工程施工中, 模板技术与脚手架技术密不可分。模板的功能是使混凝土构件浇筑成型, 脚手架的功能既是支承作用到模板上的荷载, 又是作业工人的施工平台架。

20世纪80年代, 建筑工程主要施工对象为多层的砖混住宅和高度在100m以下的现浇混凝土建筑, 模板以70年代进入我国并定型的组合钢模板为主, 脚手架以扣件式钢管脚手架为主。在该时期, 代表性的工程为南京一建施工的南京金陵饭店。该工程位于南京市新街口西北侧, 主楼建筑面积49 690m², 塔楼为37层, 高110m。中心筒的钢筋混凝土墙体施工模板全部采取定制的大模板, 用型钢作背楞, 面板为4mm厚钢板或18mm厚木胶合板, 大模板不落地逐层向上翻转。框架柱采用4块定型模板, 用闭合围箍连接。楼板模板采用单元式金属钢管组装的台式支承架, 面板采用加拿大进口的木胶合板。采用德国进口的混凝土输送泵进行混凝土浇筑, 标准层进度为1层/7d, 340d完成37层主体结构施工。该工程外脚手架采用型钢三角挑架, 挑架间距1.8m左右, 在挑架上搭设扣件式钢管外脚手架, 每8个楼层悬挑一次, 每段高度为21.6m。该里程碑式工程的意义在于, 对于百米级高层混凝土主体结构施工, 采用了大块面张的木胶合板模板, 改变了当时习惯于采用小块组合钢模板施工的理念, 楼面模板支架采用了类似于合模的单元组装式支架。外脚手架仍然采用了当时比较新颖的分段悬挑扣件式钢管脚手架, 与当时上海四建施工的银星宾馆类似 (见图1) 。

20世纪80年代, 门式脚手架开始得到建筑工程界重视, 东南大学开始进行了系统试验研究 (见图2) , 同时上海建工施工技术研究所也对门式脚手架进行了研究, 并在110m高的上海太平洋酒店工程的外脚手架施工中进行了试点应用。

20世纪90年代, 高层混凝土建筑特别是高层住宅开始大量兴建, 南京在90年代初建设了首幢30层高层剪力墙住宅。木胶合板配合木方和扣件钢管是当时主要的散装模板支撑形式。

同一时期, 各地的电视塔等高耸结构开始兴建, 其中典型的南京电视塔工程塔身高度为210m, 塔身由3个互成120°角的钢筋混凝土空腹肢体和7道钢筋混凝土箱形连梁构成, 外端壁随塔高度有7个坡率收分变化。结合塔肢两侧面均为直线到顶的特点, 沿三肢腿的外端部各布置一组 (单元) 手动式爬架, 内端部各设一组电动式爬架 (见图3) , 这样爬模工艺一直到塔楼底部。

20世纪90年代初, 在南京邮电学院综合楼工程上还试点应用了组装式台模体系, 其面板体系由木胶合板和C型钢背楞组装而成, 支撑为可调钢支柱 (见图4) , 根据现场实际使用情况, 由于楼面为梁板结构, 因此, 台模的下降移位飞出比较困难, 效果不理想。对台模 (亦称飞模) 除了当时在广东中信广场 (中天广场) 工程的80层办公大楼上, 日本熊谷组对楼面施工采用了铝合金支架组装的台模系统外, 直到今天鲜见在高层建筑主体结构施工上得到应用。

在脚手架方面, 20世纪90年代初开始研究并应用了附着式升降脚手架, 其中代表性的有电动整体升降脚手架和手动单元式升降脚手架。图5a为上海四建设计的上海河运学校工程应用的单元式手动升降脚手架, 图5b为南京市估衣廊住宅小区3幢高层住宅工程施工的外脚手架, 分别采用了分段悬挑扣件式钢管外脚手架、单元式手动升降脚手架和整体电动升降脚手架的施工方法。但是, 在同一时期, 整体电动升降脚手架的几起坠落事故引起了工程界对该种外脚手架形式的设计、施工和安全管理的重视, 并后续推出了相关标准和管理规定。

进入21世纪后, 国家的工程建设真正步入了高速发展阶段, 高校和企业加强了对模板和脚手架安全的理论研究和相应的具有一定规模的试验研究, 新型模板脚手架也得到大量应用。在新型模板体系方面, 突出的发展体现在以下几点。

1) 模板的面板从单一的木胶合板模板, 发展为竹胶合板、木面竹芯胶合板模板、铝合金模板和塑料模板等, 并且, 因为国家创导绿色施工, 铝合金模板由于周转使用次数多, 能够实现百分之百回收, 并且拼缝严密不漏浆, 混凝土构件成型质量好等得到快速大量采用 (见图6) 。

2) 在模板支架方面, 传统的扣件式钢管脚手架持续在现浇混凝土结构施工中普遍采用;轻型门式脚手架 (主立杆ф48管径) 在广州、湖南等地部分工程上少量采用;重型门式脚手架 (主立杆ф57管径) 在江苏桥梁工程上少量采用;碗扣式钢管脚手架持续在城市高架桥和公路桥的桥梁工程普遍采用。值得一提的是2005年无锡速接系统模板有限公司与台商合作研发并生产盘扣式钢管支架 (见图7) , 该支架特点是按国际惯例其立杆采用了Q345低合金钢管, 单立杆可以承受40~50k N荷载并规范化设置斜杆, 大幅提升模板支撑架的整体稳固性, 到今天已发展成为高支模的主流架体, 在桥梁工程上开始推广应用。

3) 在模板体系方面, 基于铝合金模板的早拆模板体系真正在公建和高层办公楼工程的梁板楼面结构施工中得到应用, 但如同当年“小钢模”的板块面积较小, 安装与拆除的用工量偏大的缺点依然存在。在超高层建筑施工中, 混凝土核心筒体结构施工的连带模板支撑的整体爬升作业平台技术得到迅速发展, 其中代表性的有中国建筑长行程液压千斤顶少支点一个施工层一次顶升到位的顶模技术和上海建工的短行程液压千斤顶多支点一个施工层多次顶升到位的整体爬升钢平台技术。在高度<250m的高层建筑施工中, 分单元爬升的液压爬模技术也在一定数量的工程中得到应用。

4) 在高层建筑施工的外脚手架方面, 分段悬挑扣件式钢管脚手架、电动附着升降脚手架依然是主流外脚手架类型。但悄悄变化的是脚手架作业层的竹笆片变为钢网片, 外围密目塑料网变为钢板网, 单一的扣件式钢管脚手架变为部分开始采用盘扣式钢管脚手架。

现浇混凝土施工中模板脚手架涉及施工人员的作业安全, 参与工程建设的业主、施工单位、监理单位和政府管理部门均对模板脚手架的施工安全给予重点关注。回顾模板脚手架的发展史, 不可否认与模板脚手架对应的国家标准、行业标准和产品标准在推广和应用新型模板与脚手架方面起到了关键的支撑作用。

JGJ130—2001《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范》 (第1版) 由中国建筑科学研究院 (建筑机械化研究分院) 和哈尔滨工业大学共同编制, 该规程编制经历了近10年, 整合了2个主编单位的扣件式钢管脚手架架体的承载力试验研究成果, 并吸收了现场应用的构造习惯和施工经验, 结束了该形式脚手架进入中国多年而无相应标准的尴尬局面, 也规范了施工现场用扣件钢管脚手架搭设模板支架的行为。该规范使用10年后于2011年进行了修订, 形成第2版JGJ130—2011, 由主编单位之一的江苏南通二建集团有限公司委托天津大学进行了规模较大的批量整架承载力试验, 在此基础上扩充了满堂脚手架、满堂支撑架和型钢悬挑脚手架的内容。该规范的修订进一步促进了国内保有量最大的扣件式钢管脚手架在模板脚手架方面的安全使用。

JGJ166—2008《建筑施工碗扣式钢管脚手架安全技术规范》由河北建设集团有限公司和中天建设集团有限公司主编, 该类型的脚手架有配套的产品标准。该规范的主编单位之一河北建设集团有限公司委托天津大学做了批量的碗扣式钢管脚手架整架的承载力试验。碗扣式钢管脚手架规范的编制也结束了该类型脚手架在工程建设中特别是桥梁工程的支模架中使用多年而无相应标准的尴尬局面, 有力促进了碗扣式钢管支模的规范使用。该规范于2016年进行修订, 形成第2版JGJ166—2016, 主编单位为江苏兴夏建设工程集团有限公司和重庆建工第九建设有限公司。该规范重要修编了与荷载相关的计算及模板脚手架立杆的计算长度取值规定等。该规范的修订进一步理清了当前在城市桥梁工程中使用量很大的碗扣式钢管脚手架的构造合理化及主立杆计算长度的合理取值, 并增加了定尺斜杆的构造规定内容, 提高了使用安全性。

JGJ231—2010《建筑施工承插型盘扣式钢管支架安全技术规程》 (第1版) 由南通新华建筑集团有限公司和无锡市锡山三建实业有限公司主编。该规程的编制汇入了东南大学进行的批量系列支架承载力试验研究成果。该标准区别上述两本标准的支架主立杆为Q345低合金钢, 并有配套的定尺斜杆, 主要的技术参数与出口到欧美市场的支架体系一致。因此, 该支架为目前整体性最好和主立杆承载力有保证的模板支架。该支架形式得到建筑工程和市政工程的充分认可, 并在厚大混凝土构件施工中逐渐有取代扣件式钢管脚手架和碗扣件式钢管脚手架的趋势。目前, 该标准正在修编中, 配套的产品标准已出版。

GBJ21—82《组合钢模板技术规范》 (第1版) , 该规范的主编部门为中华人民共和国冶金工业部, 该规范的编制对我国促进“以钢代木”, 量大面广推广应用组合钢模板起到了重要的作用。其后于1989年进行了修订, 第2版为GBJ214—89;2001年又进行了修编, 第3版为GB50214—2001, 主编单位为冶金部建筑研究总院。在2013年该规范进行了第4次修订, 第4版为GB/T50214—2013, 主编单位为中冶建筑研究总院有限公司, 该修订主要增加了宽幅组合钢模板的相关内容。应该说连续4版的组合钢模板技术规范的编制在模板和脚手架发展史中扮演了重要的角色。组合钢模板拼装灵活, 适用性强, 直到今天在城镇建设中仍得到一定量的使用。

JGJ195—2010《液压爬升模板工程技术规程》由江苏江都建设工程有限公司主编。该规程的编制对250m以下的高层现浇混凝土主体结构施工采用爬升模板体系带来了便利, 也规范了应用该模板体系时, 从设计、施工及安全管理应注意的技术问题。最近该标准修编已完成了专家审查并报批, 增加了模板面板新材料的应用, 调整了施工荷载和风荷载取值规定。

值得一提的是, 上海建工集团股份有限公司新编的行业标准《整体爬升钢平台模板工程技术规程》已完成送审稿专家审查并报批, 该标准的编制完善了模板体系系列, 总结了我国最近几年在250m以上超高层建筑施工应用整体爬升钢平台的装备制造和工程经验。

在现浇混凝土结构施工中, 模板脚手架施工的安全得到前所未有的重视, 工程管理规定了模板脚手架必须编制专项施工方案, 超过一定规模的模板脚手架工程还必须通过专家论证。南京市安监站还要求对风险性较大的高支模在进行专家论证后, 对具有高风险的高支模架在浇筑混凝土前论证专家之一必须到场协助进行检查。

笔者根据最近几年在南京等地论证的多个符合住建都规定的危险性较大的模板脚手架工程, 及参与的实际搭设模板脚手架检查, 提出以下几点值得注意的问题。

1) 当前模板脚手架租赁市场依旧无法管控扣件式钢管脚手架和碗扣式钢管脚手架基本杆件和连接件质量日趋下降的问题, 并形成了恶性循环。目前扣件式钢管脚手架主要存在的通病是钢管管壁减薄至2.7mm左右, 扣件质量轻至1kg以下且其专用螺母大量采用普通机械螺母代替, 架子工用电动扳手拧扣件螺母致使达不到标准规定的40N·m拧紧力矩。碗扣式钢管脚手架主要存在的通病是定尺的主立杆钢管管壁减薄, 水平杆杆端和盖碗铸件轻薄和质量差, 水平杆杆端与铸件焊缝强度不足, 可调底座和托座的钢板薄, 丝杆直径小至32mm及以下, 转盘螺母轻薄且丝牙不足5牙等。这些问题的存在, 让编制模板脚手架专项施工方案的技术人员和论证专家都无可奈何, 只能缩小支模架的基本搭设尺寸, 并加强构造措施。由于市场的该两类架子保有量非常大, 在短期内估计难以改变局面, 只能严控单立杆的设计承载力, 使其缩小应用的市场, 并逐步被新型模板支架所替代。

2) 比较幸运的是盘扣式钢管支架是目前国内出口欧美和东南亚市场的主要模板脚手架类型, 在编制行业标准和产品标准时, 充分注意了与国际标准和质量要求对接, 定尺的主立杆采用Q345低合金钢材质, 摒弃了扣件式钢管脚手架、碗扣式钢管脚手架和门式脚手架的立杆采用Q235普碳钢的技术路线, 并要求杆件内、外表面进行热镀锌处理, 保证了在工地日晒雨淋条件下足够的使用年限。在修编该行业标准时, 更要求竖向剪刀撑必须使用定尺斜杆, 只有水平剪刀撑才允许使用扣件钢管。因此, 该架体因搭设效率高、支架的整体性好, 并且管壁能确保厚度为3.2mm, 受到中建、中铁系统和骨干施工企业的重视, 并在大型场馆和大面积楼面结构上应用。图8为南京爱立信物流园4幢2层建筑, 层高为10m, 柱距为双向11m, 预应力框架梁主要尺寸为500mm×1 880mm, 650mm×2 300mm, 无粘结预应力板厚为300mm的梁板结构施工采用了盘扣式钢管支架支模, 比常规的模板支架节省用量为1/3, 施工速度快, 目前已施工完毕交付使用, 保证了工期。在当前安全形势严峻的情况下, 该类模板支撑架将会得到进一步的推广应用, 并会改变当前过分依赖扣件式钢管脚手架作为支模架的局面。

3) 对于新型模板体系, 大型施工企业的技术中心均投入了相当多人力和物力进行研发。因此, 代表新城市建设形象的超高层建筑的高度不断刷新, 研发的新型模板体系得到应用并不断完善。液压爬模和整体爬升钢平台技术均提高了施工安全性, 减轻施工人员作业强度。在新型模板体系中, 钢框胶合板模板与可调钢支柱组合在一起的早拆模板体系在我国一直未得到很好的应用, 主要原因还在于目前设计的楼面结构为梁板结构, 平板结构很少, 在国外应用很好的该体系到了国内就水土不服了。比较幸运的是在南京国际博览中心三期工程中, 中建八局和无锡速接系统模板有限公司合作, 开展了基于盘扣架的早拆模体系 (见图9) , 进行大面积厚度为400mm和500mm的空心板地下室顶板的支模施工, 使用效果良好, 节省了模板支架用量, 加快了工期。液压滑模在筒仓结构中应用依然保持良好势头, 尤其是环境保护导致钢材生产厂的储煤筒仓建造量猛增, 储藏粮食筒仓也有一定的建设量, 因此, 滑模在特定施工对象中由于其良好的经济性受到欢迎。在滑模施工中, 遇有洞口滑空段的支承杆稳定性以及钢管支承杆的接长可靠性是安全控制的重点。

回顾模板脚手架的发展历程与国家建设的发展息息相关, 也与材料和装备制造控制技术息息相关。今天的模板脚手架已发生了翻天覆地的变化, 随着国家进一步推进装配式混凝土建筑, 相信将给模板脚手架行业带来更多的革新和新发展。