清水混凝土在空間異性雙曲面薄殼飾面施工中的應用

孟程

【摘要】針對某工程結構類型為空間異形雙曲面結構，墻體設計為雙曲面清水混凝土，墻體厚度為160mm，高度為85.7m，以樓層高度為橫向明縫分格，以蟬縫作分塊，以多弧線半徑為漸變曲面等特點，提出了清水混凝土泵送技術、BIM及測量機器人結合技術、BIM對模板的放樣和配模控制技術和異形雙曲面模板技術。并介紹了相關的施工工藝，施工控制要點，工程實踐證明，有良好的經(jīng)濟和社會效益，可在空間異形曲面結構中推廣應用。

【關鍵詞】空間異形雙曲面；薄殼飾面；BIM；測量機器人；模板

1、工程概況

某工程位于鄭州新鄭國際機場GTC交通樞紐北側，共有2座主要建筑，其中塔臺為構筑物，航管樓為多層建筑?？偨ㄖ娣e12205㎡，其中航管樓建筑面積為6205㎡，塔臺建筑面積約6000㎡。塔臺共21層，為構筑物，高度93.5米。結構形式為空間異形雙曲面結構，平面為不規(guī)則類橢圓形狀，且隨高度不斷變化。墻體設計為雙曲面清水混凝土，墻體厚度為160mm，以樓層高度為橫向明縫分格，以蟬縫作分塊，以多弧線半徑為漸變曲面。

2、工程特點及難點

1.本工程結構形式為空間異形雙曲面結構，且作業(yè)面極其狹小，平面為不規(guī)則類橢圓形狀，且隨高度不斷變化，給測量放線帶來極大困難。

2.塔臺外圍墻體設計為空間異形雙曲面清水混凝土，墻體厚度160mm，高度85.7m。給模板放樣、配模、加工以及現(xiàn)場施工帶來很大困難。

3.清水混凝土施工對混凝土性能要求較高，無法添加起泡劑等外加劑，造成清水混凝土不適于泵送，而塔臺高度為93.5米，如何調節(jié)配合比和添加劑使清水混凝土適合泵送是個難題。

3、方案選擇

1.根據(jù)塔臺結構的特異性，作業(yè)面的限制，如果采用傳統(tǒng)的普通全站儀進行測量控制比較困難，且效率很低，不能滿足工期要求。公司經(jīng)過考察學習引入測量機器人技術，并且創(chuàng)新性的將BIM和測量機器人結合起來解決此類結構測量控制的難題。

2.由于本工程清水混凝土造型復雜，要求較高，普通模板很難達到要求，項目部通過考察和學習，在對模板體系深入研究的情況下，最終選用啞光覆膜PVC板。為滿足清水混凝土雙曲面的造型，項目部決定采用BIM技術進行放樣，并將BIM模型導入數(shù)控機床，將鋼板切割成所需形狀，作為模板龍骨。

3.本工程清水混凝土高度較高、墻體較薄，采用塔吊進行混凝土澆筑較慢，影響工程進度及混凝土成型效果。對此，公司通過對多家商品混凝土公司的考察，選擇一家有資質、有經(jīng)驗的廠商，通過配合比的調整和樣板墻的施工，來確定最終方案。

4、方案設計

1.運用BIM技術行三維建模，確定建筑模型的三維幾何尺寸和詳細的三維坐標導入天寶RTS自動全站儀，用RTS自動全站儀在空間雙曲面異形結構中測量放線。

2.運用BIM技術進行模板的放樣及配?？刂?，并建立模板加工車間，購入一整套的自動化清水模板加工設備對清水混凝土模板進行加工，將6mm厚鋼板切割成單曲面弧形，作為模板龍骨，將15mm專用啞光覆膜PVC板加固成雙曲面，保證了清水混凝土外觀造型。

3.經(jīng)過無數(shù)次的混凝土試配與樣板澆筑，最終確定本配合比C：W：S：G：FN-W2：S95礦粉：粉煤灰為323：175：799：1034：8.3：50：42

5、施工工藝

清水混凝土優(yōu)化比配制→模板體系的選擇→模板的配置原則→面板的選擇和加工→模板龍骨的加工→測量放線→鋼筋綁扎→模板組裝→混凝土泵送澆筑→成品保護。

6、操作要點

6.1清水混凝土優(yōu)化比配制

為使清水混凝土具有良好的粘聚性，改善混凝土的表觀質感，降低氣泡量，減少收縮，除使用PVC模板、運輸過程中勻速、慢速轉動、延長攪拌時間外，在優(yōu)化配合比設計中還應采取以下措施：

1.在清水混凝土中加入顏色一致的Ⅰ級粉煤灰，它的“形態(tài)效應”能提高拌和物的流動性，不僅能夠減少氣泡，而且能使混凝土極易均勻的鋪滿整個模板，表面也顯得更加細膩致密，外觀更加平整光滑；

2.加入蘇博特聚塑酸外加劑，能有效的使氣泡迅速破滅，而且能長時間阻止氣泡的再生；

3.嚴格控制清水混凝土水灰比，在改善施工和易性用水量的前提下，降低水灰比，提高清水混凝土的密實性、光滑性和耐久性；

4.依照清水混凝土的施工要求進行清水混凝土配合比優(yōu)化，通過大量的清水混凝土試配與樣板墻的澆筑，最終確定本配合比C：W：S：G：FN-W2：S95礦粉：粉煤灰=323：175：799：1034：8.3：50：：42為泵送混凝土。各項檢測指標滿足規(guī)范要求。

6.2模板體系的選擇

綜合比較各種模板體系的優(yōu)缺點，本工程計劃選用6mm厚、8cm寬鋼板龍骨+50*50*2.5方鋼組合體系模板，面板采用易圍弧15mm專用啞光覆膜板（雙曲面采用15mm厚啞光pvc模板）。脫模劑采用優(yōu)質色拉油。

6.3模板配置原則

1.模板布置依照標準尺寸從墻體中間分別向兩邊均勻排布，對拉螺栓孔布置原則是橫向成排、排列有序、間距均勻。另外要求模板拼縫位置與清水混凝土裝飾凹槽面線和諧統(tǒng)一，明縫、蟬縫線條要求橫平豎直、清晰美觀、規(guī)則有序。

2.模板設計原則是保證剛度、強度要求，牢固穩(wěn)定，模板構造安全合理，規(guī)格尺寸精準，拼縫嚴密，便于組裝和拆卸。

3.模板排版應充分考慮預留洞口的位置，做到模板拼縫與洞口位置重合一致；預埋件、預留洞芯應與模板固定牢固，貼合嚴密。

4.明縫、假眼和對拉螺栓的設計：

本工程選用￠14型對拉螺栓，具有截面精度容易控制、施工方便、表面干凈整潔等優(yōu)點。對拉螺桿間距根據(jù)弧面曲率，采用BIM技術進行設計，要做到排布有序，間距均勻。對拉螺栓安裝與對拉螺栓配套的塑料堵頭和套筒應有足夠的強度，以免造成孔眼變形或漏漿，影響墻體平整度。另外增加柔性防水膠墊保護面板的平整光滑，并控制螺栓堵頭與模板之間的縫隙，保證螺栓孔不跑漿。

1）明縫

本工程塔臺設置橫向與豎向明縫，橫向明縫設置在各樓層分割處，寬度3cm，深度1.5cm；橫向明縫采用梯形截面塑料條，用自攻螺絲將梯形截面塑料條固定在模板上，保證水平明縫要水平交圈；豎向明縫設置在塔臺七根框架柱及北側直面處，其中在TB，T2軸處設置豎向施工縫，明縫寬度5cm，深度4cm，豎向明縫使用壓縮密度板裁剪成梯形，采用自攻螺絲固定在模板上，注意豎向明縫要上下豎直。

2）假眼

清水飾面混凝土的外觀要求美觀、平整光滑，而螺栓的布置又必須按設計進行，但由于部分梁、柱、墻鋼筋過于密集，或者兩個方向上的對拉螺栓在同一標高，無法滿足兩個方向的螺栓都能安裝，為了滿足設計要求，工程上一般需設置假眼來達到清水混凝土的外觀要求。假眼采用相同直徑的堵頭，用同直徑的螺桿安裝固定。

6.4面板的選擇及加工

為便于本工程清水混凝土的模板配置，在現(xiàn)場搭建了專門的清水混凝土模板加工車間，并購買一套全自動模板加工及覆膜設備，以便于清水混凝土模板的制作與加工。

1.選料：根據(jù)塔臺外立面為空間異形雙曲面的特征，面板采用易圍弧15mm專用啞光覆膜板（雙曲面采用15mm厚啞光pvc模板）為保證清水混凝土的飾面特征。加工時要注意多層覆膜面板是否平整、有無破損，夾板有無空隙、扭曲，邊口是否整潔，厚度、形狀等是否符合要求；

2.下料：根據(jù)建筑設計和模板使用部位的要求，運用BIM軟件建模，形成完整的加工圖和安裝圖，在模板施工時對每塊墻模板進行設計編號，以便于墻模的安裝，提高工作效率。

3.研縫：為滿足清水混凝土飾面分隔線的尺寸要求，切割后的模板需進行研縫加工，按照要求，加工高度比設計尺寸要小0.3mm，研縫成型后刷漆防潮保護并堆放整齊。

6.5模板龍骨的加工

模板龍骨是保證模板剛度、平整度、強度的有力保障，而模板龍骨加工的準確性更是保證清水混凝土質量關鍵。公司運用BIM技術進行模板的放樣及配?？刂疲⒔⒛０寮庸ぼ囬g，購入一整套的自動化清水模板加工設備對清水混凝土模板進行加工。

豎向背楞采用50*50*2.5方鋼龍骨，強度高、操作靈活簡便，加工時為保證木板與方鋼龍骨連接牢固，每隔600mm釘2個螺釘，兩個螺釘之間相距100mm，為保證清水混凝土的外觀效果，螺釘嚴禁從面板一側釘入。

橫向背楞采用6mm厚鋼板，使用全自動數(shù)控切割技術，根據(jù)墻體弧度曲線將鋼板切割成單曲面弧度，橫向背楞寬8cm。

6.6測量放線

運用BIM技術，revit進行三維建模，確定建筑模型的三維幾何尺寸和詳細的三維坐標導入天寶RTS自動全站儀。 針對清水混凝土外壁，用BIM精確放樣之后，根據(jù)電腦算出實際尺寸，用RTS自動全站儀用相對坐標在平整地面放出大樣并且保證每層截面的總弧長和每個軸線的精確位置。

對于核心筒放樣，事先設置放線孔，圓弧部分工作面狹小且放點數(shù)量較多，放樣前把BIM三維模型或CAD圖紙導入自動全站儀，任意設置需要放樣點，克服了普通全站儀輸入數(shù)據(jù)緩慢且容易出錯的問題，一層五六十個點基本兩個小時左右完成，效率大大提高。

核心筒完成以后用RTS免棱鏡功能對其混凝土墻壁進行校核，找出誤差，并對下一層模板固定提出改正意見。

6.7鋼筋放樣綁扎

放樣施工時必須考慮鋼筋的穿插順序和疊放位置，應重點考慮鋼筋錨固長度、接頭形式、搭接長度、接頭位置等對鋼筋綁扎的影響。豎向鋼筋在澆筑混凝土前應校正，墻體鋼筋接頭采用焊接或搭接，接頭應錯開，拉筋與各排分布筋之間均需要綁扎牢固，不得漏綁。墻體鋼筋綁扎時，鋼筋扎絲的彎鉤應彎向混凝土內(nèi)，墻體拉結筋不得超長。當鋼筋與對拉螺栓發(fā)生沖突時，宜遵循鋼筋避讓對拉螺栓的原則。

6.8清水混凝土泵送澆筑

6.8.1混凝土澆筑

澆筑前應進行實驗，本工程混凝土澆筑40m以下采用非泵送、40m以上固定泵泵送混凝土，塔吊配合澆筑。

對于清水混凝土墻體采用“自然流淌、斜面分層”的方法澆筑，當下料高度大于2m時，為防止?jié)仓r清水混凝土對鋼筋骨架和模板造成較大沖擊，導致鋼筋骨架變形和漲?，F(xiàn)象，采用在布料管上接軟管伸到模板內(nèi)的方法，保持澆筑落差不超過2m，保證施工質量。

澆筑混凝土時，應堅持“分層下料、分層振搗”的方法，每層混凝土澆筑厚度控制在500mm左右。采用標尺桿嚴格控制分層厚度，標尺桿每隔500mm刷紅藍標志線。按照“薄層澆筑、順序推進”的原則進行澆筑，隨著振搗的方向向前推進，確?；炷翝仓|量。

6.8.2混凝土的振搗

所有清水混凝土振搗采用φ35、φ50插入式振動棒，操作振動棒時應堅持“快插慢拔”的原則。插點應從中間開始向邊緣分布，要求插點布置均勻、層層搭扣。振搗時應依照插點順序移動，不得遺漏，確保清水混凝土振搗均勻密實。振搗時要垂直插入，掌握振搗時間，以防出現(xiàn)石子下沉，砂與水泥漿分離等質量問題。振搗棒移動間距一般為200mm至300mm，當遇有鋼筋較密或梁柱節(jié)點時，振搗棒移動間距可控制在300mm左右。為使上下層混凝土結合成均勻密實的整體，要求振搗棒插入下層混凝土100mm左右。振搗過程中應避免碰撞模板，每一振點的振動時間應以混凝土表面出現(xiàn)翻漿、不再顯著下沉、無大量氣泡逸出為準，一般控制在20-30秒，剪力墻底層混凝土振搗時間控制在40秒，要避免過振離析。振搗過程應使振搗棒離混凝土表面保持不小于50mm的距離。沾在水平鋼筋上的砂漿不能用振動棒振動上部鋼筋傳遞振動使其振落，應用振動棒輕輕觸碰使其下落，避免長時間滯留，影響質量。

6.9清水混凝土養(yǎng)護

為保證成品清水混凝土表面顏色光澤一致，自初凝之前就要對清水混凝土開始養(yǎng)護。

首先要控制拆模時間，依照清水混凝土的特性和質量要求，清水混凝土的拆模時間應比普通混凝土延長1-2倍。為了確保本工程清水混凝土質量，拆模時間嚴格控制在48h以上。

其次當清水混凝土達到指定強度后，松動兩側模板，離縫約3～5mm，在墻體頂部覆蓋薄膜澆水養(yǎng)護，使水分通過混凝土和模板的間隙滲入混凝土中。最后在拆除模板后用塑料薄膜包裹，邊角接茬部位要包裹嚴密并壓實，然后采用土工布進行覆蓋養(yǎng)護，避免陽光直曬，養(yǎng)護時間不少于14天。本工程的墻體為斜面，澆筑前要在模板內(nèi)設置振搗軌道，便于振動棒的拉拔和引氣，減少砼表面的氣泡。

結語：

該工程從2014年11月份開工，2015年9月份完工。在此次施工過程中，成功的解決了異形建筑施工難題，節(jié)約了施工成本，縮短了施工工期，工程質量得到甲方和監(jiān)理單位的一致好評，為異形建筑施工的發(fā)展和推廣提供了可參考的依據(jù)，為我公司進一步開拓市場奠定了基礎。

參考文獻：

[1]《清水混凝土應用技術規(guī)程》（JGJ169-2009）.

[2]《清水混凝土施工工藝標準》中國建筑工業(yè)出版社ISBN.

[3]《混凝土結構工程施工質量驗收規(guī)范》（GB50204-2002）.

[4]劉數(shù)華《混凝土配合比設計》中國建材工業(yè)出版社.