清水混凝土在空间异性双曲面薄壳饰面施工中的应用

清水混凝土在空间异性双曲面薄壳饰面施工中的应用

孟程

平煤神马建工集团有限公司郑州分公司 河南郑州  450000

摘要：针对某工程结构类型为空间异形双曲面结构，墙体设计为双曲面清水混凝土，墙体厚度为160mm，高度为85.7m，以楼层高度为横向明缝分格，以蝉缝作分块，以多弧线半径为渐变曲面等特点，提出了清水混凝土泵送技术、BIM及测量机器人结合技术、BIM对模板的放样和配模控制技术和异形双曲面模板技术。并介绍了相关的施工工艺，施工控制要点，工程实践证明，有良好的经济和社会效益，可在空间异形曲面结构中推广应用。

关键词：空间异形双曲面；薄壳饰面；BIM；测量机器人；模板

1、工程概况

某工程位于郑州新郑国际机场GTC交通枢纽北侧，共有2座主要建筑，其中塔台为构筑物，航管楼为多层建筑。总建筑面积12205㎡，其中航管楼建筑面积为6205㎡，塔台建筑面积约6000㎡。塔台共21层，为构筑物，高度93.5米。结构形式为空间异形双曲面结构，平面为不规则类椭圆形状，且随高度不断变化。墙体设计为双曲面清水混凝土，墙体厚度为160mm，以楼层高度为横向明缝分格，以蝉缝作分块，以多弧线半径为渐变曲面。

2、工程特点及难点

    2.1本工程结构形式为空间异形双曲面结构，且作业面极其狭小，平面为不规则类椭圆形状，且随高度不断变化，给测量放线带来极大困难。

    2.2塔台外围墙体设计为空间异形双曲面清水混凝土，墙体厚度160mm，高度85.7m。给模板放样、配模、加工以及现场施工带来很大困难。

2.3清水混凝土施工对混凝土性能要求较高，无法添加起泡剂等外加剂，造成清水混凝土不适于泵送，而塔台高度为93.5米，如何调节配合比和添加剂使清水混凝土适合泵送是个难题。

3、方案选择

3.1根据塔台结构的特异性，作业面的限制，如果采用传统的普通全站仪进行测量控制比较困难，且效率很低，不能满足工期要求。公司经过考察学习引入测量机器人技术，并且创新性的将BIM和测量机器人结合起来解决此类结构测量控制的难题。

3.2由于本工程清水混凝土造型复杂，要求较高，普通模板很难达到要求，项目部通过考察和学习，在对模板体系深入研究的情况下，最终选用哑光覆膜ＰＶＣ板。为满足清水混凝土双曲面的造型，项目部决定采用BIM技术进行放样，并将BIM模型导入数控机床，将钢板切割成所需形状，作为模板龙骨。

3.3本工程清水混凝土高度较高、墙体较薄，采用塔吊进行混凝土浇筑较慢，影响工程进度及混凝土成型效果。对此，公司通过对多家商品混凝土公司的考察，选择一家有资质、有经验的厂商，通过配合比的调整和样板墙的施工，来确定最终方案。

4、方案设计

 4.1运用BIM技术行三维建模，确定建筑模型的三维几何尺寸和详细的三维坐标导入天宝RTS自动全站仪，用RTS自动全站仪在空间双曲面异形结构中测量放线。

4.2运用BIM技术进行模板的放样及配模控制，并建立模板加工车间，购入一整套的自动化清水模板加工设备对清水混凝土模板进行加工，将6mm厚钢板切割成单曲面弧形，作为模板龙骨，将15mm专用哑光覆膜ＰＶＣ板加固成双曲面,保证了清水混凝土外观造型。

4.3经过无数次的混凝土试配与样板浇筑，最终确定本配合比C：W：S：G：FN-W2：S95矿粉：粉煤灰为323:175:799:1034:8.3:50:42

5、施工工艺

清水混凝土优化比配制→模板体系的选择→模板的配置原则→面板的选择和加工→模板龙骨的加工→测量放线→钢筋绑扎→模板组装→混凝土泵送浇筑→成品保护。

6、操作要点

6.1清水混凝土优化比配制

为使清水混凝土具有良好的粘聚性，改善混凝土的表观质感，降低气泡量，减少收缩，除使用PVC模板、运输过程中匀速、慢速转动、延长搅拌时间外，在优化配合比设计中还应采取以下措施：

6.1.1在清水混凝土中加入颜色一致的Ⅰ级粉煤灰，它的“形态效应”能提高拌和物的流动性，不仅能够减少气泡，而且能使混凝土极易均匀的铺满整个模板，表面也显得更加细腻致密，外观更加平整光滑；

6.1.2加入苏博特聚塑酸外加剂，能有效的使气泡迅速破灭，而且能长时间阻止气泡的再生；

6.1.3严格控制清水混凝土水灰比，在改善施工和易性用水量的前提下，降低水灰比，提高清水混凝土的密实性、光滑性和耐久性；

6.1.4依照清水混凝土的施工要求进行清水混凝土配合比优化，通过大量的清水混凝土试配与样板墙的浇筑，最终确定本配合比C：W：S：G：FN-W2：S95矿粉：粉煤灰=323：175：799：1034：8.3：50：:42为泵送混凝土。各项检测指标满足规范要求。

6.2模板体系的选择

综合比较各种模板体系的优缺点，本工程计划选用6mm厚、8cm宽钢板龙骨＋50*50*2.5方钢组合体系模板，面板采用易围弧15mm专用哑光覆膜板（双曲面采用15mm厚哑光pvc模板）。脱模剂采用优质色拉油。

6.3模板配置原则

 6.3.1模板布置依照标准尺寸从墙体中间分别向两边均匀排布，对拉螺栓孔布置原则是横向成排、排列有序、间距均匀。另外要求模板拼缝位置与清水混凝土装饰凹槽面线和谐统一，明缝、蝉缝线条要求横平竖直、清晰美观、规则有序。

6.3.2模板设计原则是保证刚度、强度要求，牢固稳定，模板构造安全合理，规格尺寸精准，拼缝严密，便于组装和拆卸。

6.3.3模板排版应充分考虑预留洞口的位置，做到模板拼缝与洞口位置重合一致；预埋件、预留洞芯应与模板固定牢固，贴合严密。

6.3.4明缝、假眼和对拉螺栓的设计：

本工程选用￠14型对拉螺栓，具有截面精度容易控制、施工方便、表面干净整洁等优点。对拉螺杆间距根据弧面曲率，采用BIM技术进行设计，要做到排布有序，间距均匀。对拉螺栓安装与对拉螺栓配套的塑料堵头和套筒应有足够的强度，以免造成孔眼变形或漏浆，影响墙体平整度。另外增加柔性防水胶垫保护面板的平整光滑，并控制螺栓堵头与模板之间的缝隙，保证螺栓孔不跑浆。

1）明缝

本工程塔台设置横向与竖向明缝，横向明缝设置在各楼层分割处，宽度3cm，深度1.5cm；横向明缝采用梯形截面塑料条，用自攻螺丝将梯形截面塑料条固定在模板上，保证水平明缝要水平交圈；竖向明缝设置在塔台七根框架柱及北侧直面处，其中在TB，T2轴处设置竖向施工缝，明缝宽度5cm，深度4cm，竖向明缝使用压缩密度板裁剪成梯形，采用自攻螺丝固定在模板上，注意竖向明缝要上下竖直。

    2）假眼

清水饰面混凝土的外观要求美观、平整光滑，而螺栓的布置又必须按设计进行，但由于部分梁、柱、墙钢筋过于密集，或者两个方向上的对拉螺栓在同一标高，无法满足两个方向的螺栓都能安装，为了满足设计要求，工程上一般需设置假眼来达到清水混凝土的外观要求。假眼采用相同直径的堵头，用同直径的螺杆安装固定。

6.4面板的选择及加工

为便于本工程清水混凝土的模板配置，在现场搭建了专门的清水混凝土模板加工车间，并购买一套全自动模板加工及覆膜设备，以便于清水混凝土模板的制作与加工。

6.4.1选料：根据塔台外立面为空间异形双曲面的特征，面板采用易围弧15mm专用哑光覆膜板（双曲面采用15mm厚哑光pvc模板）为保证清水混凝土的饰面特征。加工时要注意多层覆膜面板是否平整、有无破损，夹板有无空隙、扭曲，边口是否整洁，厚度、形状等是否符合要求； 

6.4.2下料：根据建筑设计和模板使用部位的要求，运用BIM软件建模，形成完整的加工图和安装图，在模板施工时对每块墙模板进行设计编号，以便于墙模的安装，提高工作效率。

6.4.3研缝：为满足清水混凝土饰面分隔线的尺寸要求，切割后的模板需进行研缝加工，按照要求，加工高度比设计尺寸要小0.3mm，研缝成型后刷漆防潮保护并堆放整齐。

6.5模板龙骨的加工

模板龙骨是保证模板刚度、平整度、强度的有力保障，而模板龙骨加工的准确性更是保证清水混凝土质量关键。公司运用BIM技术进行模板的放样及配模控制，并建立模板加工车间，购入一整套的自动化清水模板加工设备对清水混凝土模板进行加工。

竖向背楞采用50*50*2.5方钢龙骨，强度高、操作灵活简便，加工时为保证木板与方钢龙骨连接牢固，每隔600mm钉2个螺钉，两个螺钉之间相距100mm，为保证清水混凝土的外观效果，螺钉严禁从面板一侧钉入。

横向背楞采用6mm厚钢板，使用全自动数控切割技术，根据墙体弧度曲线将钢板切割成单曲面弧度，横向背楞宽8cm。

6.6测量放线

运用BIM技术，revit进行三维建模，确定建筑模型的三维几何尺寸和详细的三维坐标导入天宝RTS自动全站仪。 针对清水混凝土外壁，用BIM精确放样之后，根据电脑算出实际尺寸，用RTS自动全站仪用相对坐标在平整地面放出大样并且保证每层截面的总弧长和每个轴线的精确位置。

对于核心筒放样，事先设置放线孔，圆弧部分工作面狭小且放点数量较多，放样前把BIM三维模型或CAD图纸导入自动全站仪，任意设置需要放样点，克服了普通全站仪输入数据缓慢且容易出错的问题，一层五六十个点基本两个小时左右完成，效率大大提高。

核心筒完成以后用RTS免棱镜功能对其混凝土墙壁进行校核，找出误差，并对下一层模板固定提出改正意见。

6.7钢筋放样绑扎

放样施工时必须考虑钢筋的穿插顺序和叠放位置，应重点考虑钢筋锚固长度、接头形式、搭接长度、接头位置等对钢筋绑扎的影响。竖向钢筋在浇筑混凝土前应校正，墙体钢筋接头采用焊接或搭接，接头应错开，拉筋与各排分布筋之间均需要绑扎牢固，不得漏绑。墙体钢筋绑扎时，钢筋扎丝的弯钩应弯向混凝土内，墙体拉结筋不得超长。当钢筋与对拉螺栓发生冲突时，宜遵循钢筋避让对拉螺栓的原则。

6.8清水混凝土泵送浇筑

6.8.1 混凝土浇筑

浇筑前应进行实验，本工程混凝土浇筑40m以下采用非泵送、40m以上固定泵泵送混凝土，塔吊配合浇筑。

对于清水混凝土墙体采用“自然流淌、斜面分层”的方法浇筑，当下料高度大于2m时，为防止浇筑时清水混凝土对钢筋骨架和模板造成较大冲击，导致钢筋骨架变形和涨模现象，采用在布料管上接软管伸到模板内的方法，保持浇筑落差不超过2m，保证施工质量。

浇筑混凝土时，应坚持“分层下料、分层振捣”的方法，每层混凝土浇筑厚度控制在500mm左右。采用标尺杆严格控制分层厚度，标尺杆每隔500mm刷红蓝标志线。按照“薄层浇筑、顺序推进”的原则进行浇筑，随着振捣的方向向前推进，确保混凝土浇筑质量。

6.8.2 混凝土的振捣

所有清水混凝土振捣采用φ35、φ50插入式振动棒，操作振动棒时应坚持“快插慢拔”的原则。插点应从中间开始向边缘分布，要求插点布置均匀、层层搭扣。振捣时应依照插点顺序移动，不得遗漏，确保清水混凝土振捣均匀密实。振捣时要垂直插入，掌握振捣时间，以防出现石子下沉，砂与水泥浆分离等质量问题。振捣棒移动间距一般为200mm至300mm，当遇有钢筋较密或梁柱节点时，振捣棒移动间距可控制在300mm左右。为使上下层混凝土结合成均匀密实的整体，要求振捣棒插入下层混凝土100mm左右。振捣过程中应避免碰撞模板，每一振点的振动时间应以混凝土表面出现翻浆、不再显著下沉、无大量气泡逸出为准，一般控制在20-30秒，剪力墙底层混凝土振捣时间控制在40秒，要避免过振离析。振捣过程应使振捣棒离混凝土表面保持不小于50mm的距离。沾在水平钢筋上的砂浆不能用振动棒振动上部钢筋传递振动使其振落，应用振动棒轻轻触碰使其下落，避免长时间滞留，影响质量。

6.9清水混凝土养护

为保证成品清水混凝土表面颜色光泽一致，自初凝之前就要对清水混凝土开始养护。

首先要控制拆模时间，依照清水混凝土的特性和质量要求，清水混凝土的拆模时间应比普通混凝土延长1-2倍。为了确保本工程清水混凝土质量，拆模时间严格控制在48h以上。

    其次当清水混凝土达到指定强度后，松动两侧模板，离缝约3～5mm，在墙体顶部覆盖薄膜浇水养护，使水分通过混凝土和模板的间隙渗入混凝土中。最后在拆除模板后用塑料薄膜包裹，边角接茬部位要包裹严密并压实，然后采用土工布进行覆盖养护，避免阳光直晒，养护时间不少于14天。本工程的墙体为斜面，浇筑前要在模板内设置振捣轨道，便于振动棒的拉拔和引气，减少砼表面的气泡。

结语：

该工程从2014年11月份开工，2015年9月份完工。在此次施工过程中，成功的解决了异形建筑施工难题，节约了施工成本，缩短了施工工期，工程质量得到甲方和监理单位的一致好评，为异形建筑施工的发展和推广提供了可参考的依据，为我公司进一步开拓市场奠定了基础。

参考文献：

[1]《清水混凝土应用技术规程》（JGJ169-2009）.

[2]《清水混凝土施工工艺标准》中国建筑工业出版社ISBN.

[3]《混凝土结构工程施工质量验收规范》（GB50204-2002）.

[4]刘数华《混凝土配合比设计》中国建材工业出版社。