異形空間曲面清水混凝土跳水臺(tái)模板選型與模架設(shè)計(jì)研究

馬凱悅，沈 婕

(1.廣州市設(shè)計(jì)院，廣東 廣州 510620； 2.廣州地鐵集團(tuán)有限公司，廣東 廣州 510030；3.華南理工大學(xué)土木與交通學(xué)院，廣東 廣州 510641)

1 工程概況

1.1 項(xiàng)目概況

浙江省黃龍?bào)w育中心游泳跳水館項(xiàng)目位于杭州市西子湖畔，建筑外形獨(dú)特動(dòng)感、圓潤(rùn)流暢，建筑規(guī)模為48 791m2，共設(shè)置3 000個(gè)觀眾坐席，主要包括1個(gè)21m×25m跳水池、1個(gè)25m×50m標(biāo)準(zhǔn)比賽池及1個(gè)20m×50m訓(xùn)練池。本工程采用框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，局部采用跨層有粘結(jié)部分預(yù)應(yīng)力混凝土桁架結(jié)構(gòu)，屋蓋采用空間鋼網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。項(xiàng)目效果如圖1所示。

圖1 項(xiàng)目效果

1.2 跳臺(tái)設(shè)計(jì)

所用跳臺(tái)為1柱4臺(tái)型，呈主干、葉柄、葉片形狀，由HRB500E鋼筋和C40清水混凝土澆筑而成。4個(gè)跳臺(tái)標(biāo)高分別為8.970，10.970，13.470，15.970m，高度分別為3.0，5.0，7.5，10.0m。跳臺(tái)造型復(fù)雜，中心立柱為變截面，跳臺(tái)與中心立柱過(guò)渡區(qū)間線面呈非幾何非線性復(fù)雜關(guān)系，底部尺寸為1 800mm×1 700mm，頂部尺寸為1 600mm×1 500mm。 跳水臺(tái)三維模型效果如圖2所示。

圖2 跳水臺(tái)三維模型效果(單位：m)

1.3 重難點(diǎn)分析

1)跳水臺(tái)為變截面柱，柱較高，對(duì)模板支撐強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性要求很高，需著重研究、比選不同模板方案，以選擇低成本、快速簡(jiǎn)捷和安全可靠的最佳施工工藝。

2)跳水臺(tái)由大量回轉(zhuǎn)曲面和非回轉(zhuǎn)曲面構(gòu)成，其中平面16個(gè)，回轉(zhuǎn)曲面10個(gè)，非回轉(zhuǎn)曲面6個(gè)。跳臺(tái)體形復(fù)雜，按常規(guī)方法進(jìn)行模板設(shè)計(jì)與加工難以體現(xiàn)其設(shè)計(jì)效果，支撐模架施工難度大。

3)跳水臺(tái)為清水混凝土結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)需一次成型，要求板面平整、色澤一致、線形順滑，對(duì)模板面層的處理要求較高，外觀質(zhì)量及加工精度標(biāo)準(zhǔn)要求高。

4)工程質(zhì)量要求高、工期緊、用地緊張。跳水臺(tái)為該工程施工中的重難點(diǎn)，因此，保證跳水臺(tái)快速高質(zhì)量施工是整個(gè)工程順利交工的關(guān)鍵。

2 模板方案選擇

跳水臺(tái)模板施工質(zhì)量控制是保證本工程跳水臺(tái)施工質(zhì)量的重點(diǎn)，模板選型必須能保證跳水臺(tái)截面形狀和表面密實(shí)光滑。通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外清水混凝土模板選型及施工工藝的大量文獻(xiàn)研究，對(duì)跳水臺(tái)進(jìn)行模板方案比選和模板材料選型。

2.1 方案對(duì)比

主要考慮木模板、鋼模板、鋁合金模板和新型材料模板4種方案，方案對(duì)比如表1所示。

表1 模板方案對(duì)比

通過(guò)對(duì)異形空間曲面清水混凝土跳臺(tái)不同模板施工方案進(jìn)行可行性分析，新型材料模板方案具有成型質(zhì)量可靠、加工周期短、總成本最低的優(yōu)勢(shì)，因此跳水臺(tái)模板最終采用新型材料模板。

2.2 模板選型

為保證跳水臺(tái)結(jié)構(gòu)幾何形狀基本準(zhǔn)確及清水混凝土達(dá)到裝飾效果，模板按反打工藝進(jìn)行設(shè)計(jì)，將其功能劃分成構(gòu)造層和結(jié)構(gòu)層，從而簡(jiǎn)化模板加工與安裝，使模板安裝穩(wěn)固、不變形、拆裝方便。其中，構(gòu)造層作用為將復(fù)雜曲面過(guò)渡為相對(duì)簡(jiǎn)單的幾何外形，結(jié)構(gòu)層承受或傳遞施工荷載。

1)構(gòu)造層(襯模)

構(gòu)造層由模板造型層和面層構(gòu)成，其中，造型層采用聚苯乙烯泡沫(EPS)，面層噴涂2mm厚進(jìn)口聚脲類(lèi)成膜材料(見(jiàn)圖3)。

圖3 EPS和聚脲類(lèi)成膜材料

2)結(jié)構(gòu)層(常規(guī)模板)

作為支托結(jié)構(gòu)層常規(guī)模板，盡可能地利用常用膠合板、木方、型材制備，現(xiàn)場(chǎng)支設(shè)施工，主要承受或傳遞施工荷載，不與混凝土直接接觸。

3 模架體系設(shè)計(jì)與應(yīng)用

3.1 跳水臺(tái)施工段劃分

考慮工程整體進(jìn)度安排，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工條件要求，合理設(shè)置施工縫，減少混凝土澆搗次數(shù)。將跳水臺(tái)分為4個(gè)施工段(見(jiàn)圖4)，豎向施工順序?yàn)椋孩佟凇邸堋?/p>

圖4 豎向施工段劃分

各施工段具體標(biāo)高和施工高度如表2所示。

表2 各施工段標(biāo)高和施工高度

3.2 襯模設(shè)計(jì)與加工

利用BIM技術(shù)基于跳水臺(tái)三維模型設(shè)計(jì)出外形規(guī)則的襯模模型，依據(jù)施工縫設(shè)計(jì)進(jìn)行尺寸分割，將分段襯模BIM模型數(shù)據(jù)導(dǎo)入數(shù)控切割機(jī)床，對(duì)襯模節(jié)段的反打表面和規(guī)則外形進(jìn)行精準(zhǔn)加工，加工成型后的襯模加工效果如圖5所示。同時(shí)，在跳水臺(tái)BIM模型中提取襯模內(nèi)表面尺寸參數(shù)和空間網(wǎng)格點(diǎn)位對(duì)已加工完成的襯模成品進(jìn)行質(zhì)量復(fù)核。

圖5 襯模加工效果

3.3 模架體系設(shè)計(jì)

跳水臺(tái)模架體系采用扣件式滿(mǎn)堂鋼管腳手架。鋼管采用Q235材質(zhì)，規(guī)格為φ48.3×3.5；采用鑄鐵扣件，其安裝螺栓擰緊力矩須為40～60N·m，確?？奂_(dá)到設(shè)計(jì)抗滑力；施工現(xiàn)場(chǎng)制作的常規(guī)模板則采用15mm厚膠合板和90mm×40mm木方，盡可能地利用既有物資，減少施工投入。模架體系設(shè)計(jì)合理設(shè)置了對(duì)拉螺栓、木方、鋼管間距，保證模板陰角處整體剛度，確?；炷烈淮螡仓晒ΑＬ_(tái)模架體系設(shè)計(jì)布置如圖6所示。

圖6 跳水臺(tái)模架體系設(shè)計(jì)布置

1)豎向支撐設(shè)置 每根立桿底部設(shè)置鋼底座，鋼底座下通長(zhǎng)設(shè)置50mm厚松木墊板，縱橫向立桿間距0.9m、加密區(qū)0.5m，立桿接長(zhǎng)采用對(duì)接扣件交錯(cuò)布置，2根相鄰立桿接頭不設(shè)置在同步內(nèi)，同步內(nèi)間隔1根立桿的2個(gè)相隔接頭在高度方向錯(cuò)開(kāi)距離為500mm，各接頭中心至主節(jié)點(diǎn)距離不宜大于步距的1/3。

2)水平桿設(shè)置 縱橫向水平桿利用直角扣件固定在立桿上，大橫桿步距底部0.9m、上部0.45m，最高一步大橫桿與模板支撐點(diǎn)距離≤200mm，水平桿采用對(duì)接扣件連接并交錯(cuò)布置，2根相鄰縱向水平桿接頭不宜設(shè)置在同步或同跨內(nèi)，不同步或不同跨2個(gè)相鄰接頭在水平方向錯(cuò)開(kāi)距離≥500mm，各接頭中心至最近主節(jié)點(diǎn)的距離不大于縱距的1/3。

3)縱橫向掃地桿設(shè)置 橫向掃地桿采用直角扣件固定在距底座上方100mm處立桿上，縱向掃地桿采用直角扣件固定在緊靠縱向掃地桿上方立桿上。

4)剪刀撐設(shè)置 模板支架外圍在外側(cè)立面整個(gè)長(zhǎng)度和高度上分別連續(xù)設(shè)置剪刀撐，支架內(nèi)部中間每隔5根立桿在縱橫向整個(gè)長(zhǎng)度和高度上分別連續(xù)設(shè)置剪刀撐。

3.4 模板施工工藝

在跳水臺(tái)襯模BIM模型中，以20cm分隔將其外側(cè)投影面進(jìn)行線性等距分割，從而得到平面坐標(biāo)數(shù)據(jù)，再豎向?qū)R至空間高度提取其精確定位數(shù)據(jù)信息，對(duì)施工技術(shù)人員和作業(yè)班組進(jìn)行施工技術(shù)交底，從而指導(dǎo)跳水臺(tái)模板精準(zhǔn)定位與施工。

1)測(cè)量放線 將BIM空間坐標(biāo)數(shù)據(jù)導(dǎo)入全站儀測(cè)放出中柱中心線及截面、模板安裝控制線及滿(mǎn)堂支架立桿中心線。

2)搭設(shè)滿(mǎn)堂支架 搭設(shè)滿(mǎn)堂支架至指定標(biāo)高，立桿下端與預(yù)埋件焊接，安裝U托、木方龍骨，U托絲杠露出鋼管頂端≤300mm，木方龍骨搭接長(zhǎng)度須滿(mǎn)足1個(gè)跨距。

3)安裝襯模 安裝中柱襯模和膠合板模板及其根部柱箍、水平支撐，安裝跳水臺(tái)底面膠合板底模和襯模，保證標(biāo)高、角度正確。

4)處理襯模拼縫 在襯模結(jié)合處粘貼5mm厚、20mm寬雙面密封膠條，防止混凝土澆筑時(shí)模板漏漿。

5)綁扎鋼筋前預(yù)制鋼筋骨架，采用50mm×50mm砂漿墊塊，鋼筋骨架整體吊裝入模，采取直螺紋連接，防止襯模面層受損。

6)安裝上模 安裝跳水臺(tái)與中心立柱之間連接部分的上模，對(duì)陰角處模板進(jìn)行專(zhuān)門(mén)加固定型，并在拼縫處粘貼海綿條封堵、擠緊，使拼縫嚴(yán)密，避免漏漿。

7)采取抗上浮措施 安裝花籃螺栓和鋼絲繩，校正模板垂直度。

8)澆筑混凝土 設(shè)置串筒澆筑自密實(shí)混凝土，先澆筑中心立柱混凝土再澆筑跳水臺(tái)混凝土，澆筑過(guò)程中使用插入式振搗器和附著式振動(dòng)器，振搗中重點(diǎn)振搗中心立柱與跳水臺(tái)連接處的陰角部位，使倒角處混凝土密實(shí)。

9)混凝土養(yǎng)護(hù) 澆筑后及時(shí)利用塑料薄膜覆蓋跳水臺(tái)板表面，設(shè)專(zhuān)人澆水養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)期間保證混凝土表面濕潤(rùn)，養(yǎng)護(hù)時(shí)間≥14d。

10)模板拆除 模板拆除時(shí)間應(yīng)按同條件養(yǎng)護(hù)混凝土試塊強(qiáng)度確定，且遵循“先支的后拆后支的先拆，先拆非承重模板后拆承重模板，從上而下，輕拿輕放”的原則進(jìn)行拆除。模板拆除時(shí)設(shè)置隔離區(qū)，安全員現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)拆除，防止模板墜落傷人。

4 結(jié)語(yǔ)

本文基于異形空間曲面跳水臺(tái)工程進(jìn)行模板方案選擇及模板材料選型，對(duì)變截面超高跳水臺(tái)進(jìn)行施工段劃分，采用EPS新型材料模板反打工藝進(jìn)行襯模設(shè)計(jì)與加工，其規(guī)則外形采用常規(guī)材料組成的模架支撐體系即可滿(mǎn)足承載力、整體穩(wěn)定性和施工安全要求，確保工程質(zhì)量，大大減少施工投入，降低施工成本。