空間異形曲面模板設(shè)計(jì)與施工工藝

鄔荒耘

上海建工五建集團(tuán)有限公司 上海 200063

目前，鋼模板具有較為成熟的工藝，可以形成各種形狀表面光滑的模板，但造價(jià)較高，且模板沒有通用性，易造成資源浪費(fèi)。為此，許多工程師針對(duì)異形結(jié)構(gòu)建筑的模板設(shè)計(jì)與施工開展研究。員浩陽[1]對(duì)雙網(wǎng)殼混凝土結(jié)構(gòu)模板工藝進(jìn)行研究，提出采用聚苯乙烯泡沫模型作為結(jié)構(gòu)空洞部分模板材料，木模板為網(wǎng)殼上、下弧形面模板的復(fù)合模板構(gòu)造，以可塑性較高的泡沫材料解決了復(fù)雜鏤空設(shè)計(jì)的施工難題并總結(jié)了其施工要點(diǎn)。朱同然等[2]以榮成青少年活動(dòng)中心的拱形通道結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，對(duì)模板施工進(jìn)行模擬，合理劃分結(jié)構(gòu)施工塊面，有效減少了模板種類，并建立了一套適用的模板體系。劉永紅[3]在異形擋土墻結(jié)構(gòu)工程中應(yīng)用了鋼帶增強(qiáng)雙壁波紋管模板，節(jié)省了傳統(tǒng)模板搭設(shè)的繁復(fù)工序，提升了施工效率。目前，我國(guó)建筑行業(yè)已經(jīng)步入了工業(yè)化、數(shù)字化生產(chǎn)時(shí)代，BIM技術(shù)被廣泛應(yīng)用，葛燕鋒等[4]在某異形空間分隔曲面板的模板定位中，采用Revit結(jié)合CAD軟件建立了三維模板模型，保證了模板的定位精準(zhǔn)度。

本文對(duì)上海科技大學(xué)圖書館書卷樓的異形曲面現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)模板的選擇、支撐及施工定位進(jìn)行研究，總結(jié)分析并提出一套適用于空間異形曲面現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)的施工工藝。

1 工程概況

上?？萍即髮W(xué)校園建設(shè)項(xiàng)目位于張江高科園區(qū)中區(qū)的上海浦東科技園區(qū)內(nèi)，其中圖書館位于整個(gè)校園的規(guī)劃東南角，三面環(huán)繞景觀水面。圖書館一角的設(shè)計(jì)帶有“書卷式”裝飾性建筑，因此得名“書卷樓”，形狀呈書卷打開狀，其設(shè)計(jì)靈感來源于書卷造型，暗喻濃厚的學(xué)習(xí)氛圍及學(xué)術(shù)氣息。由上往下看，“書頁”的彎曲呈現(xiàn)不對(duì)稱、不規(guī)則特點(diǎn)。書卷樓建筑高度約為21.2 m，主體采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 上海科技大學(xué)書卷樓

2 工程難點(diǎn)

書卷樓結(jié)構(gòu)形式屬于空間異形曲面現(xiàn)澆混凝土墻體結(jié)構(gòu)，立面曲面下寬上窄，水平截面為閉合曲線圖形，水平截面形狀隨著高度的改變而變化，任一截面的曲面圓弧段圓心都不相同，整體結(jié)構(gòu)墻厚度保持不變。由下而上看，結(jié)構(gòu)表面線形為傾斜狀，意味著模板的架設(shè)非垂直于地面，給施工定位增加了困難。在保證墻體厚度均勻的同時(shí)如何兼顧內(nèi)外模板曲線的高精度定位，是本項(xiàng)目模板施工的難點(diǎn)。

本工程的施工質(zhì)量直接影響結(jié)構(gòu)成形后的線形流暢及美觀度，因此對(duì)施工工藝提出極高的要求，主要體現(xiàn)在模板的設(shè)計(jì)、支模體系的穩(wěn)定以及施工定位的精度保證這三大方面。

3 模板設(shè)計(jì)與施工關(guān)鍵技術(shù)

國(guó)內(nèi)用于模板材料的選擇較多，例如定型化弧形模板，可形成與設(shè)計(jì)完美吻合的曲線構(gòu)造，滿足本項(xiàng)目對(duì)結(jié)構(gòu)表面平整度及線形的高要求。但出于本工程異形結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)考慮，模板為一次性投入，成本太高，因此，仍采用傳統(tǒng)的木模板形式[5-8]。

為規(guī)避木模板可塑性差的弊端，研究利用有限元思想的以直代曲，將整片大木模板分割成細(xì)小條狀，變面為塊，再組合成建筑外表面弧狀。模板使用1 830 mm×915 mm×18 mm覆膜膠多層板，采用工具式手提電鋸，分割橫向間距為100 mm、豎向間距為500 mm，分割深度為7 mm，保留11 mm，使模板在彎曲時(shí)，仍能維持連接狀態(tài)，同時(shí)保證內(nèi)澆面模板的平順度，不產(chǎn)生折痕。在使用前一天澆水濕潤(rùn)，以提高木模板的可塑性，防止折斷。模板施工順序?yàn)閮?nèi)模安裝—鋼筋綁扎—外模安裝，混凝土澆筑完成后，以相同的步驟搭設(shè)上面剩余幾層模板。

4 支模體系設(shè)計(jì)與施工關(guān)鍵技術(shù)

木模支撐體系用來固定模板位置，保證模板在混凝土澆筑過程中不發(fā)生滑移及過度變形，以此保證施工質(zhì)量。支模體系需要通過計(jì)算確認(rèn)模板橫、豎向定位構(gòu)件間距，以及斜撐、腳手架等支撐體系的可靠性。由于特殊的曲立面結(jié)構(gòu)，本工程采用符合結(jié)構(gòu)曲面線形的弧形鋼圍楞取代傳統(tǒng)橫木肋，在內(nèi)模板內(nèi)側(cè)安置豎向方木次楞后，與模板以止水螺栓固定，在定位木模板的同時(shí)提供線形引導(dǎo)作用，進(jìn)一步提升內(nèi)模板固定后的線形精準(zhǔn)度。

內(nèi)模板支模體系安裝完成后進(jìn)行鋼筋綁扎，采用與上述內(nèi)模支撐體系相同的方法完成外模安裝。內(nèi)模板內(nèi)側(cè)用斜撐作為定位和受力體系，模板上、下口采用螺桿固定。

5 結(jié)構(gòu)定位設(shè)計(jì)與施工關(guān)鍵技術(shù)

本工程為無標(biāo)準(zhǔn)層變曲率空間異形曲面結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)放線定位方法無法滿足所需數(shù)據(jù)要求，考慮采用Revit三維建模，根據(jù)實(shí)際情況將變曲率結(jié)構(gòu)分解，進(jìn)行深化設(shè)計(jì)，將設(shè)計(jì)曲率轉(zhuǎn)化為可以在施工中人為操作的微小直線段。

根據(jù)模型對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元?jiǎng)澐?，分割為每段高度? m的半圓組合體，劃分空間為面。以每米半圓截面的中心為固定點(diǎn)，做扇形網(wǎng)格形狀放樣，放樣時(shí)以每米半圓截面圓弧外徑500 mm長(zhǎng)為一格，根據(jù)放樣點(diǎn)對(duì)中心點(diǎn)相對(duì)位置進(jìn)行定位。通過加密過后的放設(shè)點(diǎn)位定位墻板邊緣，可以吸收消化因?qū)Y(jié)構(gòu)體系進(jìn)行有限元分割而造成的點(diǎn)位誤差。

TCA智能全站儀為先進(jìn)的定位裝置，內(nèi)置與望遠(yuǎn)鏡同軸的自動(dòng)目標(biāo)識(shí)別（ATR）技術(shù)，不再需要操作人員精確對(duì)準(zhǔn)和調(diào)焦。本工程在吊線復(fù)核過程中，采用智能全站儀，GPS（全球定位系統(tǒng)）同步采點(diǎn)成圖，對(duì)照樓層板邊深化設(shè)計(jì)圖并有效發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤點(diǎn)位，在混凝土澆筑前進(jìn)行整改，保證混凝土澆筑位置與設(shè)計(jì)相符，確保了施工精度。在內(nèi)外模板、弧形鋼圍楞及豎楞等安裝時(shí)，均需進(jìn)行定位校準(zhǔn)并及時(shí)調(diào)整，確保每一施工步驟的標(biāo)準(zhǔn)化，避免誤差累積影響施工質(zhì)量。

6 結(jié)語

本工程將整塊覆膜多層膠合面板分割為小段，以直代曲，輔以鋼筋、鋼管圍楞控制模板曲面形狀，搭配內(nèi)部支撐，經(jīng)濟(jì)且便于操作，解決了傾斜模板支搭以及異形曲面結(jié)構(gòu)模板配置的難題，實(shí)現(xiàn)了較好的混凝土外觀質(zhì)量。通過Revit模型及現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)反饋，采用化整為零、化繁為簡(jiǎn)的科學(xué)測(cè)量手段和計(jì)算方法，解決了曲線測(cè)量放線工作計(jì)算量大、施工精度要求高的難題，對(duì)異形曲面結(jié)構(gòu)工程的測(cè)量放線技術(shù)具有指導(dǎo)意義，可供其他類似工程借鑒。