钢筋混凝土 (reinforced concrete) 技术由Hennebique于1892年取得专利。20世纪60年代, 随着混凝土广泛应用于建筑施工领域, 越来越多的清水混凝土建筑出现在欧洲、北美洲发达国家。在亚洲, 日本清水混凝土技术最先走到前列, 被称为“清水混凝土诗人”的安藤忠雄, 将清水混凝土技术发挥到极致。19世纪末20世纪初, 我国开始出现体量较小的钢筋混凝土建筑。20世纪70年代, 清水混凝土结构在我国各项工程建设中迅速发展^[1,2], 最具代表性的有“中国首座大面积清水混凝土建筑工程”之称的联想研发基地, 是国内清水混凝土发展史上的一座里程碑。2010年, 由崔恺院士主持设计的重庆万州三峡移民纪念馆及德阳奥林匹克后备人才学校清水混凝土项目的落成, 使清水混凝土建筑技术的发展得到质的提升。

清水混凝土科技馆球体是荣成青少年活动中心项目的特色高性能混凝土构件之一, 本文通过对科技馆3个相交球体构件的结构分析及施工工程的技术分析, 总结清水混凝土异形双曲面构件施工工艺。

科技馆位于 (12) ～ (18) /轴处, 由3个圆形球体相交而成, 墙厚300mm, 代号分别为S1, S2, S3。荣成青少年活动中心科技馆定位标识如图1所示。

1) 球体S1为直径28m半球体, 顶部为直径9.912m斜口。构件顶部标高为11.500m, 起始标高为-1.500m, 整体高度为13m。东、西两侧分别与S2, S3相交。局部与5.25m结构板相连, 球体外侧与扶壁框柱相连。

2) 球体S2为直径18m半球体, 四侧各有1个半圆形入口, 一侧与S1相交, 顶部标高为9.000m, 起始标高为-0.150m。

3) 球体S3为直径16m半球体, 起始标高为-1.500m, 一侧与S1相交。清水混凝土科技馆参数化设计构件数据如表1所示。

4) 科技馆内外墙均为清水混凝土。科技馆球体清水混凝土分3次浇筑:首次浇筑高度至-0.15m, 二次浇筑为S2, S3浇筑完成, S1浇筑至屋面梁底, 最后随屋面浇筑S1剩余部位。但与结构相连部位在5.250m标高的二层外廊, 相连部位有挑梁穿插在S1, 为保证结构稳定性和清水混凝土施工质量。模板施工过程中, 梁采用预制暗盒, 隔出梁的部位, 结构板采用插筋方法施工。

1) 图纸深化排版难度大。外衬板及外清水面板安装需通过Grasshopper插件进行精控排版。

2) 外侧弧形框架柱与球体同时施工, 阴阳角加固方式复杂。

3) 本构件为异形双曲面结构, 球体S1上部为随屋面斜切的天窗, 加固体系的应用及内侧脚手架支撑体系选型, 须保证曲面连续、顺滑, 构件相交形成的阳角曲线效果流畅。

4) 异形双曲面构件难以控制混凝土保护层厚度以保证不露筋。

5) 球体为双面清水混凝土, 保证混凝土浇筑的连续性, 球形墙面纹路、色泽统一协调。

参数化设计前, 应对现场科技馆图纸及模型有深入理解, 根据科技馆主体特点对模板、蝉缝、节点控制方案进行合理配置, 保证科技馆几何形态, 突出其造型质感。利用Grasshopper插件, 根据设计效果要求排版对模型进行深化。深化原则为:以2 400mm×1 200mm模板为模数对模型进行分割, 降低其模板展开时形成的误差。科技馆相交球体三维模型如图2所示。

定位放线的精确度是保证清水混凝土结构尺寸的重要环节。测量放线图纸采用犀牛软件, 根据施工需求进行放样, 形成数字化三维坐标点进行测绘。由于构件各异、标高不同, 对每个控制点均必须校核, 安装过程中跟踪测量, 发现误差及时调整, 做到精准、精确。清水混凝土科技馆首层纵横钢管参数化施工指导施工定位如图3所示。科技馆球体水平弧形钢管参数如图4所示。

清水混凝土科技馆施工流程为:支撑架体搭设→模板下料→内模板体系安装→绑扎钢筋→外模板体系安装→加固→混凝土施工→模板拆除→混凝土养护。

1) 脚手架搭设前应对物料进行严格检查和筛选, 不采用严重锈蚀、薄壁、弯曲的钢管, 不采用生锈、变形、裂缝、螺纹失效的扣件。

2) 搭设本工程模板支撑系统采用钢管脚手架, 脚手架均采用48×3钢管搭建成整体, 纵横间距为800mm×800mm, 根据地面控制线搭设操作架。单根钢管必须参照下部标高线区域进行搭设, 不得私自改动, 剪刀撑跨距保证在4m, 与地面呈60°夹角。利用犀牛软件将立杆旋转到地面在同一个平面, 并标注每根立杆长度, 保证每根立杆顶撑在背楞上, 从而保证构件整体形状。科技馆球体脚手架搭设现场实况如图5所示。

3) 依据首层钢管模拟图放线, 在首层平面上准确弹出弧形钢管、环形钢管、立杆位置线及高度。立杆高度和内脚手架搭设由球体内模背楞顶标高确定。

4) 外脚手架分2次搭设, 首次搭设高度为6m, 待混凝土浇筑完成再搭设该高度以上脚手架至斜屋面梁底。

5) 当弧形钢管与立杆采用扣件式连接, 单扣件抗滑移不满足荷载要求时, 需在弧形钢管间距800mm处设置斜顶杆, 顶杆底部应与结构层连接。

清水混凝土模板是指能将清水混凝土制作成符合实际要求尺寸和形状的基础用具。根据国内外资料数据可知, 模板工程费用占到清水混凝土整体工程项目费用的30%, 重视模板设计即可极大地降低工程生产成本, 提高工程施工质量, 加快工程施工速度^[3]。为保证拼缝的准确性及精度要求, 本项目创造性地采用双层模板体系, 底层衬板为受力的17mm厚优质覆膜板, 面板为量身定制的6mm厚清水专用覆膜板, 安装拼缝大小控制在0.5mm。通过双层面板的应用, 本项目拼缝优良率达95%以上。清水混凝土模板下料采用全自动模板切割机, 切割精度可控制在0.01mm, 保证深化尺寸准确, 切口平整且不会出现糙边。拼装前应调节平整, 拼装时2块模板间涂抹玻璃胶。模板加工及施工安装围绕木制弧形龙骨。木质次龙骨利用建模软件辅助, 在模型相应位置做切线, 压平生成CAD图纸, 进行编号, 利用全自动数控模板剪裁机操作实现。K3-S双工位四工序全自动数控模板剪裁机如图6所示。

球体S1部位最下面结构标高为-0.015m, ±0.000标高位置为半径14 000mm圆形, 首先需要画3个同心圆, 面板圆半径为13 994mm, 衬板圆半径为13 982mm, 背楞圆半径为13 882mm, 需画出每条背楞线位置, 背楞 (厚度t=100mm, w=51mm) 线设计成150mm 1道。

在±0.000位置设置1个360°刻度圆盘, 可根据每10根1道背楞的控制线原则在圆盘上标出定位背楞。科技馆球体施工中背楞的定位控制如图7所示。科技馆刻度圆盘定位如图8所示。

以上部位在弧形钢管处模拟刻度圆盘用以精确背楞线定位, 清水面板采用6mm厚模板, 衬板采用17mm厚模板。

背楞安装完成后, 铺设衬板应逐线钉装, 不得漏钉。安装完成后, 检查无误, 对其进行加固, 保证精准无偏移、不摇动, 待衬板安装完毕, 利用弧弯机加工弧形钢管对模板体系进行加固。模板体系外侧加固模型如图9所示, 球体阴角加固节点如图10所示。科技馆S1球体模板体系外侧加固现场如图11所示。

清水混凝土施工关键环节是浇筑振捣步骤的实施, 在这一施工过程中要注重操作的规范化, 浇筑和振捣需严格按照规范进行操作, 并能与自身施工条件相结合^[4];球体S1, S2, S3混凝土浇筑时均预先分别在4.000, 8.000m部位预留振捣口和透气口。

荣成青少年活动中心科技馆采用清水混凝土施工技术有效保障了施工整体质量, 在具体操作过程中严格遵循施工规范, 相关管理人员做好管理工作, 按施工步骤加强质量控制, 提高球体S1, S2, S3清水混凝土构件施工质量。

1) 科技馆球体参数化设计施工的应用 参数化设计时通过利用犀牛软件及其Grasshopper插件进行三维建模及模板排版, 大大降低施工现场进行空间清水混凝土球体建立难度, 参数化空间测量放线工艺的采用, 使空间定位放线各定位点的测设更加精准可控。

2) 异形双曲面球体施工工艺 通过对科技馆球体支撑架体系搭设、清水模板下料、球体定位盘安装、模板体系加固、相交球体混凝土浇筑等施工阶段控制要点的总结, 汇总出异形双曲面清水混凝土相交球体施工工艺。