大跨度拱殼結(jié)構(gòu)的發(fā)展與應(yīng)用

金 振，何 勇，潘國(guó)華

JIN Zhen，HE Yong，PAN Guohua

(廣廈建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，浙江 杭州310012)

1 拱殼結(jié)構(gòu)的發(fā)展

1.1 拱結(jié)構(gòu)

拱結(jié)構(gòu)是一種主要承受軸向壓力并由兩端推力維持平衡的曲線構(gòu)件。東西方古國(guó)很早就產(chǎn)生了拱結(jié)構(gòu)，如趙州橋、君士坦丁凱旋門(mén)、圣彼得大教堂、巴黎圣母院等。其中趙州橋是當(dāng)今世界上現(xiàn)存最早、保存最完善的古代敞肩石拱橋(圖1);君士坦丁凱旋門(mén)有3 個(gè)拱門(mén)，是羅馬現(xiàn)存的凱旋門(mén)中最新的一座(圖2);圣彼得大教堂呈羅馬式建筑和巴洛克式建筑風(fēng)格，屬世界上最大的教堂，教堂正中是圓穹;巴黎圣母院是一座典型的哥特式教堂，全部采用石材建造，耗時(shí)近兩個(gè)世紀(jì)才完工。

圖1 趙州橋

圖2 君士坦丁凱旋門(mén)

1.2 殼結(jié)構(gòu)

殼，是一種曲面構(gòu)件，主要承受各種作用產(chǎn)生的中面內(nèi)的力。殼體由內(nèi)、外兩個(gè)曲面圍成，是厚度t遠(yuǎn)小于中面最小曲率半徑R 和平面尺寸的片狀結(jié)構(gòu)，薄殼是指t/R 小于0.05 的殼體。殼與拱的承載能力的區(qū)別:殼主要承受的是各種作用產(chǎn)生的中面應(yīng)力，而不是以沿厚度變化的彎曲應(yīng)力來(lái)抵抗外荷載;殼體以曲板承荷傳力，不像拱是單向受荷傳力的平面結(jié)構(gòu)，而是雙向受荷傳力的空間結(jié)構(gòu)，起雙向“頂”的作用。殼體能充分利用材料強(qiáng)度，同時(shí)又能將承重與圍護(hù)兩種功能融合為一。

殼體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度主要是利用了其幾何形狀的合理性，以材料直接受壓來(lái)代替彎曲內(nèi)力，從而充分發(fā)揮材料的潛力。因此殼體結(jié)構(gòu)具有十分良好的承載性能，能以很小的厚度承受相當(dāng)大的荷載，是一種強(qiáng)度高、剛度大、材料省的既經(jīng)濟(jì)又合理的結(jié)構(gòu)形式。

殼體結(jié)構(gòu)經(jīng)常結(jié)合清水混凝土進(jìn)行設(shè)計(jì)。清水混凝土是混凝土材料中最高級(jí)的表達(dá)形式，它顯示的是一種最本質(zhì)的美感，體現(xiàn)的是“素面朝天”的品位。清水混凝土具有樸實(shí)無(wú)華、自然沉穩(wěn)的外觀韻味，與生俱來(lái)的厚重與清雅是一些現(xiàn)代建筑材料無(wú)法效仿和媲美的。材料本身所擁有的柔軟感、剛硬感、溫暖感、冷漠感不僅對(duì)人的感官及精神產(chǎn)生影響，而且可以表達(dá)出建筑情感。因此建筑師們認(rèn)為，這是一種高貴的樸素，看似簡(jiǎn)單，其實(shí)比金碧輝煌更具藝術(shù)效果。世界上著名的薄殼結(jié)構(gòu)主要有以下幾個(gè)工程:

費(fèi)利克斯·坎德拉(Felix Candella)是世界上很有名望的殼混凝土(Shell concrete)工程師，他設(shè)計(jì)的著名建筑是建于1958年位于墨西哥城索奇米爾科(Xochimilco)的洛斯馬納迪阿勒斯餐廳(Los Manatiales restaurant，也叫Mantiales 大飯店)，是由8 個(gè)分離的雙曲線形沿著彼此相接的谷線連接而成的清水混凝土薄殼，形狀似八瓣花，殼體橫向跨度超過(guò)45 m，卻僅僅40 mm 厚。洛斯馬納迪阿勒斯餐廳的整體圖和局部圖分別見(jiàn)圖3a)、圖3b)。

圖3 洛斯馬納迪阿勒斯餐廳

丹麥著名建筑大師約恩·烏松設(shè)計(jì)的混凝土薄殼結(jié)構(gòu)的“悉尼歌劇院”，該歌劇院的貝殼狀尖屋頂由預(yù)制混凝土后張預(yù)應(yīng)力拱條組成，外表覆蓋著105 萬(wàn)塊白色或奶油色的瓷磚［1］。其造型“形若潔白蚌殼，宛如出海風(fēng)帆”，成為全世界公認(rèn)的藝術(shù)杰作，圖4a)和圖4b)分別是澳大利亞悉尼歌劇院正面圖與背面圖。

圖4 澳大利亞悉尼歌劇院

建筑師E·沙里寧設(shè)計(jì)的紐約肯尼迪國(guó)際機(jī)場(chǎng)TWA 候機(jī)樓(環(huán)球航空公司候機(jī)樓)，工程于1962年竣工。見(jiàn)圖5。該候機(jī)樓屋面采用混凝土薄殼結(jié)構(gòu)的彎曲屋面，宛如一只展翅欲飛的大鳥(niǎo)，象征自由飛翔，被稱為“世界上最有魅力的候機(jī)樓”［2］。

著名的瑞士建筑師海恩茲·伊斯勒(Heinz Isler)設(shè)計(jì)的瑞士南代廷根服務(wù)站(1968年)，該服務(wù)站由兩個(gè)對(duì)稱的自由形清水混凝土薄殼結(jié)構(gòu)組成。見(jiàn)圖6。平面上是三角形，長(zhǎng)31 m，高11.5 m，殼體厚僅90 mm?？雌饋?lái)就像兩片織物在空氣中舒卷，并就此凝結(jié)。

圖5 美國(guó)TWA 候機(jī)樓

圖6 瑞士南代廷根服務(wù)站

建筑師山崎實(shí)(Yamsaki)設(shè)計(jì)的蘭伯特圣路易市航空港(Lanbert-St. Louis International Airport)候機(jī)室，該候機(jī)廳由三組115 mm 厚的現(xiàn)澆鋼筋混凝土殼體組成，每組由兩個(gè)圓柱形曲面殼體正交，相接處設(shè)置采光帶。蘭伯特圣路易市航空港白天與夜晚的情景分別見(jiàn)圖7a)、圖7b)。

圖7 蘭伯特圣路易市航空港

2 清水混凝土結(jié)構(gòu)的發(fā)展與特點(diǎn)

在我國(guó)，清水混凝土尚處于發(fā)展階段，屬于新興的施工工藝，真正掌握此類建筑的設(shè)計(jì)和施工的單位并不多。清水混凝土最終的裝飾效果，70%取決于混凝土的配合比與澆筑質(zhì)量，30%取決于后期的透明保護(hù)噴涂施工，因此，清水混凝土對(duì)建筑施工水平是一種極大的挑戰(zhàn)。

2.1 清水混凝土配合比

清水混凝土配合比設(shè)計(jì)和原材料質(zhì)量控制非常嚴(yán)格，新拌混凝土必須具有極好的工作性和粘聚性，絕對(duì)不允許出現(xiàn)分層離析的現(xiàn)象。原材料產(chǎn)地必須統(tǒng)一，所用水泥盡可能是同一廠家同一批次的;砂、石的色澤和顆粒級(jí)配均勻。

清水混凝土組合物的配方，組分比例科學(xué)合理，其工作性能滿足混凝土泵送與澆筑要求，可達(dá)到不泌水、不離析、收縮量小，成型后混凝土密實(shí)、質(zhì)感強(qiáng)。配制大流態(tài)清水混凝土，具有混凝土施工時(shí)流動(dòng)性好、和易性好、保水性好，以及坍落度經(jīng)時(shí)損失小與可泵性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，能保證成型后的混凝土強(qiáng)度，表面光澤好，色差滿足飾面清水混凝土的質(zhì)量要求。

2.2 清水混凝土模板工程

清水混凝土施工用的模板要求十分嚴(yán)格，需要根據(jù)建筑物進(jìn)行專門(mén)設(shè)計(jì)，甚至定做，成本較高。模板必須具有足夠的剛度，在混凝土側(cè)壓力作用下不允許有一點(diǎn)變形，以保證結(jié)構(gòu)物的幾何尺寸均勻與斷面的一致，防止?jié){體流失［3］;其對(duì)模板的材料也有很高的要求，表面要平整光潔，且強(qiáng)度高、耐腐蝕，并具有一定的吸水性;對(duì)模板的接縫和固定模板的螺栓等，則要求接縫嚴(yán)密，要加密封條防止跑漿;固定模板的拉桿也需要用帶金屬帽或塑料扣，以便拆模時(shí)方便，由此減少混凝土表面的破損等。

2.3 清水混凝土的澆筑與養(yǎng)護(hù)

清水混凝土應(yīng)連續(xù)澆筑，確保無(wú)冷縫，排除泌水，減少氣泡，確?；炷羶?nèi)實(shí)外光。清水混凝土如養(yǎng)護(hù)不當(dāng)，表面極容易因失水而出現(xiàn)微裂縫，影響外觀質(zhì)量和耐久性。因此，對(duì)裸露的混凝土表面，應(yīng)及時(shí)采用黏性薄膜或噴涂型養(yǎng)護(hù)膜覆蓋，進(jìn)行保濕養(yǎng)護(hù)。

清水混凝土結(jié)構(gòu)不需要裝飾，即舍去了涂料、飾面等化工產(chǎn)品;清水混凝土結(jié)構(gòu)一次成型，不剔鑿修補(bǔ)、不抹灰，于是減少了大量的建筑垃圾，有利于保護(hù)環(huán)境，因此清水混凝土是名副其實(shí)的綠色混凝土［4］。

3 大跨度清水混凝土拱殼結(jié)構(gòu)的施工技術(shù)

3.1 銀川車站工程

清水混凝土拱殼結(jié)構(gòu)是拱與殼的結(jié)合，并采用了清水混凝土的結(jié)構(gòu)。銀川車站站房中部清水混凝土拱殼結(jié)構(gòu)由拱與殼兩部分組成，由3 對(duì)連續(xù)的單曲面薄殼、6 根單曲面拱梁和6 根雙曲面拱梁組成。殼板厚度0.45 m，主拱半徑31.787 m，副拱半徑22.667 m，主副殼均屬于薄殼結(jié)構(gòu)［5］。銀川車站效果圖見(jiàn)圖8。

圖8 銀川車站效果圖

銀川車站的造型設(shè)計(jì)充分汲取地域與民族元素，形成了融地域文化與現(xiàn)代風(fēng)格為一體的獨(dú)特建筑風(fēng)貌，銀川車站現(xiàn)場(chǎng)雪景見(jiàn)圖9。它結(jié)合大跨度、大空間的使用要求，站房中部采用了古老而獨(dú)特的拱殼結(jié)構(gòu)體系，在滿足功能與使用要求的同時(shí)，為整個(gè)建筑帶來(lái)了獨(dú)特的民族韻味。拱殼結(jié)構(gòu)三維圖見(jiàn)圖10，其中大跨度的尖拱表達(dá)出了民族文化與建筑文化的力量，呈現(xiàn)出拱殼結(jié)構(gòu)特有的力度美。

圖9 銀川車站現(xiàn)場(chǎng)雪景

圖10 銀川車站拱殼結(jié)構(gòu)三維圖

3.2 特點(diǎn)與難點(diǎn)

銀川車站工程清水混凝土拱殼結(jié)構(gòu)施工的主要特點(diǎn)與難點(diǎn):

(1)拱殼結(jié)構(gòu)清水混凝土要求表面為淺白色，具有高空、大跨度、異形等工程特點(diǎn)，實(shí)際施工時(shí)要采用大流態(tài)淺白色清水混凝土。

(2)高空大跨度清水混凝土拱殼模板承重架施工，模板承重架的搭設(shè)高度高，最高點(diǎn)達(dá)到38 m，拱殼結(jié)構(gòu)的模板承重架受力復(fù)雜，水平桿也承受較大的荷載。雙曲面梁與薄殼結(jié)構(gòu)位置圖見(jiàn)圖11。

圖11 銀川車站雙曲面梁與薄殼結(jié)構(gòu)位置圖

(3)高空大跨度清水混凝土拱殼模板面板施工，既要確保拱形曲面結(jié)構(gòu)模板的強(qiáng)度、剛度與穩(wěn)定性，更要確保混凝土異形結(jié)構(gòu)的清水效果。

(4)安裝難題是拱殼室內(nèi)高空燈具、消防暖通等的設(shè)計(jì)優(yōu)化與安裝技術(shù)。

3.3 施工關(guān)鍵技術(shù)

針對(duì)清水混凝土拱殼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)與難點(diǎn)展開(kāi)了課題攻關(guān)，針對(duì)大流態(tài)淺白色清水混凝土配合比，高空大跨度清水混凝土拱殼模架與面板施工技術(shù)，拱殼結(jié)構(gòu)清水混凝土澆筑養(yǎng)護(hù)與修復(fù)技術(shù)，清水面安裝綜合施工技術(shù)等，進(jìn)行了優(yōu)化總結(jié)，申報(bào)了浙江省的科研項(xiàng)目“高空大跨度清水混凝土拱殼結(jié)構(gòu)施工技術(shù)”，克服了技術(shù)難題，成功完成了銀川車站改造工程的施工。銀川車站內(nèi)部實(shí)景見(jiàn)圖12。此工程獲得了2012—2013年度中國(guó)建設(shè)工程魯班獎(jiǎng)，科研項(xiàng)目“高空大跨度清水混凝土拱殼結(jié)構(gòu)施工技術(shù)”獲得了浙江省科技廳科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)三等獎(jiǎng)。并且，為了攻克清水混凝土顏色、質(zhì)感較單一的技術(shù)難題，申報(bào)了兩項(xiàng)發(fā)明專利“制備白色飾面清水混凝土組合物的配方”(ZL201010511486.7)、“摻有礦渣粉的制備白色飾面清水混凝土的組合物”(ZL201210098596.4)，均已獲得國(guó)家專利授權(quán)。

圖12 銀川車站內(nèi)部實(shí)景

4 結(jié) 語(yǔ)

從拱結(jié)構(gòu)到殼結(jié)構(gòu)，從磚石拱結(jié)構(gòu)到清水混凝土薄殼結(jié)構(gòu)(或結(jié)合部分拱結(jié)構(gòu))，從耗時(shí)14年竣工的悉尼歌劇院到2年即竣工的銀川車站改造工程，體現(xiàn)了時(shí)代的發(fā)展、技術(shù)的進(jìn)步，它是文化的傳承與發(fā)展，從而使拱殼結(jié)構(gòu)得到了更大范圍的應(yīng)用。

大跨度清水混凝土拱殼結(jié)構(gòu)也充分汲取了地域與民族元素，是一種古老而獨(dú)特的結(jié)構(gòu)體系，呈現(xiàn)出拱殼結(jié)構(gòu)特有的力度美。拱殼結(jié)構(gòu)具有殼薄、自重輕、耐火性能好等特點(diǎn)，且清水混凝土的采用減少了裝飾施工對(duì)環(huán)境干擾，節(jié)省了裝飾材料與施工的造價(jià)，加大了使用空間，從而是今后發(fā)展的一個(gè)方向。

［1]張慶歡，徐永模.國(guó)內(nèi)外裝飾混凝土的發(fā)展簡(jiǎn)介［J］.建筑裝飾材料世界，2009(1):60 -70.

［2]許乙弘，洪斐莉.淺析當(dāng)代航站樓建筑設(shè)計(jì)中的結(jié)構(gòu)因素［J］.新建筑，2007(5):115 -120.

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［4]于東暉，奧曉磊，畢大勇.銀川火車站站房混凝土拱殼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性能分析［J］.建筑結(jié)構(gòu)，2011(9):99 -103.

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