卡塔尔世界杯主场馆屋顶膜技术揭秘

卢塞尔体育场是2022年卡塔尔世界杯主场馆，体育场外部主体结构由屋面索网、受压环梁和 V形钢结构柱等组成，内部主体结构由现浇钢筋混凝土框架结构以及预制钢筋混凝土看台等组成。结构体系十分复杂，设计和施工极具挑战，建成后将是世界上同类型索网体系中跨度最大、悬挑距离最大的双层索网屋面单体建筑。

对于次索结构，压环上弦中心点的投影是一个直径为274m的圆，而内拉环索中心点的投射是一个半径为122m的圆。屋面结构像一个马鞍形的碗，西部和东部外缘的标高为+76.600m，而北部和南部外缘的高程为+61.035m，球场高度为5.00m。卢塞尔体育场效果如图1所示，项目整体建造流程如图2所示。

图1 体育场效果

图2整体建造流程

卢塞尔体育场的屋顶结构由48根辐条式圆形径向主索组成，为交叉鱼尾结构。辐条轮式索网屋盖系统由2个内拉环索和1个外压环梁组成，由径向主索连接，是大跨度屋盖中质量最轻、结构最有效、成本效益最高的系统。卢塞尔体育场索网屋顶系统构成如图3所示。

图3屋顶结构构件

屋顶采用聚四氟乙烯膜覆层系统，覆盖所有座椅，并为座椅内的观众遮雨和遮阳。膜系统的分解如图4所示。屋顶次拱杆作为膜骨架支撑着膜，使膜表面最终形成叶序型图案。

卢塞尔体育场屋顶膜面积56 300m ² ，沿屋顶径向分为96个面板，如图5所示。每个面板的尺寸约为586m ² ，重约为1 065kg。雨蓬膜面积约3 500m ² ，屋面膜总面积接近60 000m ² ，选用德国Verseidag生产的B18059型号的聚四氟乙烯（PTFE）膜材，原材料标准门幅宽度4.7m。

卢塞尔体育场屋面膜结构建筑设计上考虑排水、透光性和美观要求后，采用双曲面构造形成菱形钻石结构的外观效果，整体呈南北低，东西高。

屋面膜结构在受力设计方面按照承载力极限状态和正常使用极限状态进行结构整体和构件的设计。由于卡塔尔属于热带沙漠气候，终年无雪但是风沙天气较多，所以在荷载组合阶段未考虑积雪的荷载组合而考虑了积沙的荷载组合以及正常使用阶段膜面清洁等维护工作所需要的荷载。

膜结构初始形态的确定、荷载效应分析和裁剪设计是相互影响、相互制约的，必须不断地进行调整。同时，还需考虑施工过程中的施工工艺、初始预张力等问题的实现。初始形态分析的目的是确定膜结构的几何形状来满足在初始应力下的自平衡。荷载效应分析的目的是计算满足荷载静态平衡条件下结构的内力和位移。裁剪分析主要是对空间薄膜表面进行适当划分，并将其展开成一个平面，以确定膜材在张力影响下的裁剪下料图。膜结构表面的形成与初始预张力有关，切割时应当考虑应力释放后膜材料的弹性回缩。一般是根据初始预张力和所用膜材的特性，修改裁剪薄膜的几何尺寸（沿经向和环向回缩）来消预张力对膜的影响。

膜结构的松弛会导致刚度下降，受风载荷作用将产生强烈的振动，严重时会造成膜片撕裂。同时，膜结构的松弛还会对结构的美观和排水产生不利的影响。因此，应尽量避免膜材在正常使用状态下出现松弛。实际工程中部分柔性边界可以通过调节钢索的长度及张紧螺栓的长度实现二次施加预张力，但是由于施工困难的原因，很少进行二次张力导入。施工中采用超张拉的方法也能够保证膜结构张力的长期稳定性。本项目采用超张拉手段来保证膜面预应力的长期稳定。

在连接设计上，需考虑屋面防雷设计和照明设计在膜结构上的布置，同时做到膜材与建筑物内部、外部物体之间的距离不小于膜面在最不利工况下变形值的两倍，且不宜小于1.0m，从而避免膜结构在正常使用期间因受最不利荷载组合的作用磨破膜材。

整体屋面膜结构的空间曲面是由许多平面膜材经裁剪设计搭接而成，拼接处通过热熔焊交叠连接，膜材幅宽较小，因此膜片间按照75mm搭接热合连接并形成单榀膜单元，整个屋面共计96榀膜单元。

在工厂中将膜结构原材料加工成若干膜体，运输到现场后，将膜体与连接结构相连，最后再用桥膜进行膜体连接形成空间曲面。本工程膜体分割有3种比选方案：直线形膜体分割，弧形膜体分割，鳞片形膜体分割。考虑到建筑外观需要保持整体、连续、统一，焊缝布置如图6所示。

图6三种膜材单元划分方案焊缝布置

膜体分割方案如下。

1）鳞片形膜体分割  其膜体单元小，虽然便于包装运输，但是现场桥膜焊接的工作量巨大，不利于降耗增效，而且现场焊接的质量不如工厂焊接可靠，大量现场作业也增加了漏水风险，因此，本方案被排除。

2）弧形膜体分割  此方案会使膜索节点处有2种不同的节点形式，建筑外观不统一，且现场防水桥膜的热合焊接位于膜谷排水道上，后续形成漏水点的概率较大。同时，因为膜结构跨度大，螺旋形弧线分割后单榀膜材尺寸更大，不利于折叠和运输。因此，本方案被排除。

3）径向直线型膜体分割  本方案的防水桥膜焊接在膜拱杆顶部，利于防水设计。其膜索连接节点只有一种，建筑外观形式统一。同时，其膜体单元并不大，便于包装与运输，而且现场桥膜焊接的工作量也相对较少。因此，本项目最终选择径向直线型分割方案把整个屋面膜材分割为96榀，进行加工和后续安装。

本项目使用 B18059 膜材，标准门幅宽度为 4.7m，而最经济的焊缝布置方案中的每块膜片已经把膜材的幅宽基本用尽，损耗率是极低的。然而根据建筑设计和焊缝布置美观统一的要求，膜片宽度在 2.5~4m，当 2.5m宽的膜片从原材料裁切后，剩余2.2m的原材料的宽度不足以用来制作其他膜片，只能作为屋面防水材料或废料。按照初步套裁分析，由此产生的损耗率高达 53%。

基于上述情况，对现有门幅宽度进行优化是降低膜材损耗的唯一方案。通过对供应商工厂的实地考察，考虑生产成本后确定提供4m和4.7m两种门幅规格的原材料。

通过采用 4m和 4.7m两种不同门幅的膜材进行混合套裁，优化了膜片套裁的设计，每个单体膜面板展开面积为 586 m ² （不含膜边收口及膜焊缝搭接部分材料），结构需要但不计入计价面积的防水膜面积为 92m ² ，膜单体实际套裁使用面积为 805m ² ，防水膜材占计价展开面积的 15.7%，膜体套裁损耗为 37.4% 。在考虑膜收边及焊缝搭接实际所需但不计入计价面积的材料后，膜体实际套裁损耗将低于 21.67% 。经统计，最终的原材料实际损耗率控制在了12.6% 。

膜结构的安装主要分为以下几部分：① 膜吊装；②膜展开；③膜与内拉环索固定；④膜与受压环梁固定；⑤膜与水平索节点固定；⑥膜与拱杆连接；⑦膜与水平索连接；⑧搭接桥膜安装。安装步骤如图7所示。在膜开始安装之前，必须确保索网入口和救生索已由专业人员根据索网安装批准的方法进行安装。

图7膜结构安装步骤

在工厂制造完成后，膜必须折叠，如图8所示。折叠后的膜材放置在专用的提升架上，然后用起重机从地面提升到外压环梁上。

图8膜面板尺寸

对于每个膜单元，材料分为3个部分（膜、铝型材、附件）单独起吊。每个部分将由塔式起重机吊起，在受压环梁的内上弦附近卸载，并在展开前用钢架临时固定在屋顶上。根据计算，最重部件作用在单个吊装皮带上的荷载约为13kN，考虑安全性选用3t承载能力的吊装皮带。

膜和部件存放在屋顶上，对屋顶的承载能力进行双重检查，并采取必要措施保护屋顶。根据卢塞尔体育场的结构钢设计报告，评估活荷载，并将其与其他荷载相结合，进行屋顶系统设计，如图9所示。屋顶压环上的材料重不得超过1kN/m ² 。

图9屋面均布活载（单位：kN/m ² ）

1）保持拱杆稳定的措施

在膜展开之前，膜、拱杆和水平索系统连接时，应在膜安装之前使用张紧带以保持拱杆的稳定，如图10所示。临时张紧带的最大承载力为34kN（在连接一个膜面板的情况下保持拱稳定）。

图10保持拱杆稳定的张力带

2）膜展开方法

膜展开主要应用于两种场景：场景1 在索网通道上以及水平索上展开膜，在膜展开之前，调整上述张紧带以稳定拱杆；场景2 在相邻的已安装好的膜面板上展开膜，再将其移至安装区域。

当膜被展开时，操作人员拉伸膜将其连接至内拉环索，为方便该过程将铝型材插入膜中。使用棘轮带将膜拉到设计位置，然后在内拉环索上安装一个辅助型材，从而实现两者的连接，并拆下棘轮带。

为了便于膜连接到内拉环索，应拖拽内拉环索固定的膜边缘。在膜展开过程中，膜将通过如图11所示的以下3个步骤连接到内拉环索。

图11内拉环索固定膜的步骤

为了便于连接受压环梁，将遵循与连接内拉环索相同的过程，通过在安全网上移动来实现。考虑到膜自重的影响，膜边界在初始状态下无法连接到受压环梁，距离受压环梁内上弦约1.6m。牵引带将膜与屋顶钢结构连接，并将膜拖至受压环梁。膜和受压环梁的固定细节如图12所示。

图12膜与受压环梁的固定细节

操作人员将膜拉向水平索节点和支柱节点的底部，分别位于主拱杆和次拱杆。然后，将铝型材插入开放式搭接接头，再将螺栓穿过夹具和铝型材并连接到结构的螺纹中，将其连接到结构上[8]。膜和水平索节点的固定细节如图13所示。

在连接到索节点之前，应使用特定的铝型材夹紧膜边缘。组合型材将使用M12螺栓将膜面板拖至索节点。

图13膜与水平索节点的固定细节

1）提升膜的设备研制  研制一种新型设备，用于提升膜并在平面上移动膜边缘。两台绞车（每台容量：1t）固定在设备上，一台固定在拱杆钢管顶部，用于向上拉动膜，另一台用于在平面上调整膜边缘。

2）工作平台准备  ①使用组装式铝梯为膜面板安装提供工作通道；②使用软梯在已安装好的膜面板上提供工作平台，软梯通道如图14所示。

图14软梯通道

根据操作的可行性确定连接铝型材长度为1.5 ~ 2m/个。如图15所示，膜和铝型材将由固定在平面内提升设备上的绞车拖动，根据设计细节，型材将由M12不锈钢螺栓固定在拱杆上。

图15连接设计细节

每个膜面板应有12个用水平索固定的膜边缘，连接细节如图16所示。这些边缘将从内上拉环索固定到受压环梁。然后，膜将通过铝型材和下拉装置连接到水平索系统上。

图16膜与水平索的连接

根据工厂的安装试验，当膜面板连接到拱杆上时，连接到水平索的膜边缘将被提升，膜谷边缘与水平索之间的距离会大于1m，膜和索网入口之间的空间足以将膜连接到水平索上。

在膜连接到拱杆之前，用水平索固定膜谷边缘的铝型材应连接到膜上。型材的长度设置为2m左右。使用手动绞车（l t）和拉具（l t）将膜谷边缘向下拉，调整膜谷边缘和水平索之间的最终距离，以匹配屋顶膜的三维几何结构。

考虑到拱杆在安装屋顶膜单元期间会发生位移，在6个连续膜单元完成后，将在预定位置安装防水。防水范围包括膜连接拱、膜连接压环、膜连接内拉环索上安装的排水沟、膜连接索节点。

在380℃的温度下进行桥接膜焊接是创建完全密封、防风雨和自由排水屋顶的关键。实际温度将显示在监视器上，并由焊接机自动控制。在桥接膜成型过程中，每个拱杆的桥接膜将从中间点焊接到两端，并逐步拆除绳梯。防水如图17所示。

图17防水详图

针对该索系支撑式膜结构的地理位置与所用材料，制定了相应的膜结构运行与维护手册，相较于国内规范CECS 158—2015《膜结构技术规程》更为严格与具体。基于该膜结构的设计施工、材料选择等，总结出了具体的维修养护方案。

膜结构使用期间应注意以下问题：①除非得到承包商的书面批准或特殊规定，否则在任何情况下，严禁任何人员接触膜面板；②严禁在膜面板1m间隙内设置或连接温度超过60℃的物体；③严禁在距膜体20cm的间隙内敷设电线；④在距膜体2米的范围内，严禁进行切割、电焊、动火等危险作业；⑤在高挥发、高腐蚀性气体和液体的影响下，禁止腐蚀性物体与膜体长时间接触。

正常使用情况下，必须每月进行检查，主要检查内容应包括膜表面变形、膜破裂或涂层剥落、紧固件松动等，发现问题应立即通知、记录并修复。在膜清洁过程中，禁止使用会损害膜表面的化学试剂，清洁剂应由膜供应商批准，建议使用常压水清洗膜。在清洁过程中，如果必须站在膜上，工人必须穿软底鞋，并移除硬物，以防止膜体意外损坏。此外，工人必须使用适当的防护装置，禁止在没有安全带的膜体上工作；在2m ² 的区域内，禁止两人或两人以上同时站在同一膜上。

应在恶劣天气到来前后进行检查，以识别节点、固件件松动等异常情况，所有发现的问题应记录在案，并由专业人员进行修复。紧急和严重的情况应立即通知承包商，并由专业人员提出维修方案。

1）检查点

为了膜结构的正常运行，应定期检查膜结构。维修负责人必须记录维修活动，填写相关质量检查表，保存所有记录。

2）维修过程

维修时应根据损坏情况制定相应的维修计划及详细的维修流程，具体维修工作由专业人员完成。具体维修过程：①对于直径小于5cm的小裂纹或孔洞，可直接在膜面外侧熔接边缘已磨圆的补片，进行裂纹或孔洞的修补。②在修复操作过程中，直接在膜表面的外侧添加补片，工人使用膜焊机进行焊接，过程中实时检查焊缝，以确保焊接补片和膜表面之间没有间隙。③焊接完成后，需要冷却并磨平焊缝。④如果是修复剥落的桥接膜，则需要对桥接膜的表面进行处理，先清洁焊接表面，然后进行焊接修复。

由于膜单元安装在架空位置，且聚四氟乙烯涂层膜具有抗环境污染和抗老化的性能以及较高的化学稳定性、良好的自洁性和防水性能，因此用冷水或温水冲洗膜面是清洁屋面膜的主要方法。冲洗膜面时所使用的高压清水机的压力需要限制在6bar以下，且膜结构与压力清洗机喷嘴之间的距离应在500~600mm，一常用的检验方法是喷水到裸露的手掌时没有疼痛的感觉。

聚四氟乙烯涂层膜具有抗粘性，所以应首先取走干燥的灰尘块，然后用湿布清洗或喷水清洗。由于聚四氟乙烯的拒水特性，水会自动排出，不需要对膜进行干燥。清洁顺序如下，两组技术人员同时清洁受压环梁和内拉环索，灰尘会随水流沿着膜面与铝型材间隙排出，污水随后排入雨水收集系统，完成膜面清洁。