可调弧度模板在多曲面钢筋混凝土拱体结构施工中的应用
1 工程概况
景德镇御窑博物馆工程位于江西省景德镇, 建筑面积10 400m2, 由8个多曲面、变曲率的钢筋混凝土拱体结构组成 (见图1) , 各拱体每个截面尺寸均不同 (见表1) , 结构工期要求120d。通过采用多曲面拱形模板施工技术, 创新采用可调弧度龙骨及可移动架体, 保证结构施工的安全性、可靠性和精确度, 实现建筑师对拱体结构多曲面、变曲率的建筑效果要求, 降低建设成本, 并提前20d完成结构施工, 获得建设单位、设计师、监督站及社会各界的一致好评。
2 可调弧度拱形模板体系
2.1 异形模板体系现状
图1 多曲面钢筋混凝土拱体效果
Fig.1 Effect of reinforced concrete arch structure with multi surfaces
对于异形建筑所采用的模板体系多为“满堂脚手架+钢龙骨+木模板”体系及“满堂脚手架+定制圆弧龙骨+定型模板”体系。2种体系的优点和缺点如表2所示。
由表2可知, 现有的定型化生产技术虽能满足异形建筑弧度的要求, 但存在材料成本过高、加工周期或安装工期过长及场地受限等问题。故新的模板体系应向可周转、可调弧度、便于安拆的方向突破。
表1 各拱体建筑参数
Table 1 The building parameters of every arch structure
表2 2种体系优缺点
Table 2 The advantages and disadvantages of the two systems
2.2 可调弧度拱形模板体系
景德镇御窑博物馆工程创新采用可调弧度拱形模板技术, 以钛铝合金架体作为支撑体系, 强度高、构件质量小、组装快;以轻钢构件作为主龙骨, 通过丝杆调节相邻主龙骨角度, 以满足横断面的弧度变化;以木龙骨刨弧控制纵向弧度;采用覆膜绿色塑面模板作为面板, 架体底部采用钢管架进行加固;同时, 底部增设定向轮和槽钢导轨, 使其实现周转、移动 (见图2) 。
3 可调弧度模板体系施工工艺
3.1 工艺流程
BIM建模, 划分流水段, 定位放线→下层回顶、铺设导轨→支撑架体组装→内侧模板安装, 弧度校核→钢筋绑扎、埋件安装→外侧模板安装, 弧度校核→施工缝处理及体系加固→下料口、振捣口处理→拆模及移模。
3.2 先拟后建, BIM建模, 划分流水段, 定位放线
1) 由于二维图中无法将多曲面拱体结构的尺寸反映清楚, 故与设计师沟通, 以500mm间距划切剖面图作为指导施工的依据。同时, 利用revit建造设计模型和模板模型, 辅助施工。
2) 通过revit模型划分流水段, 模拟施工, 如图3所示。
图2 可调弧度模板体系
Fig.2 The adjustable radian formwork system
图3 流水段划分模拟
Fig.3 Simulation of the pipeline division
3) 将拱体模型、模板模型导入自动放线机器人手盘操作系统, 拾取任意空间点位坐标进行测放 (见图4) 。
图4 自动放线机器人测放方案
Fig.4 The measurement scheme of the automatic actina bacillus robot
3.3 下层回顶, 铺设导轨
1) 为保证模板支撑体系下部支撑满足荷载要求, 拱体施工层以下的2层楼板支撑体系必须保留。如无法保留下部支撑体系, 则必须单独采取回顶措施。回顶架体立杆排距、位置与上部架体立杆位置相同, 纵向间距≤1 200mm, 水平杆布距1 800mm, 架体顶部采用U形托及100mm×100mm木方与清水板面顶紧, 逐层将架体荷载传递至基础筏板 (见图5) 。
图5 底部回顶支撑节点
Fig.5 The support joint
2) 为实现架体可周转, 需在架体下方铺设导轨, 移模前在底部支撑腿下方安装定向滑轮。沿拱体纵向设置[14作为导轨, 如图5所示。
3) 在楼板存在高低差的区域搭设平台架, 确保导轨在同一水平高度上设置 (见图6) 。
3.4 支撑架体组装
根据拱体模板设计图中各构件编号, 对应现场的材料开始组装。先完成单排桁架组装, 再通过纵向水平梁连接成整体, 依次组装龙骨铰链和可调支撑杆 (见图7) 。
图6 底部平台架搭设
Fig.6 The erection of the bottom platform frame
3.5 组装内侧龙骨及模板
每根龙骨尺寸均不相同, 故组装时需“对号入座”, 对应的主龙骨与对应的木方连接, 再与对应的调节螺杆连接固定。安装完成后, 利用放线机器人进行内龙骨及模板定位的校核 (见图7, 8) 。
图8 架体顶部主龙骨调弧固定方式
Fig.8 The fixation mode
3.6 拱体钢筋及埋件施工
根据设计要求完成拱体钢筋安装及绑扎、各专业埋件的安装等施工并组织验收。
3.7 安装外侧模板
外侧模板采用预拼装方式提前完成组装, 用塔式起重机或其他起重设备将其调运至指定部位。采用三段式对拉螺栓连接内、外侧模板, 并进行固定 (见图9) , 之后利用放线机器人进行第2次弧度校核工作。
图7 内侧模板安装
Fig.7 Installation of inside formwork
图9 外侧弧形模板预拼后安装
Fig.9 Installation of outside arch formwork
3.8 施工缝处理及体系加固
1) 在已完成施工段连接处, 为保证接缝严密, 新浇筑段的模板应与上一段已浇筑完成的拱体搭接300mm, 接缝处两侧150mm处各设置1道对拉螺栓紧固 (见图10) 。
图1 0 对拉螺栓布设平面
Fig.10 Layout plan of split bolt
2) 另一端施工缝处焊接横向短钢筋并加设快易收口网, 短钢筋长度为拱壁厚度。为防止拆模后产生明显钢筋痕迹, 短钢筋端部套有与混凝土颜色相近的塑料保护套, 既起到拦截混凝土作用又能保证拱体侧壁厚度, 短钢筋内侧铺设2道快易收口网。快易收口网每间隔300mm利用木方横钉加固, 如图11所示。
3) 体系加固。为保证拱体结构浇筑过程中的稳定性, 增加钢管顶撑加固措施, 即在结构楼板上沿纵向预埋2排地锚 (直径20mm圆钢) , 纵向间距约1m放置, 并采用钢管连接斜撑模板内部, 如图12所示。
4) 为方便架体加固及尺寸变化, 拱体底部在架体系统支模前需先浇筑300mm高混凝土导墙, 控制架体根部弧度, 架体与混凝土的重叠高度为100mm左右。
3.9 下料口及振捣口处理
为保证施工便利, 下料口与振捣口合为一处, 在外侧拱体±0拱顶高度约2/3处将模板与次龙骨抽出, 洞口尺寸为500mm×3 000mm, 位于拱体侧部中心, 下料口以下混凝土浇筑振捣完毕后, 及时将下料口封严, 并与外侧模板次龙骨钢管固定 (见图13, 14) 。拱顶1 200mm宽度范围内也作为上部混凝土的下料口与振捣口。
图1 1 拱体施工缝处钢筋及快易收口网布置与加固
Fig.11 Layout and reinforcement of steel bar and rapid and convenient reticulated
图1 2 模板根部加固做法
Fig.12 The reinforcement at the root of formwork
图1 3 侧面下料口及振捣口预留
Fig.13 Reservation of the blanking inlet and vibrating inlet
3.1 0 拆模及移模
1) 拆模及移模流程为:拆除固定内外墙模板对拉螺栓→清理模板上残留混凝土→外侧模板吊至下一流水施工段→移除模板底部木垫块→调节架体下部可调支撑, 分离内墙模板与混凝土→架体起托→架体与模板下降至移模车托架→架体与模板移动至下一施工段。
图1 4 拱侧下料口与振捣口封口固定
Fig.14 Sealing and fixation of the blanking inlet and vibrating inlet
2) 模板与混凝土分离后, 架体与模板通过移模车向前移动, 进入下一个施工段。在架体底部架设定向轮及铺设的槽钢导轨作为移模车前行移动平台。导轨采用枕木和[14, 如图15, 16所示。
图1 5 定向轮及滑轨安装
Fig.15 Installation of directional wheel and slide rail
图1 6 内支撑调节下架
Fig.16 Lower bracket adjusted by inner support
4 经济与社会效益
4.1 经济效益
1) 与其他异形建筑所采用的定型化模板施工相比, 本项技术实现架体的可周转性, 节约架体钢管用量、模板及木方, 降低材料成本70%。
2) 可在现场直接组装, 节约材料堆放场地用地面积50%。通过BIM技术辅助施工, 提高构件加工精度, 减少材料损耗20%。
3) 利用放线机器人进行测放, 快速、精准, 缩短放线工序时间80%, 降低人工成本。
4) 通过分段流水施工可有效避免窝工, 劳动力峰值降低50%。
4.2 社会效益
1) 实现建筑师对多曲面、变曲率拱体结构建筑形态的要求, 精度较高, 施工质量控制较好。
2) 实现架体的可周转性, 达到节材、节地目的。
3) 只需定制加工龙骨, 与定型化模板相比, 缩短材料加工周期70%。
4) 无须搭设满堂脚手架, 通过移模车实现架体移动, 在安装阶段可缩短工期20%。
5 结语
可调弧度拱形模板施工技术解决多曲面、变曲率拱形结构中龙骨及模板的弧度调节问题, 即实现多曲面、变曲率拱形结构的弧度要求, 保证安全、可靠性的同时还具备周转移动能力, 在降本增效方面效果显著。此外, 还解决拱形结构混凝土浇筑及施工缝处理难点。
[2]吴芳.预应力钢筋混凝土拱板施工方法研究[J].住宅与房地产, 2017 (5) :191.
[3]孟宪礼, 张娜.钢筋混凝土拱圈支撑系统施工技术[J].科技与创新, 2016 (10) :146.
[4]任玲华, 杜向明.大跨度预应力钢筋混凝土拱板屋架空中制作安装技术应用[J].安徽建筑, 2014, 21 (2) :64, 151.
[5]陈开林.大型预应力钢筋混凝土拱板施工质量控制[J].福建建材, 2011 (9) :86-88.
[6]李应龙, 裴健, 王俊龙.115m跨度钢筋混凝土拱结构施工质量控制[J].科学之友 (B版) , 2007 (10) :4-6.
[7]谭立新, 郭朋鑫, 何昌杰, 等.长沙冰雪世界巨型多截面预应力钢筋混凝土梁叠合法施工技术[J].施工技术, 2018, 47 (20) :36-39, 61.
[8]张建清, 毛燕红, 高路恒, 等.广州某高层建筑装配式梁柱节点预应力内锚法施工技术[J].施工技术, 2018, 47 (5) :141-143, 145.
[9]许必强, 汪焱卫, 吴文奎, 等.空间多曲面清水混凝土全木模板施工工艺研究[J].施工技术, 2017, 46 (14) :54-57, 78.
[10]何永福, 蔡小宁, 孟少平, 等.预应力预制框架边节点设计参数分析[J].施工技术, 2017, 46 (4) :1-5.
[11]郝玉松, 张栩珲, 侯煦新一, 等.某大跨度缓粘结预应力空心楼盖施工关键技术[J].施工技术, 2017, 46 (3) :48-50.