索膜技术在体育场结构中的应用
——以昆山市专业足球场索膜结构工程为例

于相平 于安福 刘 亚

20 世纪70 年代以后，随着工程计算科学的飞速发展，索膜建筑结构体系开始引起人们的关注，已大量应用在滨海旅游、博览会、文艺、体育等大空间的公共建筑上。日本东京室内棒球馆、美国的丹佛新国际机场候机大厅及英国泰晤士河畔的千年穹顶，均为世界瞩目的、采用索膜结构体系建成的标志性建筑。

目前，很多学者已经对索膜技术展开研究。例如，杨镭对悬挑式空间索膜结构施工技术展开研究，分析了悬挑式空间索膜结构施工技术的具体应用，说明悬挑式空间索膜结构的应用能够充分发挥该种结构的刚度、强度优势，保障整体结构的稳定性[1]；常文慧对大跨度网架进口膜索结构安装施工技术展开研究，说明采取大跨度网架进口索膜结构安装施工技术进行施工，能够解决网架结构损坏严重、距地高度高及施工位置复杂、操作难等问题，满足工程合同需求[2]。上述研究虽然说明了索膜技术在工程项目中的应用效果，但没有对预应力钢索安装方案、屋面膜结构系统安装方案的具体施工方法进行深入研究。基于此，本文以昆山市专业足球场索膜结构工程为例，对索膜安装方案进行详细研究。

1 工程简介

1.1 工程概况

项目位于苏州昆山经济技术开发区东城大道东侧，景王路北侧，是2023 年亚洲杯足球赛的赛场之一，用地面积约199 998 m2，总建筑面积134 900 m2，地上建筑104 950 m2，足球场建筑共地上5 层，建筑高度45.3 m。屋盖主要由径向钢桁架与预应力拉索组成，拉索采用高钒镀层索，屋面拉索直径为Φ50与Φ70，立面拉索直径为Φ30、Φ48 和Φ50。整体平面为四角倒角的长方形，总长度、255 m，总宽度218 m，中间开孔也为近似长方形，开孔长度为130.4 m，宽度为93.4 m，围绕一圈共36 榀三角桁架，外圈檐口高度为43.9 m，桁架前后悬挑长度为62.3 m[3]。足球场屋面和立面均采用聚四氟乙烯（Poly Tetra Fluoroethylene，PTFE）膜材，每榀桁架下方包裹PTFE 吊顶膜材[4]。

1.2 屋面膜结构系统概况

屋面膜结构系统分为内环膜单元和外环膜单元两部分。其中，内环膜共计36 个单元，每个单元内分为沿径向索分开的2 片，呈沿径向索、向外环逐渐下降的T 型形状，标高为43 ～38 m，宽度约8 m，长度约52 m，膜单元投影面积约800 m2；外环膜共计36 个单元，每个单元1 片，呈沿背索、向内环逐渐下降的三角形状，标高为43 ～38 m，宽度约17 m，长度约13 m，膜单元投影面积约120 m2。

屋面膜结构系统的节点构造分为两种：第一种节点采用U 型夹+铝合金拉膜条，主要位于内压环梁处、桁架箱型梁处、径向索处和背索处；第二种节点采用“L 型板件+铝合金拉膜条+调节螺栓”，主要位于檐口（外环膜单元外侧边界）和排水柱位置。需要注意的是，屋面膜单元所有节点上方均设置防水膜，现场进行焊接，其中径向索和背索的防水膜下方加装检修踏板，同时作为顶撑防水膜的构件[5]。

2 索膜安装方案

索膜安装方案分为预应力钢索安装和屋面膜结构系统安装两部分，安装流程图如图1 所示。

图1 索膜安装流程（来源：作者自绘）

2.1 预应力钢索安装方案

2.1.1 展索施工

2.1.1.1 施工方法

本工程的最大索直径为98 mm，盘圈直径约3 m，单根拉索重量约3 t，属于较大的钢索类型。本工程对展索施工的要求较高，应避免展开的预应力钢索与地面摩擦而损坏钢索。施工方法选择使用展索盘施工，利用展索盘将钢索盘踞在施工指定地点，展开拉索的盘圈直径不小于拉索直径的30 倍，并在展开的索下以5 ～6 m 间距放置小车，进一步保护钢索的施工安全。

2.1.1.2 施工注意事项

展索过程中应该注意以下事项。

第一，拉索运输过程中，应当使用锚具固定在拉索成圈两端，防止运输颠簸导致钢索损坏。

第二，施工单位应当在施工现场划分出指定的拉索放置区域，该区域应当放置安全标识和拉索垫板。垫板应当保持平整、洁净，确保没有杂物阻挡拉索放置。另外，拉索完成放置后，应当注意拉索的保护和储存，保证放置区域的干燥、清洁、通风。

第三，拉索放置应当使用与拉索规格相同的索盘，本工程拉索直径98 mm，盘圈直径为3 m，所以选择的索盘直径为100 mm、盘圈直径为3.1 m。索盘应当水平放置在垫板上，并且按照索盘方向逆时针放置拉索。严禁在拉索没有打开时直接竖直吊拉拉索，进而防止拉索刮伤、碰撞。

第四，展索过程中严禁出现索体打结的现象，防止索体出现散股引起跳丝。同时，应当全程使用叉车移动拉索，避免因操作不当引起索体损坏。

第五，施工单位应当设立专人看管拉索，避免拉索与其他施工设备、工程原料产生碰撞、摩擦。需要定期检查拉索，本工程的拉索检查期限设置为每天记录检查、3 d 整体检查。检查过程中发现拉索变形、扭曲、磨损、跳丝、散股、划伤及碰伤等现象时，应当根据受损情况进行修复，无法修复的拉索应当及时进行报废处理，防止损坏的拉索投入应用造成较大的经济损失。

第六，本工程的拉索索头均进行过热喷锌加环氧富锌底漆处理，用于拉索防氧化和防腐。虽然该处理能够起到一定作用，但整体展索施工后还需要再进行二次防腐处理。

2.1.2 拉索安装施工

拉索安装施工主要使用100 t 吊车进行预应力拉索，首先定位吊车位置的端索头，再通过导链调整另一个端索头的位置并固定在合适位置。两端的索头固定完毕后，可以展开地面预应力拉索，并将拉索移动到桁架处。桁架内外侧拉索锚固处设置施工操作平台，展索完成后使用汽车吊安装拉索。

2.1.3 整体张拉施工

本工程的整体张拉施工参考了构件的几何参数和力学特性，从设计上完成了“力”和“形”的平衡统一。整体结构为柔性架构，各个张拉组之间环环相扣，张拉施工是索系索力重分布和形成平衡态的过程，是拉索体系受力的关键。当所有张拉组的安装和钢结构焊接完成后，需要将桁架间的屋面谷索设置为固定索，谷索不用张拉被动受力，采用同时张拉两根背索进行张拉施工。桁架间的立面拉索张拉原则为左右对称张拉，所有拉索张拉分为两级，第一级为目标力值的75%，第二级为100%。

2.2 屋面膜结构系统安装方案

2.2.1 屋面内环膜单元安装

2.2.1.1 吊装准备

屋面内环膜单元安装前要做好前期准备工作。首先，将膜材放置在安装起吊的位置，方便起吊。本工程的膜材量较大，起吊位置无法完全铺放，所以使用叉车对膜材进行二次搬运。其次，在檐口的外环压环梁均布安装4 台1.5 t 卷扬机，将钢丝绳沿径向索放置在接近内压环梁的安全网上，并在起吊前对内环膜单元内压环梁边界展开1～2 m。最后，在膜边界两端增设铝合金拉膜条夹具，在内压环梁外侧、桁架箱型梁内侧的二次钢构和径向索、背索上套入U 型夹，防止拉膜条脱落，提高施工安全性。

2.2.1.2 起吊和内压环梁膜边界的安装

该环节的安装需要先将膜卷起吊至高于内压环梁1 ～2 m 的高度，再逐渐下放膜卷，使已展开的1 ～2 m 的膜边界接近已安装U 型夹的二次钢构。完成二次钢构安装后，应从内压环梁的中间（即单片膜片的一侧）向桁架箱型梁方向进行连接，并在靠近桁架箱型梁的位置预留一个临时安装夹具。

2.2.1.3 桁架箱型梁膜边界的临时固定

内压环梁边界安装完成后，吊机继续下放膜卷，直至膜卷至安全网表面，吊装支架即可拆除，吊机可移至下片膜材或下个单元进行吊装。再使用卷扬机预留的钢丝绳穿设在膜卷两侧的吊装耳板上，启动卷扬机，使膜卷向外环方向展开，展开同时在径向索和桁架箱型梁膜边界上穿设铝合金拉膜条，间隔使用临时安装夹具（间距不大于1 500 m）和套环上连接的紧绳器分别与索体和桁架箱型梁内侧二次钢构进行临时拉结。直至膜单元全部展开，吊机将膜卷的卷芯吊离，沿膜卷的展开方向逐步将径向索上已穿设的U 型夹与膜边界的铝合金拉膜条进行连接固定。固定后应在径向索边界接近排水柱的位置预留一个临时安装夹具，用于穿设排水柱边界铝合金。

2.2.1.4 排水柱膜边界的安装和背索膜边界的安装、张拉

将安装螺栓穿入排水柱边界的铝合金拉膜条，完成排水柱边界的安装工作。由排水柱至桁架箱型梁方向，通过紧绳器的收紧，对临时拉结的背索边界进行张拉，一次未张拉到位的，保持临时安装夹具和紧绳器的拉结，按张拉顺序逐步张拉到位并且将背索索体上的U 型夹与铝合金拉膜条完成连接后，可以逐步拆除临时安装夹具。

2.2.1.5 桁架箱型梁膜边界的张拉

沿桁架箱型梁中间向两侧的方向，分别通过收紧紧绳器对临时拉结的桁架箱型梁膜边界进行逐步张拉。一次未张拉到位的，保持临时安装夹具和紧绳器的拉结，按张拉顺序逐步张拉到位后，才能逐步拆除临时安装夹具。

2.2.1.6 角部花篮螺栓的拉结

完成所有边界张拉的同时，在各个角部位置安装与主体结构连接的花篮螺栓，并紧固可调节螺杆，使膜角部位置有足够的张力预应力，至此一个内环膜单元内的单片膜片的安装全部完成。按上述步骤逐步完成内环膜单元的安装。

2.2.2 屋面外环膜单元安装

2.2.2.1 吊装准备

与屋面内环膜单元安装类似，屋面外环膜单元安装也需要进行吊装准备。同样使用叉车对膜材进行二次搬运，并在檐口安装四台1.5 t 卷扬机备用，起吊前对外环膜单元檐口边界展开1 m左右。最后在膜边界两端和背索上安装铝合金夹具和U 型夹，用于固定拉膜条，提高施工安全性。

2.2.2.2 起吊和外环压环梁膜边界安装

起吊和外环压环梁膜边界的安装，应将膜卷起吊至高于外环檐口1 ～2 m的高度，再逐渐下放膜卷，使膜边界接近檐口二次钢构的位置，在已穿设好的铝合金拉膜条上穿设安装螺栓，将安装螺栓与二次钢构进行连接。

2.2.2.3 膜卷的展开和背索膜边界的安装和张拉

拆除吊装支架，沿外环压环梁向排水柱方向展开膜卷，展开的同时在径向索背索的膜边界上穿设铝合金拉膜条，并且间隔使用临时安装夹具（间距不可大于1 500 m）和套环上连接的紧绳器分别与索体进行临时拉结，直至膜单元全部展开，吊机将膜卷的卷芯吊离。

张拉方向应当与排水柱方向相同，通过收紧紧绳器对临时拉结的背索边界进行张拉。一次未张拉到位的，应保持临时安装夹具和紧绳器的拉结，按张拉顺序逐步张拉到位并且将背索索体上的U型夹与铝合金拉膜条完成连接后，可以逐步拆除临时安装夹具。

2.2.2.4 排水柱膜边界的安装和张拉

拆除背索膜边界预留的临时安装夹具，补足铝合金拉膜条并使之与U 型夹进行连接。通过收紧紧绳器对排水柱边界进行张拉，一次未张拉到位的，保持临时安装夹具和紧绳器的拉结。直至张拉到位，将安装螺栓穿入排水柱边界的铝合金拉膜条，完成排水柱边界的安装工作。

2.2.2.5 屋面膜单元索边界的检修踏板安装和防水膜焊接

内环膜单元的两片膜片和外环膜单元的一片膜片安装完成后，在索边界（径向索和背索）的连接铝合金拉膜条的U型夹上安装通长的检修踏板。最后对所有边界现场焊接同材质的防水膜，至此完成了一个屋面膜单元的全部安装工作。

按照以上施工程序完成单个屋面内环膜单元安装和屋面外环膜单元安装后，应重复施工程序，完成所有36 个屋面膜单元的安装，进而完成对昆山市专业足球场索膜结构的搭建。

3 结语

本文以昆山市专业足球场索膜结构工程为例，对索膜技术在体育场结构中的应用展开研究，详细分析了索膜安装方案。工程整体安装进度较快，并完全满足足球场的安装需求，保证了2023 年亚洲杯足球赛的顺利进行，具有较高的经济价值和社会价值，值得推广使用。