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
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。
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。
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) 。
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) 。
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) 。
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) 。
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。
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) 。
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
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。
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。
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。
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