車輛段上蓋開發(fā)箱式轉換層施工重難點分析

吳志杰，朱 瀟，高嘉祺

（中億豐建設集團股份有限公司，江蘇 蘇州 215131）

1 地鐵、車輛段及其上蓋開發(fā)

地鐵車輛基地是城市軌道系統(tǒng)的重要組成部分和基本生產(chǎn)單位，其承擔全線運營車輛運行及維修、全線基礎設施及機電設備維護、物資存儲及發(fā)放等任務，車輛段一般占地面積較大，為提高土地資源利用效率，充分發(fā)揮地鐵出行和換乘便捷的優(yōu)勢，一般采用上蓋開發(fā)。

根據(jù)蓋上物業(yè)及蓋下車輛段不同的使用需求，在設計階段應合理確定車輛段及上蓋物業(yè)開發(fā)整體結構設計方案，常見結構方案有：框支-剪力墻結構、框支-框架結構、剪力墻落地形式。根據(jù)轉換結構的不同高度區(qū)分，可在蓋體1層或2層進行轉換，根據(jù)JGJ 3—2010《高層建筑混凝土結構技術規(guī)程》，轉換構件的結構形式為厚板轉換、梁式轉換、箱式轉換及桁架式轉換等。

2 工程概況

蘇州軌道交通5號線胥口車輛段蓋上設計住宅、商業(yè)用房、物業(yè)用房、配電用房共20余棟，蓋上部分體量龐大，功能分區(qū)明確；蓋下1層為各類工程車庫等車輛段用房，蓋下2層除局部車輛段挑空外，其余為機動車停車場及上部物業(yè)開發(fā)所需的設備設施、消防用房等。蓋上共有8棟住宅采用框支-剪力墻（箱式轉換）結構，全部位于主庫（運用庫和聯(lián)合車庫）之上，框支-剪力墻（箱式轉換）結構以外部分的蓋體為大底盤屋面框架結構，如圖1所示。

圖1 上蓋功能區(qū)劃分剖面

3 箱式轉換層及其施工重難點

大底盤屋面2層結構梁板頂部標高為14.000m（相對標高，以下皆同），箱式轉換層位于大底盤屋面2層結構板中部，8個轉換層頂標高為14.900m。每個箱體長均為82.55m，寬26.60m，圍合箱體的框支梁為型鋼混凝土梁，梁高1 800mm（同箱體高度），呈“田”字形布置于箱式轉換層中。

承載箱體豎向荷載的型鋼混凝土柱分布于每個型鋼混凝土框支梁交接處，箱式轉換層框支梁梁頂和梁底處有上下蓋板封閉，蓋板厚度為200mm，如圖2所示。

圖2 箱式轉換層剖面

箱體施工中主要重難點在于型鋼混凝土梁柱與大底盤屋面框架梁交接處節(jié)點的施工工藝，該節(jié)點鋼筋分布密集導致難以進行混凝土振搗作業(yè)，鋼筋層數(shù)繁多，鋼筋與型鋼碰撞嚴重，大底盤屋面與箱體混凝土強度等級不一致影響施工工序（框支結構混凝土強度等級為C50，框架及大底盤混凝土強度等級為C40），在保證結構質(zhì)量要求的前提下優(yōu)化節(jié)點做法和改進施工工藝措施，以期進一步提高施工速度，降低作業(yè)難度。

4 項目管理過程中采取的節(jié)點優(yōu)化方案及應對措施

分析該節(jié)點構成，該節(jié)點實際是由3根組成箱體部分的框支梁、1根大底盤屋面框架結構梁及下部框支柱構成（見圖3）。

圖3 節(jié)點結構三維模型

框支梁梁寬1 400mm，框架梁梁寬800mm，均為居中布置；型鋼混凝土框支柱截面尺寸為1 700mm×1 700mm，內(nèi)置H1 100×500×34×40柱。框支柱、框支梁、箱體上下蓋板混凝土設計強度等級為C50，框架梁及大底盤屋面板的混凝土設計強度等級為C40。框支梁頂標高為14.900m，內(nèi)置H1 400×400×30×40，框架梁頂標高14.000m，頂部鋼筋位于型鋼梁中部，傳統(tǒng)繞過型鋼柱伸入支座做法難以實現(xiàn)。為解決以上節(jié)點復雜問題，分別采取以下措施。

4.1 BIM技術應用

針對該節(jié)點應用是Tekla鋼結構模型深化技術及基于Revit針對復雜節(jié)點BIM先行鋼筋翻樣技術（見圖4），主要為解決該節(jié)點鋼筋排布問題。

圖4 Tekla鋼結構專業(yè)模型

利用BIM模型調(diào)整節(jié)點鋼筋碰撞，可精準排布每根鋼筋相對位置及與鋼結構的碰撞關系。其中，框支柱靠近角筋部分鋼筋需做多個維度方向的彎折，這在傳統(tǒng)鋼筋翻樣軟件中無法實現(xiàn)。實際施工過程中為應對該類情況，通常做法是水平方向按照一定比例彎折繞過，豎直方向抬高或降低單方向鋼筋，以錯開間隙。本項目該節(jié)點無法通過通常做法實施，主要原因在于縱橫方向同一標高的主筋均為40鋼筋，且節(jié)點內(nèi)鋼筋密集，常規(guī)手段無法抬起并定位主筋，只能在豎直方向也進行相應彎折，以避開碰撞。

框架梁上部一排主筋三維排布如圖5所示，鋼筋需進行多次不同方向彎折以滿足結構使用需求。黃色鋼板為牛腿鋼筋焊接板及鋼柱開孔部位的腹板加強板，Revit模型配合Tekla鋼結構模型進行深化時可精準確定開孔位置，避免現(xiàn)場鋼結構及鋼筋施工因深化遺漏或開孔部位偏差較大等原因造成二次返工等質(zhì)量問題。

圖5 框架梁上部一排主筋穿孔排布

4.2 深化設計

深化設計基于前述BIM技術，在滿足結構功能、設計規(guī)范前提下，對該節(jié)點進行深化設計，主要內(nèi)容包括以下3點：框架梁增加水平加腋、梁柱交接點核心區(qū)范圍調(diào)整及鋼筋重新分布。該措施主要為解決施工可實施性，提前策劃，降低不必要措施造成的損失。

以最不利情況進行分析，框架梁伸入框支柱該側，按照原設計框架梁梁寬為800mm，在水平方向上，框架梁支座處上部主筋為20根32，分為2排布置，每排10根；在垂直方向上，原800mm梁寬范圍內(nèi)存在4～5根32框支柱受力鋼筋及6～8根40對邊框支梁上部彎錨鋼筋，設計保護層厚度40mm；總體寬度大于原有梁寬，需進行深化設計方可實施。

4.2.1 框架梁增加水平加腋及鋼筋重新分布

針對該類情況，可采用鋼筋重新分布配合并筋處理或增加框架梁水平加腋形式，綜合考慮型鋼混凝土規(guī)范對梁內(nèi)主筋最低伸入節(jié)點比例的要求及腹板開洞原則。兩兩鋼筋并筋的方案仍無法滿足16G101-1最小間距要求，最終選擇鋼筋重分布配合框架梁水平加腋的方案作為現(xiàn)場實施方案，如圖6所示。

圖6 鋼筋穿孔與碰撞細部

具體方案如下：混凝土結構每側水平加腋300mm，加腋長度為1 800mm，符合鋼筋最大彎折角度1∶6。將原先框架梁上部2排每排10根32重新分布為10/6/4排布形式；困難最大的一排面筋，2個角筋分別在兩側框支梁的型鋼梁腹板上開洞穿過，伸到支座邊彎錨以滿足構造要求，角筋內(nèi)側的第2根鋼筋分別在兩側鋼柱腹板上的開洞穿過，伸到支座邊，伸出長度滿足錨固長度要求。最中間4根鋼筋采用氣體保護焊（雙面焊接長度5d）焊接在鋼柱牛腿上，剩余2根鋼筋伸至鋼柱腹板邊彎折15d。第2排6根32鋼筋跟隨上部鋼筋進行1∶6彎折，伸至型鋼腹板邊緣彎折15d。第3排4根32鋼筋跟隨上部鋼筋進行1∶6彎折，伸至型鋼腹板邊緣彎折15d。

4.2.2 擴大梁柱節(jié)點核心區(qū)范圍

原框支柱、框支梁、上下蓋板混凝土設計強度為C50，大底盤屋面2層結構梁板混凝土設計強度為C40。實際施工中，將核心區(qū)擴大至整個框架梁水平加腋區(qū)域，如圖7所示。

圖7 節(jié)點核心區(qū)變化

從結構設計角度出發(fā)，“強柱弱梁、強剪弱彎、強節(jié)點弱構件”是基本的抗震設計要求，節(jié)點核心區(qū)的主要作用是連接豎向構件和水平構件，恰當?shù)墓?jié)點區(qū)設計有利于內(nèi)力傳遞。該上蓋設計為抗震等級二級的超限結構，核心區(qū)節(jié)點區(qū)域的抗剪承載力不足，可能會導致核心區(qū)失穩(wěn)和破壞，影響結構整體穩(wěn)定性。根據(jù)GB 50010—2010（2015年版）《混凝土結構設計規(guī)范》的節(jié)點核心區(qū)抗剪承載力驗算公式可看出，影響梁柱節(jié)點核心區(qū)的因素較多，通過適當增加核心區(qū)范圍，提高混凝土強度，加大對核心區(qū)的約束，對提高節(jié)點的抗剪承載力和抵抗破壞有利。

從施工可行性角度出發(fā)，擴大節(jié)點核心區(qū)，使施工縫留置于加腋起始部位，有利于柱內(nèi)混凝土的振搗作業(yè)，可通過加腋區(qū)域產(chǎn)生的空隙側向振動核心區(qū)深層部分，保證混凝土振搗密實。

4.2.3 提高混凝土抗?jié)B等級

原設計中大底盤屋面及箱體轉換層部分為后期物業(yè)開發(fā)場地的承載基礎，實際作用類似于傳統(tǒng)地下室頂板。該大底盤屋面及箱體部分的混凝土原采用的是平屋面設計，無抗?jié)B等級要求?？紤]后期物業(yè)開發(fā)施工實施間隔年數(shù)較長等問題，建議提高混凝土抗?jié)B等級達到P6，提高臨時防水性能。

4.3 箱體施工方案選擇

4.3.1 方案1：一次澆筑，不額外產(chǎn)生水平施工縫

一次澆筑方案如圖8所示。

圖8 一次澆筑

1）優(yōu)點 整體性和防水性好。

2）缺點 框支梁高度和寬度均超過1m，混凝土側向壓力較大，僅靠對拉螺栓脹模概率大，需要額外加固；箱體一次澆筑成型后，空腔內(nèi)的支撐、模板均無法拆除，浪費較大，不經(jīng)濟；下蓋板無法振搗，影響混凝土成型質(zhì)量；需特別控制澆筑速度，澆筑過快可能會導致脹模和爆模；屬于大體積混凝土施工，需特別關注入模溫度，避免因溫差過大產(chǎn)生有害裂縫。

4.3.2 方案2：二次澆筑，水平施工縫留在大底盤框架梁上口（14.000m標高）

二次澆筑方案如圖9所示。

圖9 二次澆筑

1）優(yōu)點 此方案僅需在一個標高處設置水平施工縫，整體性較好，且該施工縫在后續(xù)施工中會被多層屋面構造和防水層覆蓋，防水性能優(yōu)越。

2）缺點 型鋼框支梁及框支柱均為大體積混凝土，框支梁下半部分同框支柱共同澆筑，不利于核心區(qū)混凝土熱量擴散，易形成混凝土收縮裂縫；單個工序耗費時間較大，不利于流水施工組織；框支梁上半部分側模及上蓋板底模支撐仍無法拆除，有一定浪費。

4.3.3 方案3：三次澆筑，水平施工縫分別留在下蓋板以上30cm及上蓋板以下30cm

三次澆筑方案如圖10所示。

圖10 三次澆筑

1）優(yōu)點 所有側模均可拆除，浪費較少；分層澆筑，減小每次成型混凝土構件尺寸，有利于混凝土施工質(zhì)量控制；根據(jù)設計院結構設計模型，第3次混凝土前，前2次澆筑混凝土超過設計強度80%即可承受上蓋板自重及施工荷載，箱體下模板支架可提前拆除；單個工序時間縮短，利于組織施工流水。

2）缺點 會在2個標高處產(chǎn)生水平施工縫，后期物業(yè)進場前，箱體上半部分無額外防水構造，且上蓋板上留有上部電梯井等孔洞，箱體容易漏水、滲水、積水；上蓋板的底模及支架無法拆除，仍有一定浪費。

綜合考慮施工便捷性、經(jīng)濟性和進度要求，采取方案3相對合理。但方案3目前仍不能稱為大截面箱體施工的最優(yōu)施工方案，為解決這個問題，主要有2個技術方向。

1）借鑒空心樓蓋及空心橋梁板的施工工藝，考慮采用泡沫和充氣芯模代替空腔內(nèi)的模板，減少澆筑次數(shù)的工藝。充氣芯模主要優(yōu)勢在于可塑性和可重復利用，在上蓋板上留有芯模放氣口，待混凝土強度達到設計標準后放氣抽出芯模，鑒于每個箱體結構基本一致，芯?？煞磸褪褂?，降低成本。主要技術難點在于，部分空腔體積較大，尺寸最大可達3.15m×3.80m×1.40m（H），目前未見有類似大尺寸長方體芯模，后期需要廠家進行工藝試驗，確定是否可通過加筋等手段進行生產(chǎn)。

2）下蓋板澆筑完成后，采用輕質(zhì)混凝土或者其他輕質(zhì)填充材料填滿空腔，該工藝無技術難度，材料易于獲取，實現(xiàn)方法簡單。實際應用中主要考慮填充材料強度和經(jīng)濟性的平衡問題。

5 結語

針對車輛段上蓋物業(yè)綜合開發(fā)設計規(guī)范標準及施工技術，嘗試采用新技術、運用新管理理念，不斷突破和創(chuàng)新，做好大體量上蓋綜合開發(fā)項目施工管理，創(chuàng)造效益。