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       空間膜結(jié)構(gòu)是一種利用預(yù)應(yīng)力和雙曲面幾何形狀，使薄膜材料承受張力而形成穩(wěn)定的空間形體的結(jié)構(gòu)形式。空間膜結(jié)構(gòu)具有輕質(zhì)、美觀、透光、大跨度等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于體育場(chǎng)館、展覽中心、商業(yè)廣場(chǎng)等建筑領(lǐng)域。

       甘肅運(yùn)動(dòng)場(chǎng)是甘肅省的一座綜合性體育場(chǎng)館，位于蘭州市城關(guān)區(qū)，占地面積約 10 萬(wàn)平方米，可容納 4 萬(wàn)人觀賽。為了提升運(yùn)動(dòng)場(chǎng)的功能和美觀，甘肅運(yùn)動(dòng)場(chǎng)計(jì)劃在原有的混凝土看臺(tái)上增加一層空間膜結(jié)構(gòu)的屋蓋，以遮陽(yáng)、防雨、降噪、節(jié)能等效果。本文旨在介紹甘肅運(yùn)動(dòng)場(chǎng)空間膜結(jié)構(gòu)施工方案的主要內(nèi)容，包括設(shè)計(jì)原則、結(jié)構(gòu)形式、材料選擇、施工工藝等方面。

       二、設(shè)計(jì)原則

       甘肅運(yùn)動(dòng)場(chǎng)空間膜結(jié)構(gòu)施工方案的設(shè)計(jì)原則主要有以下幾點(diǎn)：

       以滿足運(yùn)動(dòng)場(chǎng)的功能需求和審美要求為目標(biāo)，充分考慮空間膜結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能、耐久性能、防火性能、環(huán)境適應(yīng)性等因素，選擇合適的結(jié)構(gòu)形式和材料類型。

       以保證空間膜結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定為前提，合理確定結(jié)構(gòu)的尺寸、形狀、預(yù)應(yīng)力、邊界條件等參數(shù)，避免出現(xiàn)過(guò)大的變形、應(yīng)力集中、疲勞破壞等現(xiàn)象。

       以優(yōu)化空間膜結(jié)構(gòu)的施工效率和質(zhì)量為導(dǎo)向，制定科學(xué)的施工工藝和方法，采用先進(jìn)的設(shè)備和技術(shù)，控制好施工的時(shí)間、成本、質(zhì)量等指標(biāo)。

       以尊重空間膜結(jié)構(gòu)的特性和美感為原則，協(xié)調(diào)好空間膜結(jié)構(gòu)與原有建筑的關(guān)系，遵循空間膜結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)理念和風(fēng)格，創(chuàng)造出富有創(chuàng)意和表現(xiàn)力的空間形態(tài)。

       三、結(jié)構(gòu)形式

       甘肅運(yùn)動(dòng)場(chǎng)空間膜結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式為單層懸掛式空間膜結(jié)構(gòu)，即由一層薄膜材料通過(guò)鋼索和索桿等構(gòu)件與周邊的支撐結(jié)構(gòu)連接，形成一個(gè)懸掛在空中的空間形體。

       單層懸掛式空間膜結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、輕巧、經(jīng)濟(jì)，適合于大跨度的覆蓋結(jié)構(gòu)。單層懸掛式空間膜結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)的剛度較低，容易受到風(fēng)荷載、雪荷載、溫度變化等因素的影響，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的變形和應(yīng)力的變化。

       甘肅運(yùn)動(dòng)場(chǎng)空間膜結(jié)構(gòu)的平面形狀為橢圓形，與運(yùn)動(dòng)場(chǎng)的看臺(tái)形狀相匹配，周長(zhǎng)約為 600 米，最大跨度約為 200 米，最小跨度約為 100 米?？臻g膜結(jié)構(gòu)的高度為 30 米，與運(yùn)動(dòng)場(chǎng)的燈塔高度相同，形成一個(gè)統(tǒng)一的空間形象。

       空間膜結(jié)構(gòu)的曲面形狀為雙曲面，即由兩個(gè)相反方向的曲率組成的曲面，具有較好的力學(xué)性能和美觀性?？臻g膜結(jié)構(gòu)的曲率由結(jié)構(gòu)的邊界條件和預(yù)應(yīng)力決定，一般采用數(shù)值模擬和優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法確定。

       空間膜結(jié)構(gòu)的邊界條件為固定邊界，即空間膜結(jié)構(gòu)的邊緣與周邊的支撐結(jié)構(gòu)固定連接，不允許有相對(duì)位移和轉(zhuǎn)角。固定邊界的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和剛度較高，邊緣的應(yīng)力較小，不易產(chǎn)生皺褶。固定邊界的缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)的自由度較低，對(duì)支撐結(jié)構(gòu)的要求較高，需要有足夠的抗彎和抗剪能力。

       空間膜結(jié)構(gòu)的預(yù)應(yīng)力是指在空間膜結(jié)構(gòu)安裝前，通過(guò)施加外力，使空間膜結(jié)構(gòu)的薄膜材料處于一定的張力狀態(tài)，以提高結(jié)構(gòu)的剛度和穩(wěn)定性，減小結(jié)構(gòu)的變形和應(yīng)力的波動(dòng)?？臻g膜結(jié)構(gòu)的預(yù)應(yīng)力的大小和分布由結(jié)構(gòu)的形狀、材料、荷載等因素決定，一般采用數(shù)值模擬和試驗(yàn)驗(yàn)證的方法確定。

       四、材料選擇

       甘肅運(yùn)動(dòng)場(chǎng)空間膜結(jié)構(gòu)的主要材料有兩種，一種是薄膜材料，另一種是支撐結(jié)構(gòu)材料。

       薄膜材料是空間膜結(jié)構(gòu)的主要承力材料，其性能直接影響結(jié)構(gòu)的功能和壽命。薄膜材料的主要性能指標(biāo)有：

       強(qiáng)度：指薄膜材料承受張力的能力，一般用抗拉強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率表示。

       剛度：指薄膜材料抵抗變形的能力，一般用彈性模量和泊松比表示。

       耐久性：指薄膜材料抵抗老化和損壞的能力，一般用耐候性、耐紫外線、耐化學(xué)腐蝕、耐磨損等指標(biāo)表示。

       防火性：指薄膜材料抵抗火災(zāi)的能力，一般用阻燃性、自熄性、煙密度、毒性等指標(biāo)表示。

       透光性：指薄膜材料透過(guò)光線的能力，一般用透光率、反射率、吸收率等指標(biāo)表示。

       隔熱性：指薄膜材料隔絕熱量的能力，一般用熱傳導(dǎo)率、熱容量、熱膨脹系數(shù)等指標(biāo)表示。

根據(jù)甘肅運(yùn)動(dòng)場(chǎng)空間膜結(jié)構(gòu)的功能和環(huán)境要求，本方案選擇了 聚四氟乙烯（PTFE）涂層玻璃纖維薄膜 作為薄膜材料。PTFE涂層玻璃纖維薄膜是一種高強(qiáng)度、高剛度、高耐久性、高防火性、高透光性、高隔熱性的薄膜材料，是目前國(guó)際上最成熟和最廣泛應(yīng)用的空間膜結(jié)構(gòu)材料之一。PTFE涂層玻璃纖維薄膜的主要性能參數(shù)如下表所示：

       支撐結(jié)構(gòu)材料是空間膜結(jié)構(gòu)的輔助承力材料，其作用是提供空間膜結(jié)構(gòu)的邊界條件，傳遞空間膜結(jié)構(gòu)的內(nèi)力，保證空間膜結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性。支撐結(jié)構(gòu)材料的主要性能指標(biāo)有：

       強(qiáng)度：指支撐結(jié)構(gòu)材料承受壓力、拉力、彎曲力、剪力等的能力，一般用抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度等表示。

       剛度：指支撐結(jié)構(gòu)材料抵抗變形的能力，一般用彈性模量、剪切模量、泊松比等表示。

       耐久性：指支撐結(jié)構(gòu)材料抵抗老化和損壞的能力，一般用耐候性、耐腐蝕性、耐疲勞性等指標(biāo)表示。

重量：指支撐結(jié)構(gòu)材料的單位體積的質(zhì)量，一般用密度表示。

       根據(jù)甘肅運(yùn)動(dòng)場(chǎng)空間膜結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式和荷載特點(diǎn)，本方案選擇了 鋼材 作為支撐結(jié)構(gòu)材料。鋼材是一種高強(qiáng)度、高剛度、高耐久性、輕重適中的結(jié)構(gòu)材料，是目前國(guó)際上最常用的空間膜結(jié)構(gòu)支撐結(jié)構(gòu)材料之一。鋼材的主要性能參數(shù)如下表所示：

       五、施工工藝

       甘肅運(yùn)動(dòng)場(chǎng)空間膜結(jié)構(gòu)的施工工藝主要包括以下幾個(gè)步驟：

       薄膜材料的加工：根據(jù)空間膜結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)圖紙，將薄膜材料按照規(guī)定的尺寸和形狀切割，然后通過(guò)高頻焊接、縫合等方式將切割好的薄膜片拼接成整體的薄膜面，同時(shí)在薄膜面的邊緣安裝連接件，如鋼索、索桿、環(huán)形件等，以便與支撐結(jié)構(gòu)連接。

       支撐結(jié)構(gòu)的安裝：根據(jù)空間膜結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)圖紙，將鋼材按照規(guī)定的尺寸和形狀加工成支撐結(jié)構(gòu)的構(gòu)件，如鋼柱、鋼梁、鋼索等，然后通過(guò)螺栓、焊接等方式將支撐結(jié)構(gòu)的構(gòu)件組裝成整體的支撐結(jié)構(gòu)，同時(shí)在支撐結(jié)構(gòu)的邊緣安裝連接件，如鋼索、索桿、環(huán)形件等，以便與薄膜面連接。

       薄膜面的安裝：將加工好的薄膜面通過(guò)吊車(chē)等設(shè)備吊裝到支撐結(jié)構(gòu)的上方，然后通過(guò)連接件將薄膜面的邊緣與支撐結(jié)構(gòu)的邊緣連接，形成一個(gè)初步的空間膜結(jié)構(gòu)。

       薄膜面的預(yù)應(yīng)力施加：通過(guò)調(diào)節(jié)連接件的長(zhǎng)度和角度，使薄膜面的邊緣受到一定的拉力，使薄膜面呈現(xiàn)出預(yù)定的雙曲面形狀，同時(shí)測(cè)量薄膜面的變形和應(yīng)力，與設(shè)計(jì)值進(jìn)行對(duì)比，進(jìn)行必要的調(diào)整，直到達(dá)到設(shè)計(jì)要求的預(yù)應(yīng)力水平和形狀精度。

       薄膜面的檢測(cè)和驗(yàn)收：對(duì)薄膜面的形狀、尺寸、應(yīng)力、透光性、防火性等進(jìn)行全面的檢測(cè)，與設(shè)計(jì)值進(jìn)行對(duì)比，檢查是否存在缺陷或不合格的地方，進(jìn)行必要的修復(fù)或更換，最后進(jìn)行驗(yàn)收，確認(rèn)空間膜結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和功能。