地下室外墻新型工具式單側(cè)支模體系設(shè)計(jì)及應(yīng)用

劉 偉,劉繼凱,郝 寧,孫 燊,黃明慧,謝向陽

(中國(guó)建筑工程(澳門)有限公司,澳門 999078)

0 引言

隨著城市用地資源日益稀缺,設(shè)計(jì)超高層建筑及深層地下室以提高空間利用率成為一種普遍趨勢(shì)。在工程實(shí)踐中,較多地下室外墻與基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)間距較小,因此外側(cè)直接以基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)作為胎模、內(nèi)側(cè)采用建筑模板的單側(cè)支模方式成為一種重要的工程解決方案。

較早期的地下室外墻單側(cè)支模體系通常采用對(duì)拉螺桿式木模方式(見圖1),利用圍護(hù)樁+對(duì)拉螺桿作為主要支撐體系。該體系受力原理與傳統(tǒng)雙側(cè)支模接近,受力性能好,但現(xiàn)場(chǎng)需開展焊接止水片和植筋等工序,整體耗時(shí)長(zhǎng),且預(yù)埋對(duì)拉螺桿需穿破防水層,對(duì)地下室整體防水效果影響較大[1]。

圖1 對(duì)拉螺桿式木模Fig.1 Split bolting wooden formwork

20世紀(jì)80年代,我國(guó)開始引進(jìn)和推廣鋼模技術(shù),地下室墻體施工嘗試采用單側(cè)鋼模,但鋼模自重大,需吊運(yùn)配合,定制成本高,未廣泛應(yīng)用于地下室外墻施工。近20年,地下室防水施工質(zhì)量要求逐步提高,三角桁架單側(cè)支模體系應(yīng)用較廣(見圖2),該體系取消預(yù)埋對(duì)拉螺桿,可較好地保證地庫防水質(zhì)量,改用由型鋼制作的三角桁架作為主要支撐體系,整體剛度大、受力可靠,但也存在拼裝復(fù)雜、造價(jià)偏高弊端。文獻(xiàn)[2]對(duì)此類單側(cè)模板進(jìn)行設(shè)計(jì)。

圖2 三角桁架單側(cè)支模示意Fig.2 Triangular truss single-sided formwork

近年來,隨著施工技術(shù)發(fā)展,陸續(xù)出現(xiàn)一些創(chuàng)新型單側(cè)模板,如埃及CBD 項(xiàng)目自穩(wěn)定裝配式三角桁架單側(cè)模板[3]。但此類單側(cè)模板仍主要沿用三角桁架模式,針對(duì)單一工程進(jìn)行設(shè)計(jì),多為散件拼裝,且往往需要外墻與梁板分開澆筑,施工工期長(zhǎng),整體施工便捷性、經(jīng)濟(jì)性仍有待提升。

除建筑工程外,在橋梁、隧道、地下管廊等工程中也有大量單側(cè)支模的應(yīng)用,但此類工程普遍層高>5m或施工情況較復(fù)雜。對(duì)于常規(guī)3m左右層高的地下室外墻而言,大型模板經(jīng)濟(jì)性、適用性不強(qiáng)。因此,研發(fā)一款能快速裝拆且適用于常規(guī)地下室外墻的新型工具式單側(cè)模板,具有廣泛適用前景和良好應(yīng)用價(jià)值。

1 新型工具式單側(cè)模板優(yōu)化設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)及初步選擇

1)采用無對(duì)拉螺桿受力方式 新方案必須選用無對(duì)拉螺桿受力方式,保證支模階段不會(huì)因植筋而破壞已完工圍護(hù)結(jié)構(gòu)及防水層,同時(shí)避免大量預(yù)埋螺桿帶來的滲漏風(fēng)險(xiǎn),從而保證地下室外墻防水性能。

2)工具化便于運(yùn)輸拆裝 常見的三角桁架單側(cè)支模方案可保證防水施工質(zhì)量,但普遍存在裝拆耗時(shí)長(zhǎng)、吊運(yùn)量大問題,因此新型單側(cè)模板應(yīng)將降低構(gòu)件質(zhì)量、減少吊運(yùn)量、將部件工具化及優(yōu)化拼裝方式作為改進(jìn)的重點(diǎn)。

3)良好通用性及周轉(zhuǎn)率 目前大部分單側(cè)支模方案仍主要針對(duì)單一工程進(jìn)行一次性設(shè)計(jì)分析,適用性不強(qiáng),模板周轉(zhuǎn)率不足,最終經(jīng)濟(jì)效益不顯著。因此,新型單側(cè)模板將模板通用性及周轉(zhuǎn)率作為重要改進(jìn)目標(biāo)之一。

4)采用鋼木結(jié)合方案 文獻(xiàn)[4]中提出采用鋁模替換木模的優(yōu)勢(shì)。但經(jīng)測(cè)算,由于地下室層數(shù)相對(duì)有限,地下室外墻鋁模的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性遠(yuǎn)達(dá)不到塔樓結(jié)構(gòu)鋁模。因此,以鋼木結(jié)合方式提升技術(shù)經(jīng)濟(jì)性。

1.2 模板主要構(gòu)成

新型工具式單側(cè)模板采用鋼木組合形式,模板體系由一定數(shù)量單元模板連接而成,標(biāo)準(zhǔn)單元模板(2 440mm×1 220mm)主要由面板組件、頂部配板、楞組件、框架組件、斜撐及預(yù)埋可調(diào)螺桿構(gòu)成(見圖3)。其中面板采用市場(chǎng)通用規(guī)格(2 440mm×1 220mm×18mm)覆膜復(fù)合木模板(簡(jiǎn)稱“菲林板”),無須進(jìn)一步裁切。模板頂部加設(shè)1塊同寬度并可根據(jù)混凝土澆筑高度調(diào)整的頂部配板,兩者組合使用。菲林板周轉(zhuǎn)次數(shù)達(dá)10次以上,可較好地滿足工程需要。

圖3 標(biāo)準(zhǔn)模板單元示意Fig.3 Standard formwork unit

楞組件、框架組件、斜撐則由不同規(guī)格槽鐵、方通、角鐵等組成(見表1)。預(yù)埋可調(diào)螺桿作為體系關(guān)鍵受力構(gòu)件,一端預(yù)埋于結(jié)構(gòu)樓板內(nèi),另一端通過螺栓固定于框架組件。

表1 標(biāo)準(zhǔn)模板單元部件Table 1 Standard formwork unit parts

1.3 工具式快速裝拆設(shè)計(jì)

通過對(duì)模板體系各部件進(jìn)行功能分析及歸類整合,工具式單側(cè)模板采用在工廠預(yù)制3種標(biāo)準(zhǔn)單元組件(包括楞組件及面板組件、框架組件、斜撐),現(xiàn)場(chǎng)再以組件拼裝方式完成模板體系組裝。組件間采用螺栓連接(見圖4a),模板單元間則通過釘片式插銷緊固件(即鋁模拼接常用工具,簡(jiǎn)稱“緊固件”)連接(見圖4b)。各單元組件在工廠預(yù)制時(shí),已預(yù)設(shè)好緊固件安裝孔位,現(xiàn)場(chǎng)只需校核定位后依次裝入相應(yīng)緊固件即能連接固定。此外,通過對(duì)部件進(jìn)行工具式輕量化設(shè)計(jì),大部分部件均控制在可一人搬運(yùn)的重量?jī)?nèi),最重的主面板自重≤65kg,僅需2名工人即可搬運(yùn)。在拆除模板時(shí),腳手架僅需局部拆除橫桿,留出施工過道(與傳統(tǒng)施工拆除模板時(shí)一致)提供足夠周轉(zhuǎn)運(yùn)輸空間。施工過程可一次性吊運(yùn)所需模板單元組件至安裝點(diǎn)附近,使用時(shí)由工人正常搬運(yùn)即可,二次搬運(yùn)、裝拆過程無需使用吊運(yùn)機(jī)械,提高了效率。

圖4 緊固件及螺栓連接大樣Fig.4 Fasteners and bolted connections

1.4 通用性及周轉(zhuǎn)性設(shè)計(jì)

參考文獻(xiàn)[5]可知,鋼木組合模板(不含面板)周轉(zhuǎn)次數(shù)>50次。對(duì)于一般中小型項(xiàng)目,地下室外墻混凝土澆筑量普遍不大,單個(gè)項(xiàng)目預(yù)制的標(biāo)準(zhǔn)模板單元周轉(zhuǎn)次數(shù)通常僅在10次左右,因此需設(shè)計(jì)為可在多個(gè)項(xiàng)目周轉(zhuǎn)使用,故本設(shè)計(jì)通過采用標(biāo)準(zhǔn)通用木模板、頂部增加1塊高度可調(diào)的配板組合使用方式解決以上問題,頂部配板寬度與通用單元一致,高度可調(diào),通常為300～800mm,確保單側(cè)模板可適用于絕大部分2.7～3.3m層高的常規(guī)建筑地下室[6]。

預(yù)制標(biāo)準(zhǔn)單元組件頂部以橫向角鐵作為收口(見圖5),便于頂部配板定位及安裝,裝入配板后以木方加以固定。

圖5 預(yù)制標(biāo)準(zhǔn)單元組件頂部示意Fig.5 Details of the prefabricated standard unit component top

2 工具式單側(cè)模板結(jié)構(gòu)分析驗(yàn)證及優(yōu)化

2.1 有限元分析

單側(cè)模板體系承受的力主要是未完成硬化狀態(tài)的混凝土產(chǎn)生側(cè)壓力及澆筑振搗過程中產(chǎn)生的水平推力。受力路徑由面板傳至楞組件,再傳至與楞組件相連的框架組件,最后通過預(yù)埋可調(diào)螺桿抵抗水平及垂直方向壓力,從而保證模板體系安全、穩(wěn)定。

單側(cè)模板實(shí)際力學(xué)狀態(tài)相對(duì)復(fù)雜,常規(guī)分析只能根據(jù)實(shí)際工況及受力效果進(jìn)行分階段簡(jiǎn)化分析。采用ETABS 軟件進(jìn)行全結(jié)構(gòu)建模分析(見圖6),計(jì)算細(xì)致度及準(zhǔn)確度大幅提高,為后續(xù)優(yōu)化構(gòu)件質(zhì)量、經(jīng)濟(jì)性設(shè)計(jì)提供準(zhǔn)確依據(jù)。在力學(xué)建模后,著重進(jìn)行以下設(shè)定及分析。

圖6 單側(cè)模板建模分析Fig.6 Modeling analysis of single-sided formwork

1)面板 受力形式為以次楞為支撐的多跨連續(xù)梁,建模驗(yàn)算跨中和懸臂端最不利抗彎強(qiáng)度及撓度。

2)對(duì)主梁、立柱、斜撐及底部橫桿等主要構(gòu)件進(jìn)行抗彎、抗剪及變形驗(yàn)算,重點(diǎn)關(guān)注變形情況。

3)進(jìn)行模板體系抗傾覆驗(yàn)算,分析單側(cè)模板體系在水平荷載作用下,底部抬升脫離地面的風(fēng)險(xiǎn)可能。

根據(jù)建模計(jì)算情況,調(diào)整優(yōu)化并確定各構(gòu)件截面數(shù)據(jù)。

2.2 輕量化優(yōu)化設(shè)計(jì)

參考文獻(xiàn)[7]對(duì)單側(cè)模板經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行設(shè)計(jì),可發(fā)現(xiàn)按工程經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行構(gòu)件布距和尺寸規(guī)格的設(shè)計(jì),存在進(jìn)一步優(yōu)化空間。

通過不斷調(diào)整構(gòu)件縱向和橫向步距及截面尺寸數(shù)據(jù),利用軟件進(jìn)行試算和對(duì)比分析,在保證受力、變形等條件的前提下,不斷逼近綜合最優(yōu)狀態(tài)。最終方案模板單元組件的鐵件質(zhì)量減小了約24%(見表2)。此優(yōu)化方案既降低了模板預(yù)制成本,又確保了最大構(gòu)件單體質(zhì)量≤65kg,從而減少了現(xiàn)場(chǎng)吊運(yùn)需求,有助于提高拼裝效率。

表2 模板單元輕量化優(yōu)化Table 2 Formwork unit lightweight optimization

2.3 原型應(yīng)力變形測(cè)試試驗(yàn)

為更好地驗(yàn)證單側(cè)模板優(yōu)化設(shè)計(jì)方案的可行性,對(duì)比實(shí)際變形及應(yīng)力情況與模型計(jì)算差異,并預(yù)先發(fā)現(xiàn)改進(jìn)過程可能存在的問題,選取3組標(biāo)準(zhǔn)模板單元進(jìn)行原型應(yīng)力變形測(cè)試試驗(yàn)。

利用ETABS軟件建模分析可得出應(yīng)力、變形理論參考數(shù)值,并預(yù)估需重點(diǎn)關(guān)注變形位置,合理設(shè)置電子位移計(jì)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)(見圖7)。

圖7 電子位移計(jì)布置Fig.7 Arrangement of electronic displacement meters

通過對(duì)6組表面電子位移計(jì)24h讀數(shù)記錄情況進(jìn)行整理分析(見圖8),試驗(yàn)情況與模型計(jì)算大致相符,但局部變形值比預(yù)期略微偏大,如模板頂部邊框中段與最大受力豎楞處的最終變形數(shù)據(jù)(見表3)。原因?yàn)槟０弩w系整體性不足,導(dǎo)致部分螺栓虛位比計(jì)算值略微偏大,且施工階段模板間拼縫不如理論狀態(tài)嚴(yán)密,故后續(xù)針對(duì)模板體系整體性進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。此外選取的邊緣拼接豎楞角鐵符合理論整體抗彎要求,但試驗(yàn)中拼接處有局部變形,后期已調(diào)整截面冗余度規(guī)避局部形變風(fēng)險(xiǎn)。

表3 變形試驗(yàn)值與理論值對(duì)比Table 3 Comparison of deformation experimental and theoretical value mm

圖8 D1～D6電子位移計(jì)讀數(shù)記錄Fig.8 Record of the D1～D6 electronic displacement meters

拆模后,根據(jù)GB 50204—2015《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》[8]規(guī)定,試驗(yàn)澆筑的混凝土表面觀感質(zhì)量良好,墻身垂直度、截面尺寸偏差均小于規(guī)范規(guī)定各項(xiàng)指標(biāo),故本次試驗(yàn)完成的混凝土澆筑可達(dá)常規(guī)工程驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn),也進(jìn)一步驗(yàn)證了單側(cè)模板力學(xué)設(shè)計(jì)的可行性。

2.4 單側(cè)模板整體性改進(jìn)設(shè)計(jì)

在單側(cè)模板試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),不同模板組件豎向拼縫位置變形比預(yù)期略微偏大,也存在一定的拼縫口混凝土成型質(zhì)量不理想,局部甚至有少量漏漿現(xiàn)象。考慮工程實(shí)際情況遠(yuǎn)比試驗(yàn)設(shè)置復(fù)雜,且試驗(yàn)僅為3組標(biāo)準(zhǔn)模板單元拼裝,實(shí)際外墻混凝土一次澆筑長(zhǎng)度通常為20～30m,結(jié)果相對(duì)不可控,必須進(jìn)一步增強(qiáng)模板體系整體性。因此,利用在框架組件上預(yù)制2組L形卡槽,并增設(shè)木方解決以上問題?？ú塾糜诩釉O(shè)2組通長(zhǎng)設(shè)置的橫向木方(見圖9),橫向木方可與此前用于固定頂部配板的木方及單側(cè)模板體系形成較好的整體。

圖9 單側(cè)模板優(yōu)化設(shè)計(jì)Fig.9 Optimized design of single-sided formwork

3 工程應(yīng)用

3.1 工程概況

項(xiàng)目位于澳門建筑密集的老舊城區(qū),設(shè)計(jì)為地上31層(高度約102m)、地下5層(開挖深度約19m)框架-剪力墻結(jié)構(gòu),項(xiàng)目用地面積約 1 200m2, 5層地下室層高3.2m,屬常規(guī)層高施工范疇,地下室外墻總面積約2 000m2。

3.2 工程應(yīng)用情況

在制定項(xiàng)目地下室外墻施工方案時(shí),考慮地下室開挖深度達(dá)19m,整體水文地質(zhì)條件相對(duì)復(fù)雜,項(xiàng)目對(duì)地下室防水質(zhì)量要求較高。如采用傳統(tǒng)預(yù)埋對(duì)拉螺桿方案存在較大防水質(zhì)量隱患,同時(shí)由于施工場(chǎng)地過于狹小,如采用三角桁架單側(cè)支模體系,墻體與樓板較難同時(shí)澆筑,因此必須選用新方案。

最終除局部樓梯位置外,絕大部分地下室外墻采用新型工具式單側(cè)模板完成混凝土澆筑工作。按實(shí)際流水施工分倉情況,項(xiàng)目生產(chǎn)約55件單元模板,最終單件模板周轉(zhuǎn)使用近10次。完工后絕大部分模板組件完整度較好,仍可繼續(xù)用于其他項(xiàng)目。采用此模板體系整體施工工序少、裝拆便捷、補(bǔ)板便利、廢料較少、混凝土成型質(zhì)量?jī)?yōu)良(見圖10),有效保證了地下室防水質(zhì)量,達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

圖10 單側(cè)模板施工效果Fig.10 Effect of the single-sided formwork

3.3 工程經(jīng)濟(jì)效益分析

按市場(chǎng)價(jià)格水平及相關(guān)計(jì)價(jià)原則,對(duì)單側(cè)模板進(jìn)行價(jià)格分析,其綜合單價(jià)主要由人工費(fèi)及材料費(fèi)構(gòu)成。

1)人工費(fèi) 工具式單側(cè)模板因易裝拆、少吊運(yùn),無需焊接、防水修補(bǔ)等工序,可用普通工替代部分單價(jià)較高的模板工、焊工,因此優(yōu)勢(shì)明顯。

2)材料費(fèi) 由于工具式單側(cè)模板構(gòu)件大都采用鐵件制作,前期一次性投入高,預(yù)制鐵件攤銷成本是影響綜合單價(jià)的關(guān)鍵因素,而此項(xiàng)成本與模板周轉(zhuǎn)次數(shù)密切相關(guān)。

利用經(jīng)濟(jì)學(xué)盈虧平衡分析原理,將單側(cè)模板總成本拆為可變成本及固定成本。假定當(dāng)預(yù)埋對(duì)拉螺桿模式與工具式單側(cè)模板綜合單價(jià)相等,得出模板周轉(zhuǎn)次數(shù)的經(jīng)濟(jì)性臨界值。澳門地區(qū)綜合單價(jià)中人工費(fèi)占比相對(duì)較高,經(jīng)濟(jì)性臨界值為8.7次,而按內(nèi)地工程經(jīng)驗(yàn)及相關(guān)定額測(cè)算,周轉(zhuǎn)次數(shù)經(jīng)濟(jì)性臨界值約為12.5次。在人力成本持續(xù)上升的情況下,此工具式單側(cè)模板應(yīng)用價(jià)值亦會(huì)繼續(xù)提升。根據(jù)澳門地區(qū)單價(jià),分別按周轉(zhuǎn)使用10,20,30,40 次進(jìn)行價(jià)格測(cè)算(見表4)。

通過測(cè)算可見,周轉(zhuǎn)40次后單側(cè)模板綜合成本降幅可達(dá)43%,經(jīng)濟(jì)效益顯著,推廣應(yīng)用將帶來較好的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)語

1)通過對(duì)建筑業(yè)常用單側(cè)支模體系歷史沿革進(jìn)行梳理分析,明確改進(jìn)目標(biāo),對(duì)現(xiàn)有單側(cè)模板進(jìn)行迭代優(yōu)化,形成一款新型工具式單側(cè)模板,并對(duì)研制過程的優(yōu)化設(shè)計(jì)、力學(xué)建模、試驗(yàn)驗(yàn)證等進(jìn)行總結(jié)。

2)工具式單側(cè)模板經(jīng)工程應(yīng)用實(shí)踐表明,該單側(cè)支模體系有助于提升地下室外墻防水施工質(zhì)量,具有通用性強(qiáng)、裝拆快速、運(yùn)輸便捷、施工高效等特點(diǎn)。

3)通過運(yùn)用盈虧平衡分析原理,得出工具式單側(cè)模板周轉(zhuǎn)次數(shù)臨界值,為后續(xù)方案選擇提供參考。一般周轉(zhuǎn)10次以上即可產(chǎn)生較好經(jīng)濟(jì)效益,如在澳門地區(qū)通過提高周轉(zhuǎn)次數(shù),綜合單價(jià)降幅可達(dá)43%,具有較大推廣應(yīng)用價(jià)值。