雙曲拋物面薄殼結(jié)構(gòu)塔類建筑建設(shè)淺談

彭鐘

摘 要 薄殼結(jié)構(gòu)一般是指由兩個幾何曲面構(gòu)成的空間薄壁結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可以充分利用材料強度，形成造型奇特新穎且能適應(yīng)各種使用需求的建筑。本文以某座燈塔建設(shè)為例，對雙曲拋物面薄殼結(jié)構(gòu)建筑的建設(shè)進行介紹。

關(guān)鍵詞 雙曲拋物面；薄殼結(jié)構(gòu)；塔類；設(shè)計；施工

薄殼結(jié)構(gòu)一般是指由兩個幾何曲面構(gòu)成的空間薄壁結(jié)構(gòu)，按曲面生成的形式分為筒殼、圓頂薄殼、雙曲扁殼和雙曲拋物面殼等，材料大都采用砼。薄殼結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是能充分利用材料強度，依靠曲面內(nèi)的雙向軸力和順剪力，把受到的壓力均勻地分散到物體的各個部分，減少受到的壓力，做到同時將承重與圍護兩種功能融合為一。本文以某座燈塔建設(shè)為例，對雙曲拋物面薄殼結(jié)構(gòu)建筑的建設(shè)進行介紹。

1 項目概況

海南某航標(biāo)處近期完成了一座沿海燈塔建設(shè)。該燈塔位于海南省文昌市銅鼓嶺東側(cè)的銅鼓咀上，高度53.6米，燈塔共13層，建筑面積約990平方米。該燈塔基礎(chǔ)為樁基礎(chǔ)，主體結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土核心筒剪力墻結(jié)構(gòu)，塔頂為定制銅燈籠。該建筑方案由深圳天合建筑設(shè)計事務(wù)所有限公司完成，由黑龍江集盛建筑設(shè)計有限公司海南分公司配合完成施工圖的設(shè)計。建筑外立面為三片雙曲拋物面薄殼結(jié)構(gòu)和三條帶狀玻璃幕墻圍護而成。該燈塔造型獨特、結(jié)構(gòu)新穎，以雕塑手法設(shè)計流暢平滑的曲面造型，上揚、外張的外形使其極具動感及上進之意，建筑效果圖及竣工圖如圖1、圖2所示。

2 基礎(chǔ)形式簡介

因本項目位置在銅鼓咀山頂，又在海南島陸地最東側(cè)位置，臺風(fēng)登陸頻繁，2015年曾遭遇“威馬遜”17級超強臺風(fēng)，故基本風(fēng)壓取值按照17級臺風(fēng)風(fēng)壓考慮，即取2.25KN/平方米。燈塔基礎(chǔ)根據(jù)地勘資料采用沖孔灌注樁，承臺為整體性優(yōu)良的聯(lián)合樁筏，以滿足抗傾覆要求?；A(chǔ)總計采用24根直徑800mm的灌注樁，樁有效長度約22米，樁位布置如圖3所示。

3 塔身建筑結(jié)構(gòu)形式及施工要點

根據(jù)建筑方案塔身修長高聳的特點，塔身結(jié)構(gòu)主體設(shè)計采用鋼筋混凝土剪力墻筒體結(jié)構(gòu)，底層擴大平面的裙房采用框架—剪力墻結(jié)構(gòu)。該燈塔在平面設(shè)計上采用中間圓形空間向外與3個圓弧空間組合，3個圓弧空間組合分別通過圓心有3條對稱軸，燈塔平面整體形同一朵盛開的3瓣花，燈塔垂直交通系統(tǒng)由樓梯與一部電梯組成。塔體高寬比為9.0，長寬比為1.0。塔身平面尺寸由一層的邊長20.785米，向上逐漸收窄，到第七層平面邊長最小，為8.178米，再向上逐漸放大，到屋面層頂部的三片花瓣狀造型邊長為11.8米。

耐久性設(shè)計方面，此燈塔的設(shè)計合理使用年限為100年。為達到百年燈塔的設(shè)計目標(biāo)，燈塔塔身必須具有可靠的抗震和耐自然侵蝕性能。本項目建筑抗震設(shè)防類別為乙類（重點設(shè)防），地基基礎(chǔ)設(shè)計等級為甲級，主體結(jié)構(gòu)的耐久性設(shè)計采取了以下措施：

（1）結(jié)構(gòu)構(gòu)件按三a類（海風(fēng)環(huán)境）環(huán)境類別設(shè)計，使其耐久性應(yīng)符合有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。

（2）對建筑物的耐久性采取加強措施：①采用商品預(yù)拌混凝土，強度等級為C40、抗?jié)B等級為S8。②控制混凝土中的最大氯離子含量為0.06%。③控制混凝土中的最大堿含量為3.0kg/m3。④增加混凝土保護層厚度 （板、墻30mm，梁、柱40mm）。⑤在混凝土中，添加筑金液（DPS）等外加劑。⑥所有鋼筋均采用高強鋼筋HRB400。⑦結(jié)構(gòu)構(gòu)件中的受力鋼筋采用環(huán)氧樹脂涂層帶肋鋼筋。⑧在使用過程中，應(yīng)定期維修。

施工方面，燈塔內(nèi)部兩個環(huán)形核心筒采用了滑模施工，減少了現(xiàn)場場地占用并保證了施工速度和結(jié)構(gòu)整體性。核心筒之間的樓梯采取了植筋后澆混凝土的方式進行施工。平面最大半徑為12m，最小4.7m，施工作業(yè)面狹窄，施工單位采用了綜合（鋼筋、模板、混凝土）班組以避免窩工，保證了工程進度。燈塔外立面的曲面構(gòu)造雖然豐富了建筑造型，但是在進行外圍薄殼結(jié)構(gòu)施工時，無論是鋼筋綁扎、模板支設(shè)還是澆筑混凝土，都非常費工、費時、費材料，對施工造成了一定的困難。過大的曲度造成了鋼筋加工和綁扎的難度幾何級增加。針對這種情況，施工單位購置了鋼筋數(shù)控曲度加工機械，根據(jù)雙曲面外殼的弧度數(shù)字化鋼筋制作，并且逐漸積累曲面鋼筋綁扎經(jīng)驗，加快速度；另一方面，普通木模板不論是混凝土成型的表面圓滑程度，還是模板本身的剛度都無法滿足雙曲面外殼的造型要求，施工方經(jīng)與鋼模板生產(chǎn)廠家溝通，根據(jù)施工圖紙，將整個燈塔外圍雙曲面薄殼進行電腦建模，訂制生產(chǎn)了一次性整體鋼模。整體鋼模每塊高度1.8米，每兩塊3.6米高為一層。一次性整體鋼模的使用保證了實際建筑造型與效果圖的一致性，也確保了工程工期按計劃進行。由于燈塔為雙曲面結(jié)構(gòu)，層高3.6米，薄壁造型剪力墻僅僅厚160mm，特別是燈塔第一層層高7.2m，是雙曲面曲度最大的位置。大曲度也給混凝土澆筑振搗造成困難，常規(guī)50mm振動棒無法完全振搗到位，導(dǎo)致澆筑完成的混凝土存在蜂窩、麻面等通病。本工程通過購置30mm振動棒，針對性個別局部位置充分振搗，雖仍個別部位仍存在混凝土通病現(xiàn)象，但拆模后的觀感效果得到較大幅度提高。

4 結(jié)束語

該雙曲拋物面薄殼結(jié)構(gòu)燈塔2016年9月開工建設(shè)，2017年12月完成。建設(shè)、設(shè)計、施工單位在工程設(shè)計和施工過程中遇到了一系列問題和困難，通過不斷協(xié)調(diào)、解決問題，順利完成了項目建設(shè)，積累豐富了雙曲拋物面薄殼結(jié)構(gòu)塔類建筑的建設(shè)經(jīng)驗。