张拉索膜结构体系新技术对运动场造价的影响
李蓉霞，王亚茹，谭涛
（四川同兴达建设咨询有限公司，四川 成都 610000）
摘 要：近年来，张拉索膜结构体系在我国广泛应用，尤其是在大型运动场馆的建设中。张拉索膜结构体系采用了很多新材料、新技术、新工艺。因此，这种结构优点很多，我国对这种结构采用的新材料、新技术、新工艺进行了大量的研究，并在我国建筑市场发展迅速，人们对这种结构认识也逐渐广泛。作为这种结构实施者的建设主体单位，对其造价管理工作尤为重视。
关键词：张拉索膜结构；新技术；大型建筑；运动场馆；造价管理
0 引言
随着我国经济和社会的快速发展，大型建筑日益增多，建筑造型、结构形式也变得丰富多彩，人们对建筑审美要求也越来越高，在城市中大型公共建筑的外观造型上充满了建筑审美的寄托，其造型多样性会成为存在百年城市地标建筑之利。城市建设中必不可少的大型公共建筑，如图书馆、音乐厅、歌剧院、体育馆、高铁站、航空站、会展等，此类建筑均为城市地标建筑，空间跨度大，钢筋混凝土结构形式在此类建筑中应用有限，对大跨度结构形式需求明显。张拉索膜结构体系是大跨度建筑的一种形式。张拉索膜结构体系是依靠自身的张拉应力与支撑杆和拉索共同作用构成的结构体系。张拉索膜结构体系中膜曲面通过预应力维持自身形状，使得建筑造型奇特、富于变换、结构形状轻盈、最具戏剧效果。在其艺术性、耐久性、经济性、节能性、自洁性、良好的抗火性上呈现的一些特点均优于传统建筑。鉴于张拉索膜结构体系种种优点，张拉索膜结构体系在我国也被广泛应用。
1 张拉索膜结构体系技术背景及其发展趋势
1.1 张拉索膜结构体系技术背景
中国对索结构的研究起步比较早，1958年起一些科研机构就开始对圆形单层及双层悬索、伞形悬索及鞍形索网等不同形式进行了理论计算、模型试验与施工方法等方面的研究。
膜结构是建筑结构中最新发展起来的一种形式，它以性能优良的织物为材料，或是向膜内充气，由空气压力支承膜面，或是利用柔性钢索或刚性支撑结构将膜面绷紧，从而形成一定刚度、能够覆盖大跨度空间的结构体系。中国膜结构的发展起步较晚，体育建筑可以说是膜结构应用的突破口。1997年在上海膜结构就被用在八万人体育场的看台挑篷，总面积达36100平方米。当时，膜结构的材料、设计和工程安装得到了国外有关单位的协助，但这是中国第一次将膜结构用在大面积的永久性建筑上，具有深远的影响。
青岛颐中体育场是中国第一个靠自己力量设计与施工的大型体育场，外包尺寸为266m×180m，可容纳6万观众。悬挑40m的屋盖是一个包括膜、索和钢支撑结构的张拉体系，整个屋盖有70个锥形索膜单元组成，总面积为3万平方米。从中国膜结构发展历程来看，主要是通过引进国外先进技术与管理，实现了跨越式发展，其后膜结构就成为覆盖主体育场的优选方案。其在大城市中的应用主要有上海（虹口区体育足球场）、武汉、郑州和广州，在中小城市中应用的有烟台、威海和芜湖。2016年中国建成的膜结构建筑就有88座，2017年也有61座，展开面积每年都有50多万平方米。
七十年来，索膜结构的应用范围和尺度都不断在更新和扩大，在各种文娱体育、交通运输和工业建筑中无不见到形式各异的空间结构，特别是近几年来，还被用在环境保护的设施上。中国每年所建的空间结构，不论是数量、跨度和面积都是全球领先的。2019年建造的北京大兴国际机场航站楼（图8）由中央大厅和5条指廊组成，屋顶投影面积达35万平方米，主要采用斜交斜放网架，最大跨度125m，最大悬挑47m。该工程被誉称为世界新的七大奇迹之一。21世纪以来，出现了以膜材围护建筑物立面，以索结构支承玻璃幕墙的形式，这表明空间结构已由横向跨度跨越发展到围护竖向高度，开创了应用的新天地。
1.2 张拉索膜结构体系发展趋势
索膜结构是21世纪“绿色建筑体系”的宠儿，现代建筑的一次进步与飞跃，其造型不仅自由、轻盈、柔美、充满力量感，而且具有阻燃、制作简单、安装快捷、使用安全等优势，在公共建筑上的应用发展潜力巨大。
1.2.1 张拉索膜结构体系造型多变
张拉索膜结构体系是一种艺术表现力极强的建筑形式。不同于传统建筑局限于有线条组成的二维空间设计，张拉索膜结构体系的建筑是有面组成的三维空间设计，建筑师们通过这种建筑形式可以表达对美的不同理解的造型，如单曲面、多曲面等创造性的结构形式。张拉索膜结构体系造型具有多变性，使之在富有艺术气息类（音乐厅、展览馆、艺术中心等）、生活气息类（商业广场、室外车库、建筑出入口、遮阳棚等绿色空间）、城市景观、公园走廊或小品等的建筑中广泛应用。
1.2.2 张拉索膜结构体系的预张力系统
张拉索膜结构体系是通过拉索将膜材料张拉于结构上而形成的构造形式，膜表面通过自身曲率变化达到内外里平衡。索膜建筑之所以能满足大跨度自由空间的技术要求最关键的一点就是其有效的空间预张力系统。有人把索膜建筑称为“预应力软壳”，是预张力使“软壳”各个部分（索、膜）在各种最不利荷载下的内力始终大于零（永远处于拉伸状态），从而使“软壳”成为空间整体工作的结构媒体和建筑围合材料。预张力在索膜建筑中的作用是：第一，使体系得以覆盖大面积、大跨度自由空间；第二，使膜体减少磨损、延长使用寿命，成为永久建筑；第三，使索膜建筑富有迷人的张力曲线和变幻莫测的空间；第四，使体系得以抵抗狂风、大雪等不利荷载状态；第五，使整体空间结构体系得以协同工作；第六，使索膜建筑得以顺畅排水；第七，使索膜建筑成为“可上人屋面”，为检修提供便利条件。最终使这种结构体系被大空间结构建筑大力运用，并有势不可挡的发展趋势，如北广泛用于飞机场、火车站、体育场馆、文化广场、海滨娱乐、大型影城等大型建筑。
1.2.3 张拉索膜结构体系膜材的优点
膜材具有造型轻巧自由、美观、透光、节能、环保、优良的阻燃性能、防污自洁性能、安全、寿命长、优良抗冲击性、耐腐蚀性、加工性能好，以及经济、方便施工和维修等优点。白天，在阳光的照射下，由膜覆盖的建筑物内部充满自然漫射光，无强反差的着光面与阴影的区分，室内的空间视觉环境开阔和谐。“回归自然”、“沐浴自然之温馨”已是现代建筑环境学发展的主流。室内外的视线越来越模糊，出现了许多亦内亦外、相互渗透的不定空间，如在大厅装饰、天井、四季厅、动植物园、公园广场、观景台、舞台、体育场馆、体育看台、文化娱乐场所等中。夜晚，建筑物内的灯光透过屋盖的膜照亮夜空，使建筑物的体型显现出梦幻般的效果。其特别适合用来建造城市标志性建筑的屋顶，如体育与娱乐性场馆，需有广告效应的商场、餐厅等。
2 张拉索膜结构体系技术在运动场馆建设中的应用
随着中国体育产业的逐步升温，一些大型国际体育赛事的引进，使各地的体育场馆也随之如雨后春笋般涌现。体育场馆对于每个城市来说都属于大型地标建筑，其设计的新颖、独特也被看作重中之重，不论体育场馆功能需求、结构需求，还是艺术创造性等，这种新型技术在张拉索膜结构体系中均能得到满足。下面介绍几个运用该新型技术的大型体育馆。
2.1 苏州奥林匹克体育中心
苏州奥体中心体育场跨度260米，创造了全国最大跨度的单层索网膜结构纪录以及世界上最大跨度的异形单层索网膜结构体系纪录，在由全球知名的专业体育场数据网站StadiumDB发起的2018年度全球最佳体育场评选中，通过价值、功能、创新三个维度的综合评比，荣获2018年度全球最佳体育场亚军。（图1、图2）
图2 苏州奥体中心体育场
2.2 枣庄体育场
枣庄体育场由中国建筑旗下中建八局承建，总建筑面积5.4万平方米，可同时容纳3万余人。体育场是目前国内最大的平面椭圆形、空间马鞍形索桁结构之一，项目荣获鲁班奖和中国钢结构金奖。基于该项目研发的《复杂菱形格构式钢结构及车辐式索膜结构制作与安装技术》是对大型弧形钢结构和大跨度索膜结构的经验总结，经鉴定该成果达国际先进水平。其也在2018年度全球最佳体育场评选中获得了第四名的佳绩。（图三、图四）
2.3 大连市体育中心体育馆
大连市体育中心体育馆造型以一根螺旋线为母线，螺旋向上形成流线而飘逸的造型，极具视觉张力，象征着海上的漩涡。体育场造型通过对ETFE膜的斜向划分和蓝白色膜材的穿插处理方式，形成旋转的动态造型，象征着层层海浪。体育馆建成后，座席数1.8万座，体育建筑等级为特级，能够满足2013年全运会体操比赛要求。同时可以举行NBA篮球赛事、国际单项A级冰球赛事，并满足文化演出、音乐会、冰上表演、展会、全民健身等多方位使用要求。（图五、图六）
图5、图6 大连市体育中心体育馆
2.4 凤凰山体育公园（正在建）
凤凰山体育公园专业足球场采用的大开口索穹顶结构属在全国属首例，索穹顶结构最大悬挑跨度64m，南北跨度279m，东西跨度234m，外周设受压网架及环柱，内环桁架南端低北端高，最高点高度为64m。该结构充分发挥了拉索的高强度特性，同时拉索与屋面膜结构相得益彰，结构轻盈高效。凤凰山体育公园作为成都2021年第31届世界大学生夏季运动会的核心场馆和2023年第18届亚洲杯足球赛的重要比赛场馆。项目包含一座6万座的专业足球场(满足FIFA标准，承接国际顶级足球赛事)，一座1.8万座的综合体育馆(满足NBA标准，承接国际、国内顶级篮球、冰球、羽毛球、乒乓球、手球、体操等室内赛事)，以及其他配套服务设施——天府俱乐部、多功能训练馆、商业服务设施等。（图7）
图7 凤凰山体育公园专业足球场
3 运动场馆建设中张拉索膜结构体系新技术对建筑工程造价管理的影响分析
张拉索膜结构体系新技术已经在运动场馆建设中普遍应用，其工程造价占整个工程比重较大，工程造价管理工作极其重要，不可避免在造价管理中遇到了很多问题。
3.1 张拉索膜结构体系新技术的特殊性对建筑工程造价管理影响分析
张拉索膜结构体系新技术图纸的特殊性。张拉索膜结构体系新技术不同于传统建筑，设计图纸需由二维图纸转为三维模型。传统建筑的工程造价是按图计量计价。而张拉索膜结构体系由于造型的多变，三维空间点位在不断变换，且在图纸上表达的仅为示意图平面图，如按传统造价模式不但费时费力，计算的误差也大。因此，传统造价模式不再适用于该技术，张拉索膜结构体系大多数工程量是根据设计的三维模型计算，再由专业造价工程师汇总计算而来，这样既保证了工程量的准确性，又提高了工作效率。
张拉索膜结构体系与现行定额不配套。全国及地方定额均未编制张拉索膜结构体系标准定额，无不对工程造价管理带来巨大考验。张拉索膜结构体系中涉及到的工作内容没有大量经验数据支撑的人工、材料、机械的耗量，前期预算很难控制准确，中期和后期造价管理工作难度将增大。首先，造价人员需熟悉施工图纸及相关施工方案；其次，进行市场调查，对类似项目正在施工的施工现场进行调研学习；最后，搜集价格，将人工、材料机械的耗量、工期、配套工艺或施工难度等信息归纳整理形成一套系统的、较为全面的针对该施工工艺的资料，结合类似技术、材料及工艺进行对比、分析，站在公平、公正、合理的角度确定工程造价。
3.2 张拉索膜结构体系新技术工艺的复杂性对建筑工程造价管理的影响分析
张拉索膜结构体系新技术的工作内容由人工机械配合完成，当主体结构施工完成后，开始张拉索膜结构体系的施工。
张拉索膜结构体系索网主要的施工工艺：开盘放索→铺设环索、脊索、斜索→安装索夹、索撑杆→张拉提升索具→与主体构件锚接→索网张拉成型；张拉索膜结构体系膜材安装主要施工工艺：吊装膜材→展开膜材→膜材临时固定→膜张拉固定。
由于应用在运动场上张拉索膜结构体系技术多数在大空间、高空间上施工，技术措施、安全措施等辅助工作内容相对较多，而这些工作也需要配备大量人力、物力、机械等。
在建筑工程造价管理预算阶段中，应该充分考虑各项非常规工作外的影响造价的因素，根据工作内容的复杂性及类似工程的经验数据进行控制；在建筑工程造价管理施工阶段中，根据专家论证的专项方案进行施工，从经济、技术、组织等方面进行成本管控，并与预算对比分析，找出差异原因，调整后续工作的预算偏差；在建筑工程造价管理结算阶段中，按照合同、图纸、施工方案、现场签证、隐蔽工程影像资料等资料进行结算。
3.3 张拉索膜结构体系新技术的市场局限性对建筑工程造价管理的影响分析
在运动场馆建设中，懂张拉索膜结构体系新技术，有经验的专业人员、单位缺少。相对于传统建筑而言，其建筑行业从业人员、单位接触该项技术的几率不大，导致懂张拉索膜结构体系新技术管理、设计、施工、监理的单位稀少。同时，在建筑工程造价管理工作中的招投标阶段，局限于仅有几家专业技术单位（设计、施工、监理或其他建筑主体），市场竞争力度小，对建筑工程造价管理不利。对于这种不利，首先，在招标阶段要尽可能在全国范围内发布招标信息，使得有技术、有经验的设计、施工、监理单位均能够获得招标信息，从而加大市场竞争；其次，实地考察已完工或在施工的运动场馆，学习借鉴其造价管理工作经验。
在运动场馆建设中，张拉索膜结构体系对新技术材料要求高。无论是拉索还是膜材其技术标准均较高，国内近些年虽然索膜生产商大量涌现，技术水平也明显提高，但是各家技术水平参差不齐，能达到大型体育场技术标准的凤毛麟角。建筑工程造价管理工作中，对材料质量、生产技术、生产能力各方面进行对比筛选，选择优质优价的供应商，是造价控制的重中之重。
在运动场馆建设中，张拉索膜结构体系新技术涉及复杂的施工、机械、措施等专项方案，方案中的施工技术、经济、措施等方面的内容，须符合国家法律、法规、程序的要求。在建筑工程造价管理工作中，要对各项方案进行测算、优化，做到造价管理工作的提前介入。
4 结语
张拉索膜结构体系这种新技术，不仅结构形式优异、外观可控、材质节能环保、功能众多，而且造价相对较低。但由于新技术运用还在逐渐发展，市场竞争力不足。虽然造价管理工作比较难，但从事前、事中、事后各个层面进行控制还是有迹可循的，建设单位、施工单位、材料供应单位及其他主体应相互配合，以突破各个造价管理过程中的难点、重点，使张拉索膜结构体系给整个工程建筑带来更高、更好的市场经济效益，使张拉索膜结构体系在我国建筑市场得到更好的发展。
参考文献：
[1]肖正直.张拉索膜结构体系及其施工技术研究.重庆大学硕士论文.2004
[2]齐藤嘉仁、唐泽靖子.膜结构建筑及其在现代体育场馆中的应用.工业建筑.2002增刊
[3]蓝天.中国空间结构七十年成就与展望.《建筑结构》,2019年第19期
