张拉膜建筑具有自由流畅的空间表现形式,其结构以不同于常规的方式成为建筑外观的载体,为建筑师的创作提供了更多的机会同时也给施工带来了挑战。

张拉膜结构的构造和功能独特,而目前施工单位对张拉膜建筑的安装比较陌生。就本质而言,膜结构承建过程中遇到的问题大都与施工者对其完全异于传统概念的设计思想尚缺乏充分认识有关。

近几年来,索膜建筑体系在我国有较快的发展,但工程设计领域以此了解和认识相对滞后,一般设计师尚未形成在建筑中首先“找形”的概念。“找形”是膜结构设计的专用语,其含义又是在特定的结构体系中,在已定的支撑边界条件下通过结构计算分析确定膜面的形状,即膜面在合适的预张紧力作用下,一般会呈现最小的空间自然曲面以适应边界控制点的限制,所以,要做好膜建筑设计的首要条件是掌握熟悉膜结构的“找形”设计。

膜建筑材料为PTFE,PVC等软质织布,其本身不能有效地抵抗弯剪,结构必须在整个膜面内形成分布合理的预应力场,达到预张紧的状态才能通过有效的非线形几何变位来承担外界的荷载,膜布上的松弛或皱褶,不仅造成局部的承载失效,而且使风振的动压效应更复杂,同时,膜布在不张紧的状态下反复受荷,极易引起材料表层与基布之间的疲劳损伤,增大了破坏概率,因此设计施工时都不能在顶应力的处理上出现偏差,必须确保膜结构在考虑各种设计载荷下都不会出现局部松弛,可以说,准确控制预张紧力是贯穿膜结构从设计到施工各环节的一个很重要的全程因素。

膜结构的施工与设计或制造等环节的分界不像普通建筑那样明确,以膜结构的制造为例,虽然很多情况首先在工厂内预制,但制造者最好是膜结构的施工者,不希望由两家不相关单位分别完成制造和施工。同样,在膜结构的设计阶段,就应对施工有所考虑,宜由施工人员提供专业的参考意见。例如按施工能力是否有必要将整体的膜结构分拆成若干部分分别吊装,如何选择对安装最有利的膜布经线或纬线方向等。正因如此,一般建议专业化的制造公司兼做结构设计与施工。

膜结构具有施工周期短,易建、易拆、易搬迁、易更新等特点,然而,现实中却更容易发现建成后的膜结构存在缺陷。这是因为膜结构若稍有张拉不当,膜面易出现皱褶,由于膜顶一般在室内直接作为天花,且将其半透明质地作为背景的衬托,使缺陷异常显眼,容易遭致夸大的负面评价。因此,从严格要求的意义上来讲,膜结构的施工也并不简单。施工单位不仅应具有精确的结构定位能力,多数情况下还应拥有合格的膜面剪裁成形技术,并对膜材料的本构关系有深入的了解。

裁剪是建造膜结构的特需的技术,这是因为膜结构的空间形状多较复杂且不可展,只有分割成相当数量的小块后,这些较小尺度的膜片方可近似认为能展开成平面。将已在图纸上成形的曲面膜片放样到市面出售的平面膜材,是裁剪工作的核心;从理论上讲只是物体的空间几何位置的变换问题,并不复杂,最简单的作法是通过将膜片划分成单排三角形网格,则放样的过程转化为以每个三角形按次序转动或平移,最终达到各三角形在不改变原拓扑结构的基础上依次排列到同一平面内。还有其他较精确的裁剪理论,如测地线法、动态规划法等。当前的趋势是发展有关的计算机辅助设计以简化相关的劳动,这方面的软硬件都相当昂贵,而且存在不少局限。这些局限一般都不是所依赖的理论有何缺陷,而是缺乏对整体工程优化的考量。例如每个膜片的尺度开成多大为最优,太大焊接后的整体膜结构造型生硬,不够平整,膜面内张拉的预应力场也将扭曲不够光顺流畅;太小则浪费膜材,而膜材的成本占膜结构造价的相当大部分。因此如何在有固定规格的市售成卷膜材上优化放样以减少余料,有很重要的经济意义:还有一点容易忽略的是,裁出的边缝有着建筑学上装饰意义,在半透明的膜顶上胡乱排置的膜片接缝给人以恶劣的印象,因此,理想的裁剪应基于对拼按缝布置的建筑美观、拼接后的结构曲面流畅,以及膜材耗费的经济性等诸方面的综合考虑、并不是一个纯粹的几何问题,因而在理论上远未定型。

在裁剪时须将膜片沿经线和纬线方向按一定比例缩小后切割,以“补偿”安装完毕胶布施加预应力后的伸长扩张,该收缩“补偿”的比例根据膜布受力状态下经线和纬线两方向上的应变确定,因此必须由结构工程师提供预张力分布和结构的空间形状,并与材料供应商共同研究以获得膜布材料尽可能准确而实用的双轴应力-应变关系。

这个阶段的特点,无论是在工厂的工作台还是现场的地面,由于整体的膜布铺开后占场地很大,最易因照看不周则遭受人为损坏。

典型的膜片粘接缝宽为:PVC膜材25~50mm,FIFE膜材50~75mm,对精度要求较高的膜结构甚至要考虑接缝处双层膜材的刚度提升对整体张拉成形后的“补偿”效果在整体拼装后会有损失致使张拉不能有效到位。

粘接完成后须折叠起来运送到现场安装,在现场展开时须注意地面应干净无尖锐杂物,工作人员应避免在膜面上不必要的走动,若因工作需要也应穿软底鞋,并避免在膜布上踩出折痕,造成弯折破坏。由于膜材(尤其是PTFE膜材),极易发生弯折破坏,因此,对膜进行吊装时束系和固定时都要加倍小心。一般认为,该阶段是整个施工过程中比较危险的,由于此时膜结构并未承受张拉,吊装到位后尚未永久固定,受风的威胁很大,施工中极易被风鼓起甚至吹走,这也会影响施工人员的安全。而未张紧的膜布在风作用下的抖振更放大了风的破坏效应,也使膜材疲劳损伤的概率大增,降低了膜结构的使用寿命。因此在风力较大的环境下应避免第二阶段的现场施工,而应选择适合的天气在尽可能短的时间内完成。

该阶段的任务是使膜布张紧不再松弛以承受载荷,操作上特别要注意避免由于张拉不均造成膜面皱褶。

预应力的大小由设计师根据材料、形状和结构的使用荷载而定,要求其最低值不能使膜面在基本的荷载工况组合(风压,雪荷载)下出现局部松弛,一般常见的膜结构张拉应力水平在2~10k N/m。施工中通过张拉定位索中顶升支撑杆实现。对帐篷膜单元,一般先在底部周边张拉到位,然后升起支撑杆在膜面内形成预应力。鞍形单元则要对角方向同步或依次调整,逐步加至设定值;而对于由一列平行拱架两侧初步固定(轻轻系住但不加力)的情况下,首先沿膜的纬线方向将膜布张拉到设计位置。在施工过程中应注意无论张拉是否能顺利到位,均不应轻易改变预先设定的张拉位置,若确定怀疑是设计问题,则应向设计方报告,经结构工程师研究同意后方可作出修正。

固定并顺利完成张拉以后,膜面内应产生预期的应力场。极少数情况下,由于材料的蠕变或膜结构内某些构件的连接不可靠(膜结构内含有的连接方式物别多,如索-膜、索-索、索-桅、膜-桅等的连接方式皆不同)以至于建成后需重新张拉。所以对材料的特性以及各种连接构造的特点和要求(例如连接强度、偏心限制等)应悉心掌握。

膜结构是一种柔性结构,结构材料本身不具有刚度,要具有抵抗外荷载的结构刚度,必须施加恰当的预应力,这个过程通过施工完成。膜结构的施工具有周期短的特点;虽然一般膜结构要建造并不困难,但要高质量地完成施工任务,仍需具备适当的技术和经验。由于膜结构的施工与工程的设计制造等环节结合比较密切,牵涉多方面的协作,因此须建立严格的质量控制程序并加强施工管理,否则建成后很有可能会出现意想不到的缺陷或遗憾。另外,当前普遍将膜结构仅作为工程的一个子项目,施工必须考虑与常规部分建筑承建单位的前后协调问题,这也是管理上的一个难点,必须引起重视。否则若衔接不当,严重者会给膜结构的建造带来困难,轻者也会造成两者连接无法细致处理等问题,使建成后的膜结构与主体建筑的造型之间联系僵硬。