浅谈大连体育场膜结构设计

摘要：在索膜结构蓬勃发展的同时,一系列的设计、施工问题也随之产生。目前索膜结构的研究主要集中在找形分析、裁剪分析、荷载分析、及施工工艺等方面。与国外相比,国内索膜结构的研究和应用还比较落后。为助于幕墙行业工程技术人员理解、应用膜结构设计，特撰写此文。本文包括节点设计、连接构造、防鸟装置、排水/防水系统、控制系统/供气系统、剪裁分析等内容。

关键词：膜结构 剪裁分析 大连体育场ETFE气枕

中图分类号：S611 文献标识码：A 文章编号：

一、项目简介

大连体育中心项目选址位于大连市甘井子，项目选址西临朱棋路，南临岭西路，该位置既是大连市规划的北部中心区域，又是朱棋路新区的中心位置，距旅顺口区40km、开发区27km、金州区20km。

本项目大连体育场即为体育场中心一场四馆中的“一场”。体育场6万个座位，占地面积18.6万平方米，建筑面积11.9万平方米，能够承担田径、足球等比赛，兼顾大型活动。

大连市体育运动中心由一场四馆及综合服务区组成。

大连体育场膜结构分为外层的ETFE气枕和内层的PTFE网格膜

二、ETFE气枕方案介绍

大连体育场屋面及立面装饰层（或称围护系统）由单腔ETFE 充气气枕构成，气枕位于主钢结构上方和外侧，并由建筑钢结构檩条进行支撑。充气气枕须满足建筑外观、透光，承受风、雪外荷载，排水等方面的要求。

ETFE气枕外层通过彩色的或带图案的膜材实现建筑外观效果，在对整个体育场的气枕层进行合理分格后，将白色、蓝色和银色镀点ETFE的有序组合搭配，形成了一种旋转动态的水的形态，海滨城市大连的水元素巧妙地融入其中。

为实现气枕稳定饱满的形态和抵御一定外荷载的能力，需采用专用机械设备向ETFE气枕内输送清洁并经过除湿的空气，正常设计内压为300Pa，而在发生大风、降雪时，设计内压增加到600Pa，气枕内部压力的调节将是全自动化控制并能进行远程监视，而且设备设有连接BMS系统的无源接口。

由于整个体育场的风荷载情况较为复杂，需对气枕进行全面的强度分析并选择合理的膜材厚度和高跨比。我们经过计算，认为15%左右的高跨比是比较合适的。

ETFE气枕作为体育场屋面的主要防水层，稳定可靠并完全水密的连接节点是我们考虑的重点。我们将采用天沟形式的连接方式，气枕单元通过周边专门设计的铝合金构件连接于钢结构天沟上沿，气枕膜与钢构及铝合金之间均设计有EPDM橡胶条进行保护。雨水流入气枕周边的天沟后有序排入屋面内圈大天沟，并最终进入虹吸系统。

三．节点设计

针对本项目气枕边框角度扭转多变的特点，两侧相邻气枕共用一道铝合金进行压装的方式已不现实，因此我们采用了天沟形式的节点样式，将各个气枕的安装完全独立。天沟除了用于固定铝合金型材，同时满足了屋面进行有组织排水。天沟的采用使膜材安装和后期维护变得便利。

为适应目前的天沟宽度，以及体育场外立面对美观性的要求，我们采用了铝合金节点形式，气枕通过该铝挤型固定于天沟上沿，在ETFE与钢构、ETFE与铝合金之间均设计有橡胶条。整套铝挤型主要有三部分组成：底槽，拉膜条，盖板。整个节点设计充分考虑到ETFE膜材的特点，其优点有：

安装便利。铝合金底槽不需要进行开孔，导轨式设计使螺栓可沿铝合金长度方向自由滑动，因此没有与钢结构孔位进行准确匹配的要求。对于后期维护更换气枕，该节点也是方便拆卸且完全不影响相邻气枕。

连接可靠。拉膜条铝合金与底槽的互锁式连接稳定可靠，气枕膜张拉到位扣住后，即满足结构的需要，盖板仅用于外观装饰作用。

保护到位。该节点无需在ETFE膜材上进行穿孔处理，不损伤膜材强度。在ETFE与钢构，ETFE与铝合金之间均设计有橡胶条，既保护膜材不被钢铝构件划伤，又避免高温下铝合金等金属件对膜材的损伤。

截面轻巧。为适应天沟的宽度及对外观的要求，铝合金的尺寸被尽量压缩，外观高度和宽度分别约为65mm，30mm。

防水合理。该节点的连接螺栓位于天沟内部，不在天沟本体上进行钻孔，完全避免了常见的雨水由螺栓孔渗入的可能性。天沟上沿橡胶条在螺栓和气枕膜面张力的双重作用下，紧紧压实在天沟表面，进一步提升了防水的可靠性。

该铝合金节点形式经过各类气候条件的测试以及工程实践的检验，被证实是安全可靠的。

四．天沟连接构造

ETFE等膜结构的特点需要其周边提供一个连续的、平整过渡的闭合边界，故要求本工程中相邻天沟的上沿相接于一点。对于本项目的屋面等相对弧度较平缓的区域，天沟的连接相对较为容易，而在肩部等曲率较大的位置，四根檩条/天沟汇于一点，但由于各根檩条/天沟并不在一个面上，这给其连接带来极大挑战。

我们拟根据各根天沟的角度，将各天沟相汇节点在工厂进行预制，在现场焊接天沟中间段和已预制好的节点。故可减少现场工作量，提高工程质量。

五．防鸟装置

在屋面部分，为避免鸟类抓伤膜面，故我们在气枕周边布置了不锈钢防鸟线，防鸟线张紧于固定在铝合金夹具上的不锈钢支架上。

六.排水/防水系统

落于气枕表面的雨水首先进入其周边天沟，而较浅的环向天沟则汇水于较深的径向天沟，然后由径向天沟有序排入屋面内圈的大天沟，最后进入虹吸系统。

立面的环向天沟不考虑排水功能，而径向天沟则考虑做成排水管道，将体育场肩部区域流下的雨水集中排走。

本工程中ETFE气枕作为体育场的唯一防水层，必须进行严格有效的防水处理。为此我们采用较为保险的天沟形式的节点连接方式。同时把螺栓放在天沟内部的连接形式，而不在屋面天沟本体上进行钻孔，完全避免了常见的雨水由螺栓孔渗入的可能性。即使从气枕和橡胶条缝隙间渗入微量雨水，仍然留在天沟内部。另外天沟上沿橡胶条在螺栓和气枕膜面张力的双重作用下，紧紧压实在天沟表面，进一步提升了防水的可靠性。

七.控制系统/供气系统

为保持气枕稳定的外形并能抵御一定的外荷载，必须向气枕内提供一定压力（300Pa）的干燥洁净的空气。

在本项目中，本着每套设备供气面积尽可能相等的原则，将供气区域划分为东北、东南、西南、西北四组，每组3套供气设备，共计12套供气设备，每套供气设备供气区域相对独立，但在每组供气区域的环向供气管道考虑设置紧急阀门，在某台设备发生问题时，可打开其所在组的紧急阀门，利用相邻的设备进行供气。

为保证气枕大风、降雪天气下的正常使用，特别是气枕在雪荷载作用下，需要保证其内部气压大于雪压，否则气枕中的空气则会在大于其压力的雪荷载作用下慢慢压出气枕，气枕发生塌陷而形成“雪兜”。所以每组供气系统配置了一套风、雪传感器，控制供气设备在大风天气或有降雪时自动增加气枕内压到最大设计内压600Pa。

为了工程的安全性，电源设置紧急备用电源，在发生停电时，自动接通备用电源，使供气系统继续工作。

八．裁剪分析

目前气枕的裁剪方法主要有两类，平面裁剪和三维裁剪。所谓平面裁剪，则进行裁剪分析的膜面是平面，加工完成后的膜面也是平面，通过超过设计值的气压将气枕充起，让膜材发生一定量的塑性变形，从而实现气枕的外观效果。而三维裁剪分析则是从正常工作气压下的平衡曲面出发，此时膜面张力与气枕内部压力共同作用使膜面在一定的三维空间位置达到平衡，由此平衡曲面出发进行膜片裁剪，加工后的气枕非平面，充入设计气压后则达到设计需要的外观。

两种方法各有优缺点，平面裁剪的分析迅速，由于上、下层膜面外形一致，裁剪线为直线，节约膜材，但受力较差，膜材已产生塑性变形，而且也难以实现较大矢跨比（通常小于10%）和上、下层不同矢高的气枕形态；三维裁剪符合膜材受力特性，可实现较大矢跨比（可做到25%或更大）以及上、下层不同矢高的建筑效果，但裁剪分析相对复杂，采用三维裁剪，膜材的耗量也相对更大些，但由于其优点是显而易见的，我们将在该项目中对气枕采用三维立体裁剪方法。

参考文献

1. 《膜结构技术规程》 CECS 158:2004

2. 那向谦.索膜建筑的找形与工程设计[J].世界建筑,2000(9):25-27.

3.严慧,厦循.我国内地膜结构的工程应用与发展前景[J].钢结构,2004(19):1-5.