主題公園大型 GRC 主題造型拼裝技術(shù)優(yōu)化與應(yīng)用

武景韜

（中國京冶工程技術(shù)有限公司，北京 100088）

0 引言

玻璃纖維增強水泥（Glass f iber Reinforced Cement）是一種高性能水泥復(fù)合材料，它由高彈性模量的玻璃纖維嵌入水泥基體中而形成［1］。用 GRC 材料制成的裝飾構(gòu)件具有強度高、耐久性好、表面質(zhì)感好的特點，且構(gòu)件外形多變，可以模仿石頭、金屬、木紋、砂巖等大自然中所有常見造型，同時擁有良好的質(zhì)感和藝術(shù)效果，廣泛應(yīng)用于主題公園項目的門套、窗套、裝飾線條、柱子、欄桿、斗拱、圍欄、雕塑等主題類工程中［2-4］。

隨著主題公園的不斷升級發(fā)展，體積龐大、造型復(fù)雜的大型 GRC 主題造型越來越多地被用來進(jìn)行規(guī)模宏大的沉浸式場景的營造。由于大型 GRC 主題造型的體積和重量較大且屬于建筑薄壁裝飾構(gòu)件［5］，受材料性能及制作運輸條件所限，無法一次性完成整體構(gòu)件的制作和安裝，需要將構(gòu)件切分為若干較小的單件，在現(xiàn)場安裝時進(jìn)行拼接。然而，大型 GRC 主題造型在拼接后的節(jié)縫位置極易發(fā)生明顯的開裂損壞，嚴(yán)重影響構(gòu)件的觀賞性和耐久性。典型開裂問題如圖1 所示。

圖1 大型 GRC 主題造型傳統(tǒng)拼裝節(jié)縫開裂問題

本文以江蘇淮安西游樂園項目為依托，借助 BIM 技術(shù)，對大型 GRC 主題造型進(jìn)行計算機模擬切分，并對切分后的單件構(gòu)造和拼接連接工藝進(jìn)行優(yōu)化，顯著減少和避免相鄰單件間節(jié)縫位置的開裂問題。

1 工程概況

淮安西游樂園是國內(nèi)首個以中國傳統(tǒng)元素為主題IP 的大型主題，其中雷音寺假山面積 8 264.96 m2，高81 m，是目前國內(nèi)國際上罕見的集塑石假山、裝飾造景、人工瀑布、游樂演藝體驗于一體的綜合性建筑體。位于各山頂?shù)慕瘘S色寺廟造型均為大型 GRC 主題造型。如圖2 所示。

圖2 靈山雷音寺假山及寺廟效果

其中最大的 GRC 寺廟上尖下圓，整體形狀呈圓錐體，高度約 25 m，底部直徑約 16 m。水平方向存在多處環(huán)狀凹凸造型，如圖3 所示。

圖3 GRC寺廟造型立面尺寸（單位：mm）

2 開裂原因分析與關(guān)鍵工藝優(yōu)化

2.1 大型 GRC 主題造型節(jié)縫開裂原因分析

大型 GRC 主題造型通常采用傳統(tǒng)拼接技術(shù)進(jìn)行現(xiàn)場拼裝，即將 GRC 單件按順序依次固定于主體結(jié)構(gòu)，相鄰單件之間留設(shè) 1 cm 左右的縫隙，用耐候性密封膠完成填縫后進(jìn)行補色。根據(jù)以往相關(guān)工程經(jīng)驗，節(jié)縫位置的開裂問題幾乎不可避免，嚴(yán)重影響工程品質(zhì)。開裂原因分析如下。

1）GRC 相鄰單件之間的填縫膠在曝曬、雨淋、凍融等室外環(huán)境中，密封膠材料本身可能產(chǎn)生老化開裂的情況。

2）大型 GRC 主題造型按照施工要求進(jìn)行切分后的單件，依然具有較大的表面積，屬于薄壁構(gòu)件，容易發(fā)生平面外變形。在冷熱交替的室外環(huán)境中，還會因熱脹冷縮產(chǎn)生平面內(nèi)縱橫方向的變形。在構(gòu)件的持續(xù)形變影響下，節(jié)縫位置的填縫膠與 GRC 單件之間的粘結(jié)面容易被拉開而產(chǎn)生裂縫。

3）由于節(jié)縫位置的縫隙寬度窄、長度長，密封膠填縫施工操作空間受限，施工難度較大。容易導(dǎo)致同一條縫隙填縫膠的寬度或厚度不一致，使得單條膠縫在橫向伸縮性能上產(chǎn)生差異。在熱脹冷縮的作用下，膠縫薄弱部位發(fā)生開裂。

4）GRC 造型通常作為裝飾性構(gòu)件位于高處，其吊裝安裝屬于危險性較大的高空作業(yè)。且由于單件面積較大，重量較大，節(jié)縫位置縫隙寬度較小，拼裝時存在較大的施工誤差，每條縫隙的寬度難以保持一致，甚至?xí)霈F(xiàn)因誤差積累造成最后單件預(yù)留安裝空間不足的現(xiàn)象，嚴(yán)重影響拼裝質(zhì)量，從而導(dǎo)致節(jié)縫開裂。

2.2 關(guān)鍵工藝優(yōu)化

根據(jù)上述 GRC 主題造型節(jié)縫開裂原因，對單件的構(gòu)造做法與關(guān)鍵工藝進(jìn)行針對性優(yōu)化。

1）GRC 主題造型切分與留縫方法優(yōu)化，GRC 主題造型進(jìn)行單件切分及設(shè)縫時應(yīng)遵循以下原則。①橫向切分盡可能利用構(gòu)件在水平方向凹凸交界部位作為分割邊界線，留設(shè) 1 cm 寬的水平縫；②縱向切分尺寸盡可能大，但應(yīng)滿足運輸車輛大小及載重能力、塔吊最大起重荷載、施工現(xiàn)場存放空間等客觀約束條件，留設(shè) 5 cm 寬的縱向縫；③切分位置應(yīng)盡量選取對稱軸部位，最大化模具使用次數(shù)，減少模具數(shù)量，降低成本（見圖4）。

圖4 大型 GRC 構(gòu)件切分及留縫示意

安裝完成后，縱向縫用水泥基材料二次填充補色并采取抗裂措施；橫向縫進(jìn)行打膠收口，減少硬連接拼縫。

2）GRC 單件構(gòu)造優(yōu)化，在 GRC 單件預(yù)制板內(nèi)側(cè)，從邊緣開始沿著縱橫兩個方向呈網(wǎng)狀設(shè)置多道加勁肋。加勁肋截面為梯形，高 80 mm、上邊 80 mm、下邊100 mm。加勁肋與預(yù)制板一體成型，每道加勁肋間距不超過 600 mm。同時，在每道加勁肋中間部位布置φ10 圓鋼筋作為加強筋，橫向加強筋伸出兩側(cè)邊緣，進(jìn)入縱向縫 5 cm。在縱向邊緣加勁肋增設(shè) U 型方格網(wǎng)，方格網(wǎng)伸出側(cè)面進(jìn)入縱向縫 5 cm。優(yōu)化后的 GRC 單件預(yù)制板構(gòu)造如圖5 所示。

圖5 GRC 單件立面（上）與橫向（下）剖面圖

通過上述構(gòu)造優(yōu)化，GRC 單件預(yù)制板的受力性能得到了明顯提升。重點性能參數(shù)對比如表1 所示。

表1 GRC 單件預(yù)制板優(yōu)化前后主要力學(xué)性能參數(shù)對比

由表1 可知，單件優(yōu)化前后截面面積不變，故材料用量不增加。根據(jù)彎曲剛度計算公式K=EI，材料類型不變，彈性模量E不變，單件橫、縱方向的彎曲剛度分別隨相應(yīng)的慣性矩I提高 93.4 %、20.0 %。根據(jù)抗彎承載力公式M=Wσ，材料類型不變，應(yīng)力σ不變，單件橫、縱向的極限抗彎承載力分別隨相應(yīng)的截面抵抗矩W提高170.3 %、20.0 %。

通過對 GRC 單件結(jié)構(gòu)構(gòu)造的優(yōu)化，在材料性能、材料用量不變的條件下，可以大幅提高單件的受力性能，從而減少 GRC 單件在外部荷載作用下的變形，進(jìn)而減少節(jié)縫位置的開裂問題。

3 大型 GRC 主題造型拼裝施工

3.1 施工工序（見圖6）

圖6 施工工序

圖7 GRC主題造型模型切分

圖8 GRC 單件模具

圖9 GRC 單件拼裝

圖10 GRC 單件側(cè)面外伸方格網(wǎng)和加強筋

圖11 相鄰單件縱向拼縫節(jié)點（單位：mm）

圖12 GRC 構(gòu)件完工效果

3.2 構(gòu)件加工

按照“2.2章節(jié)”中所述構(gòu)件切分與單件構(gòu)造優(yōu)化原則，使用 BIM 軟件“犀?！蹦M GRC 主題造型切分，并輔助優(yōu)化設(shè)計，根據(jù)施工先后順序?qū)η蟹趾蟮膯渭幪枴０凑站幪栆来芜M(jìn)行單件加工，分批運至現(xiàn)場并盡可能放置在塔吊臂長半徑范圍內(nèi)，避免吊裝時二次倒運。

3.3 大型 GRC 主題造型拼裝

大型 GRC 主題造型通過單件拼裝而成，拼裝遵循由上至下的順序，分層、分塊完成。

1）單件安裝。通過塔吊將 GRC 單件運至安裝部位，將骨架與次結(jié)構(gòu)支撐件點焊固定。水平相鄰單件之間按要求留設(shè) 5 cm 寬的縱向拼接縫，拼接縫應(yīng)順直。復(fù)查無誤后，將單件與支撐次結(jié)構(gòu)滿焊固定。

2）拼縫嵌填。應(yīng)按照先縱后橫的順序進(jìn)行拼縫嵌填，橫向拼縫采用常規(guī)打膠收口?？v向拼縫部位的連接和嵌填處理是確保 GRC 主題造型質(zhì)量的關(guān)鍵，詳細(xì)敘述如下。

①準(zhǔn)備工作，根據(jù)操作需求搭設(shè)專用腳手架，腳手架橫桿、立桿如需要支撐于 GRC 單件上，應(yīng)做好襯墊保護(hù)措施，避免造成 GRC 標(biāo)管破損；上層拼接縫嵌填時，應(yīng)提前在下層 GRC 主題造型相應(yīng)位置進(jìn)行覆蓋保護(hù)，避免污染；②預(yù)處理，清除縱向拼縫內(nèi)的灰塵、懸掛垃圾等雜物，將拼縫兩側(cè) GRC 單件深入縫內(nèi)的橫向加強鋼筋進(jìn)行水平搭接，綁扎連接。在拼接縫底部利用 GRC 主題造型骨架及次結(jié)構(gòu)架設(shè)模板，模板寬度應(yīng)大于縫寬。由于 GRC 單件為空間曲面，而模板材料為平面，務(wù)必將模板和縱向拼縫兩側(cè) GRC 單件之間的縫隙用柔性材料封堵密實，嚴(yán)禁在填縫過程中發(fā)生漏漿。填縫前在拼縫兩側(cè)和模板表面適當(dāng)灑水濕潤；③填縫，每條縱向縫隙采用人工填壓工藝從下至上進(jìn)行填縫，選用與 GRC 預(yù)制構(gòu)件相同的水泥基填縫材料，材料應(yīng)具有較低的流動性和一定的初凝時間，確保在填縫施工過程中不發(fā)生流淌現(xiàn)象，填縫完成后能夠及時進(jìn)行表面找平。填至距離表面 2 cm 位置，放置一段時間使填縫材料具有一定強度后，再使用環(huán)氧樹脂摻膠完成最后的補封找平；④表面處理及上色，采用覆蓋養(yǎng)護(hù) 72 h，待達(dá)到一定強度后，將拼縫表面打磨光滑并清除灰塵、滴痕、流痕、附著物和污染物。在表面涂刷 50～70μm厚抗堿底漆，固化后將滴痕、氣泡位置打磨平滑。然后進(jìn)行聚氨酯面漆上色，厚度 40～50 μm。固化后再涂刷一層聚氨酯亞光面漆，最后完成面層封閉漆，達(dá)到設(shè)計效果。

4 質(zhì)量控制要求

此項技術(shù)施工鏈條較長，施工關(guān)鍵點較多，過程中一旦出現(xiàn)問題整改難度大、成本高。必須在過程中加強驗收環(huán)節(jié)，嚴(yán)格質(zhì)量控制，確保關(guān)鍵步驟零錯誤。設(shè)置質(zhì)量驗收節(jié)點如表2 所示。

表2 GRC 構(gòu)件拼裝全過程質(zhì)量驗收節(jié)點

5 結(jié)語

本文以國內(nèi)知名主題公園淮安西游樂園為對象，在充分總結(jié)既有工程經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，利用信息化手段進(jìn)行工藝優(yōu)化，形成一套可在主題公園項目中廣泛應(yīng)用的大型 GRC 主題造型拼裝技術(shù)。

1）提出了科學(xué)合理的構(gòu)件切分方式和設(shè)縫填縫方法。通過增大縱向接縫縫寬提高了填縫作業(yè)的操作空間和容錯率；改用水泥基材料和環(huán)氧樹脂進(jìn)行縱向拼縫的嵌填和封補，提高節(jié)縫的密實平整和室外耐久性；利用加強筋將相鄰 GRC 單件進(jìn)行結(jié)構(gòu)連接，減少縱向拼縫部位的變形影響；采用方格網(wǎng)提高縱向拼縫表面的抗裂性能。

2）對 GRC 單件結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。借鑒鋼結(jié)構(gòu)加勁肋原理，在 GRC 單件設(shè)置一體開模成型的加勁肋，顯著提高 GRC 單件的抗彎承載力和剛度，減少荷載作用下的變形。

3）有效例用 BIM 技術(shù)。充分例用 BIM 軟件的可視化特點，做好前期的深化設(shè)計和事前質(zhì)量控制，將各類問題提前消化解決。

該技術(shù)有效解決了大型 GRC 主題造型節(jié)縫位置開裂問題，在不影響工程工期成本的前提下，顯著提高工程品質(zhì)，具有良好的質(zhì)量效益。