ETFE膜高空竖向平面张拉技术在延庆海坨塔中的应用

1工程概况

随着技术创新推动材料能力的发展，ETFE膜材由于其拥有质轻、耐用、安全和透光等方面的优点，被越来越多的建筑师们重视起来，水立方的立面就使用的这种薄膜材料。

在国内现有的使用经验上，现阶段大部分ETFE膜材一般用于建筑顶部水平铺设。对于竖向安装，均采用充气膜结构，且已有的单层膜铺装方式也均采用索带对膜材进行固定。但一方面充气膜结构表面不平整，不适用设计需要平整表面的情况；另一方面，索带内部易积灰不易清理，长时间使用后，膜材表面会在索带位置出现灰色裂纹，影响美观。

对于超过100m的竖向膜片安装，由于ETFE膜表面要长期承受高强度风压荷载，且本身材质薄，使用时间越长，膜材破损的概率越大。同时在竖向安装时，膜材与附着结构的连接方式也会影响膜材使用 时间。

本应用介绍了高空竖向平面ETFE平面张拉膜在120m的北京市冬奥会标志塔——“海坨塔”工程中的使用。此项施工技术适用于展现ETFE膜片平面效果要求较高，安装高度超高且需承受风压荷载较强的区域，在此为类似的工程提供经验。

2ETFE索+膜结构深化设计

根据现有国内外施工经验，竖向ETFE膜结构一般采用膜材上附加索套为膜材的约束措施。但由于海坨塔地处延庆开阔地区，风力常年保持在4级风压以上，且根据设计要求膜材表面需能承受11级风压。

在施工过程中，通过对现场风力进行观测，风力全天基本在7级以上。使用传统单层膜+索带约束措施无法使整个系统承受11级风压，易导致膜材损坏。为此，根据采集到的现场风力参数，取同一单元膜材，分别在60m、120m下，考虑膜材永久荷载（DL）、预张力（PL）、风荷载（WL）以及保证稳定索间距不影响最终设计效果的情况，进行了相关计算。根据以上计算得出，在60m及120m的高空采用250μm（单层）的ETFE膜材进行竖向张拉会因强风高荷载导致膜材损坏，无法满足设计要求。

经分析，导致膜材损坏的因素主要是膜材自身强度及风荷载，而风荷载无法靠人为因素改变，只能从提高膜材强度入手。既然250μm的膜片强度不足，加厚膜材是唯一的方式。因临近冬奥会，海坨塔须在冬奥会开幕前完成，重新定制加厚膜材周期过长，无法满足施工需要，经各方研讨，最终决定采取双层ETFE膜（250μm+250μm）的方式进行铺装。对以上单元进行重新计算后，本项目采用250μm双层（500μm）的ETFE膜材，以保证满足设计要求。

在解决膜材抗风强度问题后，因海坨塔设计的膜材单元面积较大（25~30㎡），还应考虑对单元内的膜材进行可靠约束，确保膜材在风荷载下的振幅在一定范围内，延长膜材寿命。传统索带由于其工艺原

理不适用于双层叠合膜，为了保证叠合膜的整体强度，所用约束结构不应与膜片进行接触。同时由于本工程结构特点，属于非封闭结构，叠合膜片在内外两个方向上均要承受风荷载，因此需在膜片内外两个方向同时设置稳定索网，保证膜片在强风下振幅可控。

根据以上分析，海陀塔高空竖向平面ETFE张拉膜最终确定采用双层叠合膜+双层双向稳定索网的结构形式。

3技术特点

（1）采用250μm ETFE膜片双层叠合可以增加膜片整体抗拉强度，在加工时保证两片膜材贴合紧密，确保张拉完成后的整体受力，能大幅延长膜材的使用年限，降低了在高空长时间承受强风压情况下大面积膜材振幅过大导致的膜材过快老化。

（2）取消传统索带约束结构，采用双层双向索网约束结构措施，提高了膜材的张拉稳固能力，有效保证了膜材的整体平整；对约束结构进行整体受力复核，保证膜片在承受强风压荷载下的安装质量，延长使用寿命。

（3）膜片采用与施工环境相匹配的铝型材刚性边框，使边框能承受膜片张拉的强度，确保膜片张拉后的平整度，铝型材通过紧固螺栓与装饰附着结构 相连。

4ETFE张拉膜工艺

高空竖向平面张拉膜技术包括双向膜材稳定索、双层ETFE透明膜材、通长对拉膜板、膜材紧固螺栓及飘带桁架钢管杆件等构造。膜材稳定索包括两端的紧固螺栓及通长稳定索，通长对拉膜板焊接于飘带桁架钢管杆件上方，双向膜材稳定索利用两端的螺栓紧固在所述通长对拉膜板上。双层ETFE透明膜材两端设有固定膜材的铝型材，铝型材通过两端设置紧固螺栓连接在所述通常对拉膜板上。单飘带单元局部结构示意如图1所示。

图1单飘带膜单元局部结构示意

双向膜材稳定索全部采用可调节索，调节量为±10mm。双向交叉位置通过索夹固定，在正常状态下避免与膜表面接触，索具外包裹防磨材料。铝型材为可滑动铝型材，大片膜材的安装，可从两端同时安装铝型材。

通长对拉膜板焊接在飘带杆件左右两侧，相邻飘带杆件上的通长板焊接时平行布置。沿飘带杆件中心线通长设置,外侧@800mm加一道加肋板。膜材稳定索及固定铝型材的紧固螺栓通过开设索孔穿过拉膜板固定在对拉膜板上。索孔开设位置以现场钢构放样尺寸为准。

所有对拉膜板焊接在飘带杆件上焊缝均为双面焊缝，焊缝长度10mm，焊缝间隔10mm，焊缝满足规范要求。

根据确定的各节点连接形式，对节点中的连接附件进行零件设计以作加工之用。同时根据准确的三维模型和现场复测尺寸，采用专业膜裁剪软件，对膜材进行计算机裁剪放样设计，绘制膜材加工详图，并对膜材加工制作。

               （a）                                       （b）

（c）

图2索膜连接节点示意

（a）张拉索连接示意；（b）加劲板示意；（c）张拉钢板开孔示意

5ETFE膜块施工流程

5.1膜材加工

为了保证叠合膜材强度，双层膜片在加工时应确保整体性，以达到统一受力。

首先对拉膜板进行复测，把复测数据反馈给加工厂，加工厂根据复测尺寸进行膜材下料。

在常规的单层膜加工、裁剪及热合完成后，按照提前准备适宜长度的密封胶条，先加单片膜置于胶条上，利用热合机依次将膜四边压紧于胶条之上，在操作过程中利用裁剪机将膜材绷紧，防止出现褶皱。另一片膜材的组装重复上述步骤，完成双层膜材的组装工作，并对超出长度的密封胶条进行裁剪。

5.2稳定索加工

稳定索全部采用可调节索，调节量为±10mm，调节量小，且膜结构的最终成型态直接与稳定索下料长度相关，必须对稳定索进行精确下料。

稳定索下料图制作阶段：通过飘带结构成型后的形态，包括内力和形状，结合膜结构数据尺寸下料图。如果稳定索下料能在耳板施工完毕以后进行，可精确测量钢结构施工偏差，并根据该施工偏差对下料图进行修正。

稳定索加工阶段：采用严格的稳定索下料控制措施，确保下料长度误差控制在0.01%。

5.3稳定索组装

稳定索数量多、长度各不相同，索夹数量多，分片组装索网，既要精准核对稳定索编号放置位置，同时要兼顾索夹安装的位置和角度。根据类似工程经验，现场人员根据现场实际尺寸逐一复核并反馈给加工厂，设计师根据测量尺寸对稳定索逐一放样，最终确认每个膜单元稳定索尺寸，并做好编号。

5.4铝芯安装 

（1）检查膜材端宽度和形状，以便轻松从铝芯滑过。 

（2）拉紧黑绳边缘，使铝芯膜材变平滑，消除黑绳扭结。 

（3）首先给滑动到膜材的铝芯端涂抹润滑剂。只能使用水基润滑剂，可使用少量肥皂水。

（4）向下滑动铝芯，如膜材过长，可从两端同时安装铝芯。 

（5）装配过程中塑料尾端件会掉出来，此时停止装配，并将松动或对准不齐的插入件装好。这样将避免在装配膜材时出现膜材刮破。 

（6）在安装过程中，观察铝芯膜材滑动情况。确保铝芯端部或其他妨碍物上无刮划。如膜材被卡住，应停止安装并“取出”膜材。 

（7）安装完铝芯后膜材较重，增加的重量可能会损害膜材边缘，一定要做好保护措施，必要时可在膜材下面做临时支撑。

5.5膜材安装

先将滤芯和膜材整体固定在绷模板上，把安装螺栓穿过对拉模板上预先开好的孔，预拧螺母。待所有滤芯都固定好后，开始终拧螺母，完成对膜材的预应力施加及膜材的固定。完成滤芯与螺栓的安装后，将滤芯和膜材整体固定在绷模板上，完成滤芯与螺栓的安装。

膜材安装施工工艺流程：安装准备→对拉膜板焊接→钢结构及膜连接节点尺寸复测→安装底层稳定

索→铝型材安装→安装上层稳定索→膜块单元地面展开→膜块单元现场检验→飘带桁架结构吊装→高空膜安装→膜块边界及节点安装连接→稳定索紧固→清洁及竣工验收。

以标准5800×4000（长×高）的梯形膜块单元为例安装如下。

A：先在飘带杆件上焊接对拉膜板，对拉膜板焊接完成根据膜深化图纸开稳定索孔，完成后进行稳定索的长度测量并下单。

B：稳定索及铝芯进行后，根据图纸安装膜单元底层稳定索：根据设计提供稳定索编号，分别对膜单元稳定索进行安装。

安装膜单元上层稳定索：根据设计提供稳定索编号，分别对膜单元稳定索进行安装。

C：膜块片现场展开后，将膜块边拉直放平。按设计图纸，复检膜块边界整体尺寸和外观，并进行报检。检验设备：钢卷尺。

D：飘带结构吊装完成后，飘带结构在48~120m区域内利用吊篮进行膜材安装，48?m将外脚手架作为操作平台进行安装。

E：膜块单元就位后，周边穿铝夹具，使用拉力器通过收缩拉力器将膜块拉入铝型材。

6ETFE膜块施工技术管控措施

根据项目特点，将施工板块分为4类。

6.1飘带膜材稳定索及索具的预安装

首先对拉膜板进行复测，把复测数据反馈给加工厂，加工厂根据复测尺寸进行膜材以及稳定索的下料。材料到现场后首先对底层稳定索进行安装，根据加工厂提供的稳定索编号图对稳定索逐一进行安装，由于现场根据对拉膜板进行返尺，所以稳定索的尺寸基本不用调整，将稳定索穿入拉膜板孔里，然后预拧稳定索螺栓，待稳定索全部穿入孔内完成预拧后，完成稳定索螺栓的终拧。

6.2飘带桁架结构的吊装

待整条飘带结构在地面完成拼装后，准备吊装工作。在吊装工作开始前，应对起重运输设备和吊装设备以及所用索具、卡环、夹具、卡具、锚碇等的规格、技术性能等进行细致检查或试验，如有损坏或松动现象，应立即调换或修好。起重设备应进行试运转，发现转动不灵活、有磨损的情况应及时修理。重要构件吊装前应进行试吊，经检查各部位正常后才可进行正式吊装。

6.3飘带安装完成后上膜的安装

高空膜材安装按垂直高度分为两个作业区域，第一个作业区域为0~48m，此区域利用落地式脚手架作为操作平台。第二个作业区域为48~120m，此区域安装利用高空吊篮及蜘蛛人辅助安装。

膜材和铝芯的安装：先把各边膜材边绳穿入铝芯，在铝芯中穿入拉膜螺栓，后将螺栓逐一对应拉膜板中的孔，终拧定位螺母，然后将拉膜螺栓逐一对准拉膜板上的孔位，待所有螺栓都穿入孔后，预拧螺 栓，检查膜材是否达到平整状态，最后终拧螺栓，完成安装。

6.4飘带膜结构高空紧固稳定索、焊接及膜开口封闭

膜材封口处位置施工，首先利用现有施工机械，对封口处对拉膜板长度进行测量并下料，然后根据加工厂提供的图纸对拉膜板进行开孔。

待上述工作完成后，利用汽车式起重机将对拉膜板吊装并配合高空作业人员逐一完成对拉膜板的定位和点焊，待所有位置都完成点焊并确认无误后，即可完成满焊。

对于膜结构高空紧固稳定索，膜开口处安装膜材处于高空作业，且稳定索拧螺栓空间有限，故对螺栓初拧，终拧不能采用电动机具，只能使用手动扳手，逐一完成初拧、终拧。最后由另一位施工人员检查螺栓是否终拧到位。由于封口处操作空间很小，在飘带桁架结构内部使用“蜘蛛人”，外部配合吊篮，完成膜单元安装。

7结束语

海坨塔采用高空竖向平面张拉膜施工技术进行ETFE膜片张拉施工，使ETFE膜能够展现出与传统充气膜完全不同的竖向平面效果，大幅增加了ETFE膜的适用范围。同时还可降低膜片的二次张拉施工难度，张拉后的膜片施工安装质量也得到了保证，能有效提高膜片使用寿命并节约投资成本。

海坨塔对ETFE张拉膜结构细部构造节点、关键施工部位及施工过程进行严格管控，现场安装完成的膜块结构观感良好、表面平整、颜色统一、无肉眼可见质量缺陷。

目前国内ETFE膜大范围应用于屋面结构，对于竖向结构，仅在高度较低的环境下采用ETFE膜或采用充气膜形式进行装饰，不能完全发挥ETFE膜的各项优点。因此，此类安装方式可提高ETFE膜的适用范围，并能得到推广性应用。

海坨塔作为国内目前仅有的安装高度较大的双层 ETFE膜块安装工程，用现场实际的工程效果证明了其有效性，并对ETFE膜从深化设计、加工制作到膜材安装的每道施工程序进行精细化管理。既控制了施工工期质量，也取得了良好的经济效益与社会效益。总结出的施工要点与质量控制措施，可为同类工程提供借鉴经验。