ，故选用两台1 0 0 吨承压式千斤顶可满足要求五、钢索体系主要施工步骤根据上述计算，钢索体系施工安装步骤如下：环索地面准备一内环索整体提升一脊索安装一谷索安装一悬挂钢索安装一膜面支撑索、环向索安装其中，环索提升和脊索挂设为关键步骤，下面作重点介绍 一) 环索地面准备环索共分2 组，每组1 0 根，接头2 0 个，沿环索地面投影组装线用拖车及吊车配合放索，并将每根索与环索夹标识点对齐( 图5 ，6 ) 。
工业建筑2 0 0 6 增刊1 4 5第六届全国现代结构工程学术研讨会图5 内环索接头图6 内环索与环索夹连接 ( 二) 内环索整体提升 内环索整体提升采用液压同步提升技术，采用计算机控制，全自动完成同步提升降、负载均衡、姿态 矫正、应力控制、操作闭锁、过程显示和故障报警等多种功能，是集机、电、液、传感器、计算机和控制 论于一体的现代化先进设备( 图1 2 ) 1 、张拉设备布置( 图7 ) ：本工程每个上压环节点安装2 台L S D 4 0 千斤顶，共使用8 0 台千斤顶，每台千斤项钢绞线4 8 0 索，张拉设备共分8 组，每1 0 个千斤顶为1 组，由1 台控制柜、1 台泵站、1 台启动柜控制舅井．■中鼍十赢●崔两f i LS D 4 a 千斤伍叠升豫拉筏皇年面布置圈图7 提升张拉设备平面布置图2 、张拉设备安装在上压环脊索安装位置的两侧，焊接千斤顶工装耳板，用来挂设L S D 4 0 千斤顶，使用8 0 吨汽车吊将L S D 4 0 千斤顶连同钢绞线、油管、控制线安装在工装耳板上，下锚点在谷索夹两侧相应的位置，L S D 4 0 千斤顶与上压环工装耳板安装完成后( 图8 ) 进行六根钢绞线下锚盘的安装。
工业建筑2 0 0 6 增刊第六届全国现代结构工程学术研讨会图8 张拉千斤顶与上压环连接安装3 ．内环索整体提升( 图1 3 )图9 脊索挂设八组张拉设备就位并调试无误后，开始进行内环索整体提升工作，分别使各张拉千斤顶的钢铰线受力，将内环索提升1 ．5 米高，上下锚锁死并停机，进行下列工作：1 ) 环索夹盖板螺栓拧紧；2 ) 环索夹油漆喷涂；3 ) 每个环索夹内侧安装测量觇牌，用于环索提升过程中测量监控；4 ) 安装环索内力测量装置，用于环索提升过程中环索内力监控，为慎重起见，本工程采用钢弦式应变计( 建研院负责) 和光栅光纤应变传感器( 华工院) 两种方法进行内环索力测量( 图1 0 ，1 1 ) ，分别安装在环索索体和环索接头上；图1 0 钢弦式应变计安装完成图1 1 光栅光纤应变传感器安装 为保证环索张拉时各点受力均衡，每进行7 - 8 次提升张拉循环后，对各张拉点( 环索夹) 的高度进行测量检查，必要时应进行个别调整，调整完成后再进行提升张拉，当内环索提升至3 7 ．8 ’3 8 米时，上下锚锁死并停机，完成内环索的整体提升工作图1 2 环索提升计算机总控图1 3 环索整体提升 ( 三) 脊谷索安装脊索安装按下述程序进行：脊索沿看台展开( 图1 4 ) 一脊索上安装悬挂索夹和脊限位索一卷扬机及3 - 3 滑车组就位、二次张拉工装与脊索安装一脊索、分叉索与内环索连接一二次张拉工装与上压环节点连接一脊索二次张拉并安装索销。
谷索安装过程与脊索类似，其余步骤略工业建筑20 0 6 增刊1 4 7第六届全国现代结构工程学术研讨会图1 4 脊索沿看台展开六、结语佛山世纪莲体育场索膜工程是超大规模的膜结构工程，目前的工程实例不多一些中小工程安装中可以忽略的因素，在本工程中须认真分析、对待，本文在施工方案，施工模拟计算等方。