徐超

科威特大學(xué)城5A&B基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目是我公司在國(guó)外的第一個(gè)大型市政工程項(xiàng)目，停車棚占了整個(gè)項(xiàng)目的很大一部分。停車棚總面積為20萬(wàn)m2，分布在55個(gè)停車場(chǎng)，合同金額約3.2億人民幣。車棚分為A、B、C和D四種類型，主體由鋼結(jié)構(gòu)，拉索，PTFE膜材以及零部件組成。項(xiàng)目所在地科威特王國(guó)是典型的高溫沙漠地區(qū)，經(jīng)常有強(qiáng)風(fēng)沙塵暴天氣，而且由于沙漠地區(qū)的特殊性，晝夜溫差較大。

公司在2012年中標(biāo)后，開(kāi)始探索索膜結(jié)構(gòu)以及鋼結(jié)構(gòu)如何適應(yīng)高溫沙漠地區(qū)的惡劣環(huán)境的方法，研究索膜結(jié)構(gòu)的性能特點(diǎn)，充分發(fā)揮各自材料的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，達(dá)到外觀、質(zhì)量、造價(jià)的協(xié)調(diào)統(tǒng)一。從2013年1月立項(xiàng)開(kāi)始到2015年12月車棚加工安裝順利進(jìn)行，經(jīng)過(guò)三年的研究，取得了以下成果。

一、項(xiàng)目成果綜述

1.研究成果及主要技術(shù)性能指標(biāo)

（1）確定膜材預(yù)應(yīng)力荷載

確定膜材預(yù)應(yīng)力的大小對(duì)于索膜結(jié)構(gòu)形式的選擇而言是最關(guān)鍵的一步，根據(jù)規(guī)范要求必須滿足以下條件：

①膜材預(yù)應(yīng)力的著力點(diǎn)必須分布在膜材的各個(gè)方位，以避免膜材表面出現(xiàn)扭曲變形而影響美觀度；②膜材預(yù)應(yīng)力的張拉程度必須充分，以避免現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)需要進(jìn)行二次張拉；另外通過(guò)合理的車棚膜面坡度設(shè)計(jì)及預(yù)應(yīng)力張拉，可達(dá)到理想的外觀效果；③保證膜材在預(yù)應(yīng)力的施加過(guò)程中處于合理彈性范圍內(nèi)，避免產(chǎn)生結(jié)構(gòu)性損壞；

項(xiàng)目部通過(guò)分析測(cè)試實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)和曲線，確定了膜材預(yù)應(yīng)力施加范圍，如圖所示（圖1）。

（2）溫度荷載確定

溫度對(duì)膜結(jié)構(gòu)的影響沒(méi)有在合同規(guī)范中提到，由于其材料的特殊性，受溫度影響較小；而對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)而言，由于其導(dǎo)熱性能好，受溫度影響熱脹冷縮比較明顯，尤其是對(duì)于結(jié)構(gòu)造型比較復(fù)雜而且溫度因素影響比較大的車棚結(jié)構(gòu)應(yīng)當(dāng)考慮溫度荷載，作為結(jié)構(gòu)可變荷載之一。

我們通過(guò)檢索科威特的歷史溫度記錄發(fā)現(xiàn),極端高溫出現(xiàn)在2012年7月31日，達(dá)到53.8℃,而極端低溫6℃出現(xiàn)在在1964年1月6日。

圖1 張拉應(yīng)力范圍曲線圖

另外參考大學(xué)城項(xiàng)目群另外一個(gè)項(xiàng)目的規(guī)范資料得知溫度變化范圍為67℃。[來(lái)源：2.2條規(guī)范III-2/08630大學(xué)工程和石油,沙巴Al-Salem大學(xué)城,科威特大學(xué))。

我們根據(jù)實(shí)際情況，認(rèn)為溫度荷載應(yīng)考慮安裝時(shí)的溫度與最高溫度或最低溫度的溫差效應(yīng)，最終確定42度為溫度荷載的溫差變化范圍。

（3）雨水荷載以及解決積水問(wèn)題的方案比選

由于合同規(guī)范未提及雨水荷載,我們通過(guò)調(diào)查美國(guó)土木/ SEI 55-10膜結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)確定雨水荷載。通過(guò)檢索歷史降雨量發(fā)現(xiàn)科威特從1900-2009年間平均月降水量的分布情況，如圖2所示。

根據(jù)實(shí)際情況，未來(lái)車棚維修人員將不會(huì)在雨天進(jìn)行施工作業(yè)，因此在荷載組合時(shí)檢修荷載和雨水荷載不考慮同時(shí)出現(xiàn)，但是要對(duì)雨水荷載做積水水洼受力分析。

為解決膜材在雨水荷載下的積水問(wèn)題，項(xiàng)目部通過(guò)對(duì)車棚跨度的研究以及膜材張拉形式的分析提出以下幾種解決方案：

方案一：替換膜材材質(zhì)，將不透水膜材替換為能穿透雨水的膜材

優(yōu)點(diǎn)：完全按照合同圖的跨度和尺寸，不改變?cè)瓉?lái)設(shè)計(jì)圖的設(shè)計(jì)概念。

缺點(diǎn)：材料雖滿足遮陽(yáng)要求但是在下雨時(shí)候會(huì)出現(xiàn)滲液低落。

方案二： 增加一根鋼立柱，使其膜材坡度變陡，避免積水點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：建筑形式美觀，合理避免了積水問(wèn)題。

缺點(diǎn)：增加鋼柱材料。

方案三： 增加一根斜立柱，抬高原積水點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)： 改動(dòng)較小，盡可能保持設(shè)計(jì)原狀態(tài)。

缺點(diǎn)： 增加斜鋼柱材料，影響美觀。

方案四： 將中間立柱位置向中間移動(dòng)，重新調(diào)整坡度

優(yōu)點(diǎn)： 建筑形式美觀，且對(duì)膜材張拉成型比較有利。

缺點(diǎn)： 改變了原設(shè)計(jì)，車棚高度提高了1.5m。

方案五： 將大跨度的車棚單體拆分成兩個(gè)同樣大的小型車棚單體

優(yōu)點(diǎn)： 建筑形式美觀，且對(duì)膜材張拉成型比較有利。

缺點(diǎn)： 改變了原設(shè)計(jì)的大跨度需求。

項(xiàng)目部通過(guò)過(guò)向業(yè)主進(jìn)行多次技術(shù)匯報(bào)，闡明了五種方案都可以解決因?yàn)榇罂缍犬a(chǎn)生的積水問(wèn)題及相應(yīng)的優(yōu)缺點(diǎn)，最終業(yè)主監(jiān)理確定方案五為積水問(wèn)題解決方案并付諸實(shí)施。

圖2 科威特在1900到2009年月平均溫度及降水量曲線與柱狀圖

二、直接經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益

1.直接經(jīng)濟(jì)效益

（1）通過(guò)設(shè)計(jì)優(yōu)化減少鋼材量使用量

在最初設(shè)計(jì)階段，我們通過(guò)對(duì)合同圖紙的學(xué)習(xí)和建模，發(fā)現(xiàn)Type-B& Type-C的立柱尺寸較大，形象笨重，不符合車棚輕盈的設(shè)計(jì)理念，我們通過(guò)向業(yè)主匯報(bào)并且提出了多種方案優(yōu)化，最終業(yè)主同意用尺寸小的立柱并付諸實(shí)施，直接減少了立柱方面30%的用鋼量，帶來(lái)直接經(jīng)濟(jì)效益。

（2）通過(guò)設(shè)計(jì)優(yōu)化替換材料

按照合同圖紙Type-D的挑梁邊緣與立柱頂使用一根不銹鋼拉索相連，拉索屬于柔性可彎曲材料，只有抗拉作業(yè)，而挑梁處做受力分析時(shí)發(fā)現(xiàn)由于風(fēng)荷載的作用，挑梁邊緣會(huì)有向上的力產(chǎn)生，而拉索不能起到抗壓作用。我們建議用尺寸近似的鋼管代替拉索，這樣既可以抗拉，也可以抗壓。業(yè)主最終同意此提案，這樣永久材料由拉索替換成了鋼管，降低了成本。

2.社會(huì)效益

項(xiàng)目部對(duì)PTFE膜結(jié)構(gòu)在耐高溫、強(qiáng)風(fēng)、抗老化方面進(jìn)行了深入研究，對(duì)相關(guān)領(lǐng)域的市場(chǎng)進(jìn)行了開(kāi)拓，為公司在以后市政房建項(xiàng)目中積累經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)一步拓展類似地區(qū)的非水電市場(chǎng)具有重要意義。

3.對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和科技進(jìn)步的意義，推廣應(yīng)用前景

膜結(jié)構(gòu)是建筑結(jié)構(gòu)中新發(fā)展起來(lái)的一種形式，它以性能優(yōu)良的織物為材料，可以形成具有一定剛度、能夠覆蓋大跨度空間的結(jié)構(gòu)體系。索膜結(jié)構(gòu)具有易建、易拆、易搬遷、易更新、美觀、充分利用陽(yáng)光和空氣以及與自然環(huán)境融合等特點(diǎn)。膜結(jié)構(gòu)是隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展起來(lái)的全新建筑技術(shù)表現(xiàn)形式，是材料科學(xué)、建筑學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)以及現(xiàn)代環(huán)境學(xué)高速發(fā)展的綜合產(chǎn)物。

5A&B 項(xiàng)目成功運(yùn)用索膜結(jié)構(gòu)完成車棚的加工制作，為以后公司可以開(kāi)拓更廣闊，更高端的市場(chǎng)奠定了基礎(chǔ)，科研累計(jì)的經(jīng)驗(yàn)以及資源可以用于如大型體育場(chǎng)館、入口廊道、購(gòu)物場(chǎng)、娛樂(lè)場(chǎng)、停車場(chǎng)、展覽會(huì)場(chǎng)、植物觀光園等建筑的建設(shè)，推廣應(yīng)用范圍前景廣闊。

三、項(xiàng)目組織管理經(jīng)驗(yàn)

合同管理經(jīng)驗(yàn)。項(xiàng)目管理上，一方面要求我們熟悉合同規(guī)范及對(duì)應(yīng)的美標(biāo)英標(biāo)等其他相關(guān)規(guī)范，了解車棚的功能性及結(jié)構(gòu)性要求及設(shè)計(jì)圖紙。如合同規(guī)范里的焊接規(guī)范要參照美標(biāo)中的AWS焊縫規(guī)范，風(fēng)荷載規(guī)范要參照美標(biāo)中田納西洲風(fēng)動(dòng)實(shí)驗(yàn)原理，建立動(dòng)態(tài)數(shù)字受力模型。另外一方面要求我們清楚此類合同作為承包商的義務(wù)和權(quán)利，并要清楚相關(guān)流程。例如設(shè)計(jì)期間業(yè)主代表提出要對(duì)車棚進(jìn)行遮陽(yáng)性分析，遮陽(yáng)率較低的應(yīng)該改變結(jié)構(gòu)形式重新設(shè)計(jì)，但是同時(shí)合同規(guī)定的車棚的高度和尺寸都不能更改，我們經(jīng)過(guò)分析后認(rèn)為我們的合同義務(wù)是在現(xiàn)有合同圖的基礎(chǔ)上進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，功能性要求不在主承包范圍，如果業(yè)主要求改變功能性要求，相當(dāng)于合同性質(zhì)的改變，需要業(yè)主重新擬定合同或作為合同變更。

四、存在的問(wèn)題及對(duì)下一步研究的建議

1.技術(shù)環(huán)節(jié)的制圖問(wèn)題

在車棚項(xiàng)目的設(shè)計(jì)階段，施工圖報(bào)批環(huán)節(jié)耗費(fèi)了大量的時(shí)間和人力，一定程度上影響了工程進(jìn)度。我們總結(jié)既往的經(jīng)驗(yàn)認(rèn)為究其原因有以下兩點(diǎn)：第一，國(guó)內(nèi)施工圖的制作習(xí)慣和外籍監(jiān)理工程師的審圖習(xí)慣不一樣，且本項(xiàng)目監(jiān)理分建筑、結(jié)構(gòu)、機(jī)電、電氣、綠化等很多門專業(yè)，各自圖紙的側(cè)重點(diǎn)不一樣，而且圖紙質(zhì)量要求很高；第二是車棚索膜結(jié)構(gòu)不同于其他混凝土結(jié)構(gòu)物，尤其是節(jié)點(diǎn)部分的表達(dá)不能單純用二維的平面、立面、截面以及細(xì)節(jié)圖，這樣體現(xiàn)不出結(jié)構(gòu)的立體關(guān)系，也不能單純的用三維模型作圖，會(huì)缺少必要的材料名稱，屬性，尺寸、距離信息。

2.加強(qiáng)合同規(guī)范學(xué)習(xí)

我們?cè)诳蒲须A段前期由于對(duì)合同規(guī)范的不了解，對(duì)流程的不熟悉，導(dǎo)致投入在整個(gè)設(shè)計(jì)階段時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，遲遲沒(méi)有報(bào)批通過(guò)，影響了后期生產(chǎn)進(jìn)度；所以總結(jié)既往的經(jīng)驗(yàn)，項(xiàng)目部應(yīng)在以后的項(xiàng)目中加強(qiáng)合同規(guī)范的學(xué)習(xí)，做到成竹在胸，知其所以然，此科研累計(jì)總結(jié)的經(jīng)驗(yàn)對(duì)后面即將要進(jìn)行的科威特大學(xué)城景觀區(qū)域的噴泉設(shè)計(jì)施工項(xiàng)目有很高的參考和借鑒價(jià)值，我們需再接再厲，加強(qiáng)合同學(xué)習(xí)，進(jìn)一步加強(qiáng)國(guó)際化進(jìn)程。