壳体结构在建筑平面设计和形体塑造上给予了建筑师巨大的创作空间[1-4]｡近年来,随着数字设计技术快速 发展,以自由曲面为基本结构形态的大跨度壳体结构层出 不穷,如大同市的大剧院[5-6]､武汉市的琴台美术馆[7-8]､ 上海市的第十届花博会世纪馆[9]等｡然而,虽然上述工 程为空间曲面混凝土壳体结构,但均采用单层异形壳的 设计形式,且壳体为等厚度[10]｡目前尚未出现多层叠合 变厚度混凝土异形壳的工程案例｡相比于单层等厚度异 形壳体结构,多层壳体结构体系受力模式更为复杂,对施工技术及管理也提出了更高的要求｡

本文以全球首例叠置双层大跨空间曲面预应力混凝土壳体结构——上海奉贤在水一方项目为背景工程开展 建造技术研究,成果可为今后类似工程提供借鉴｡

1、工程概况

在水一方项目位于上海市奉贤新城城市客厅——上海 之鱼核心区域｡项目东至湖畔路,南至雕塑艺术公园, 西至金海湖,北至唐草花园,总用地面积16 755 m2 ,建 筑面积29 576.7 m2 ,建筑高度为19.8 m,地上2层,地下1层｡

由于本项目楼面跨度较大,且存在大悬挑,相比 于钢结构,采用混凝土结构更能有效控制自振加速度问 题;此外,由于屋面有种植覆土,而且屋顶为双曲面, 采用钢结构壳虽可减轻自重,但加工难度会增加,造价 也会提高;而且,种植屋面需较好的防水效果,若采用 钢结构屋面,仍需1层连续的防水双曲界面,在建筑构 造上较难实现;最后,建筑内部需要连续均匀的界面完 成效果,如采用钢结构屋面,其内部需要再做吊顶,施 工难度较高,同时也会增加工程造价｡

基于上述考虑,结构体系采用了叠置双层大跨空间 曲面预应力混凝土壳体,该体系为本项目首创,国内外 均无以往案例参考(图1)｡

图1 在水一方整体效果图

如图2所示,本项目的上､下壳面为渐变厚度混 凝土壳:上壳面浅青色区域厚度为250~400 mm, 深青色区域厚度为400~800 mm,黄色区域厚度为 300 mm,红色区域厚度为700~1 300 mm;下壳面 浅粉色区域厚度为400~700 mm,深粉色区域厚度为 700~1 100 mm,橙色区域厚度为600 mm,红色区域厚 度为700~1 300 mm｡上､下2层壳面板的最大坡度分别 为28°和13°｡壳面边缘设置收边加强钢骨｡

图2 地上结构体系分解示意

连接上､下壳面的二层竖向构件主要有中心的2个 400 mm厚核心筒及外缘悬挑位置的6片700 mm厚X型钢 骨混凝土墙｡一层竖向构件除2个核心筒外,还有8个异 形混凝土山包及6根异形开花柱｡山包最大坡度48°, 异形开花柱直径1 800 mm,到顶部扩大至约4 000 mm｡

上壳面暗梁内布置有黏结预应力筋,暗梁位置内板厚600~700 mm,预应力筋规格为1×12⌀S 15.2 mm, 2×12⌀S 15.2 mm,间距为300~700 mm,居板厚中心曲 线布置｡通长束采用两端张拉的方式,核心筒位置短束 采用一端张拉的方式｡下壳面预应力筋规格相同,暗梁 位置内板厚1 000~1 200 mm,间距为350~700 mm;个 别区域内布置无黏结预应力筋,无黏结应力筋位置处板 厚450~1 100 mm,规格为2U⌀S 15.2 mm,间距为150､ 300 mm,居壳体底部高度为110 mm,随壳体起伏变化 布置(图3)｡

图3 壳面有黏结预应力束布置

2、难点分析及应对措施

本项目复杂的建筑形态及结构体系给施工方案的制定带来了较高的挑战,难点主要包括:

1)结构体系复杂,施工路线制定难度高｡本项目 结构体系复杂,施工工况的改变对结构受力机理影响显 著｡因此,如何让施工工况与设计工况相契合,符合结 构整体受力传递路径成为主要难点之一｡特别是从预应 力张拉到壳体卸载阶段,壳体的受力模式将发生本质性 的改变,由施工过程中支承在排架及临时钢立柱上的梁 板机制,转化为最终设计状态下支承在X型墙及山包､ 核心筒上的预应力拱壳机制｡如何顺利完成这一受力模 式的转变,是本项目极为突出的重难点｡

2)曲面混凝土形状复杂,支模浇筑难度高｡本 项目上下壳面､8个底部曲面山包及6根异形开花柱均 属于异形混凝土壳体结构｡其中上､下壳面板厚250~ 1 300 mm,最大坡度28°;底部曲面山包板厚300~ 950 mm,最大坡度48°｡曲面空间定位､超高超限支 模､模板加工､混凝土浇筑等难度极高｡

3)大跨度空间曲线预应力,精准施工难｡本项目 壳体的有､无黏结预应力筋,其空间分布复杂,预应力 施加过程､顺序繁琐｡预应力筋沿壳体起伏变化布置, 其形状为空间曲线,最长长度为120 m,预应力筋准确 定位､张拉难度大｡

3、关键技术研究

3.1 施工全过程数值模拟技术研究 为最大程度符合设计建造工况的要求,在项目策划阶段,项目技术团队采用通用有限元软件ANSYS对建造 全过程进行了分阶段､全过程工况的数值模拟分析,为 施工路线的最终制定提供了定量数据支撑｡特别是对于 壳面张拉及拆撑卸载阶段,通过反复分析试算,确定了 一系列控制方案,以确保结构完工后处于合理的受力状 态(图4)｡

图4 全过程数值模拟分析结果

1)在下壳面下方对应地下室柱网位置加设了 ⌀609 mm钢管作为承担上壳面浇筑时排架传递荷载的临 时支撑｡

2)在X型墙下方设置伺服千斤顶(图5),以确保 卸载时X型墙处显著的内力变化能够安全､平稳地完 成;千斤顶在上壳面张拉后即开始加载,每个千斤顶加 载值为500 kN,并在后续张拉､卸载工况中由伺服系统 控制加载值保持不变｡

图5 伺服千斤顶

3)经试算分析优化了上､下壳排架及⌀609 mm钢 管的拆除顺序,即按照尽量减小临时支撑对壳体受力转 换过程中变形趋势的阻碍的原则,优先拆除壳面预应力 张拉后受力集中区域的排架及临时支撑,从而最大程度 上确保了结构受力转换的顺利进行｡

3.2 复杂形态曲面混凝土模板支架体系研究

为了实现上､下壳面,山包,异形柱等复杂形态曲 面混凝土结构的建造,本项目在顶托节点､模板排架设 计,以及数字化深化､加工等方面开展了系列研究｡ 3.2.1 研发万向U型扣

由于双曲面壳体结构特殊性,立杆顶部标高及方向 多变,极易出现偏心受力的情况｡

为解决这一问题,项目部先后研发了2代万向U型 扣:第一代U型扣可放置在顶托内,与可调顶托紧密连接,解决顶托与水平钢管连接受力的问题,既避免偏 心,又可限制钢管的侧向位移,如图6(a)所示;第二 代U型扣由工厂一体化模具加工而成,经过承载力试验 验证其允许承载力超过30 kN,完全满足工程需求,如 图6(b)所示｡

图6 万向U型扣

3.2.2 曲面混凝土模板支架体系设计

考虑到本项目对排架体系承载力要求高,且标高多 变,而盘扣式支架恰好具有承载力高,且可通过立杆长 度选择､支座及顶托高度调节等方式灵活改变架体高度 的优势,因此,本项目选用了盘扣式模板支架｡

上壳面排架需要落于下壳面表面,部分下壳面排架 也需要落于山包表面,都需要保证立杆在起伏基础表面 上的稳定性､安全性｡为此,项目部设计了预埋钢筋式 基础平台､混凝土凿除+木楔垫块等基础节点构造,解 决了曲面上搭设排架的问题｡

此外,为了抵抗模板支架在混凝土浇筑中受到的侧 向分力,项目还采用了防滑设计:在排架顶部1步内间 隔设置2个方向的八字剪刀撑,并将顶托内钢管与水平 横杆连接,以避免顶托内钢管滑动;采用8# 铁丝将方木 与水平钢管连接,并在坡度超过20°位置设置楔形木块 与方木连接,以避免模板滑动｡

最终,为了验证万向U型扣及排架支撑体系的可靠 性,搭设了3 m×6 m的试验排架结构,用以模拟实际 施工过程中倾斜较大的曲面模板区域｡根据现场实际 施工工况,本次试验的堆载总荷载按照1 m厚混凝土板 考虑,整个试验区域总堆载质量45 t｡最终试验结果显 示,该排架体系能够充分满足现场实际施工的受力要求 (图7)｡

图7 倾斜模板支架体系堆载试验

3.2.3 模板排架数字深化定位技术研究

在排架深化阶段,为了精确､高效地确定上､下壳 面和山包等处的排架立杆标高,从而确保曲面结构的成 形效果,项目部利用BIM软件建立了壳面基山包的排架 系统模型,并利用程序提取单根立杆标高与定位,并导 出为标高定位图辅助现场施工(图8)｡

图8 立杆定位标高深化

在模板深化设计中,项目部通过BIM模型计算得到 上､下壳面及山包施工需要的曲面模板面积,为模板工 程量测算提供了参考依据[11]｡同时,针对上述曲面进行 曲率分析,并根据模板可塑性能设置曲率参数阈值,从 而将待施工模板区域划分成大曲率区和小曲率区｡大曲 率区模板采用小板密拼方式,以确保造型轮廓准确,同 时在模板底部加强方木支撑以契合曲率变化;小曲率区 则采用整板铺设,从而降低施工难度､提升施工效率｡ 此外,对于开花柱及山包洞口等模板构造复杂区域,项 目部还采用BIM模型进行了模板的数字化放样剖切,从 而降低了现场模板切割､拼装的难度,提升了施工效 率,并有效保证了复杂曲面结构的施工效果｡针对表面 要求高的异性开花柱,采用3D打印模板,综合考虑3D 打印的成本与时效性,将柱模型按每1.5 m高度进行横向 分段,分段模型经格式转换导入3D打印设备中进行异形 曲面模板分段打印(图9)｡

图9 开花柱模板深化及现场拼

在模板支架搭设完成后,项目部还采用三维扫描技 术对其进行模型偏差比对,并导出偏差比对分析图及位置坐标信息指导现场进行模架造型纠偏,从而保证最终 建筑效果符合设计预期(图10)｡

图10 山包模板三维扫描偏差比对

3.3 超长双曲面混凝土预应力施工技术研究

为了确保施工质量及效率,根据土建施工分区,对 沿对角线布置的预应力筋在施工缝位置处进行分段,其 余预应力筋均不分段｡分段后,除Y向绕核心筒布置的 长束需要结合土建施工分3次铺放完成,其余预应力筋 均可在本施工分区内一次施工完成(图11)｡

图11 预应力筋分段布置

预应力筋定位准确与否将直接影响到结构的安全性能,是预应力施工过程中非常重要的环节｡经研究,壳 体内有黏结预应力筋,定位方法选择利用壳体内腰筋波 纹管与支架钢筋,采用22# 扎丝绑扎牢固｡

壳体预应力筋张拉的原则为:先长束､后短束;先 有黏结预应力筋､后无黏结预应力筋｡整体张拉顺序应 遵循对称张拉的方式｡张拉采用4台智能千斤顶,每次 张拉2束预应力筋,下壳面张拉顺序见图12｡

经有限元计算分析,分批次张拉壳体暗梁内预应 力筋后,暗梁位置处壳体基本处于受压状态,压应力最 大为8 MPa;暗梁附近位置处局部壳体会产生拉应力, 拉应力最大为1.8 MPa｡计算结果均满足据GB 50010— 2010《混凝土结构设计规范》[12]要求,预应力分批施工 张拉顺序合理｡

3.4 数字化监控技术研究

为保证顺利施工,结构施工完成后能够满足规范及设计要求,上部结构施工过程采取数字化监测手段进行 指导施工(图13)｡

图12 下壳面预应力张拉批次示意

图13 高支模及预应力智能监测

在壳体浇筑阶段,采用排架自动化监测作为浇筑指 导[13];在张拉阶段,主要采用锚索计作为预应力施工指 导;在拆撑卸载阶段,采用壳面关键点位移､千斤顶钢 管轴力作为结构受力转换状态控制指标｡根据最终监测 结果,现阶段实测数据与设计计算数据､施工工况模拟 数据基本一致｡

4、建造实施

在充分前期策划及大量技术攻关的基础上,为了确 保项目施工顺利推进,项目部累计召开施工技术推进会 议50余次｡各工况施工均严格执行工况确认制度,现场 实际工况需确认与设计工况相符合,并经参建各方联合 验收方可继续施工｡此外,依托于项目管理平台及“天 网”技术的使用,本项目实现了施工现场24 h无死角实 时监控,有效保障了施工现场安全(图14)｡

项目上部结构建造自2022年9月开始施工策划,历 经19个月施工,于2024年4月顺利完成整体结构卸载工 作,上部结构正式施工完成｡

5、结语

本项目建造过程受到参建各方及部分专家学者的高度重视,于2024年6月6日召开“双层曲面混凝土壳体建 造技术总结会”｡与会领导及专家对在水一方项目的结 构施工予以充分肯定｡

本项目充分体现了数字化技术对建筑施工领域的赋能效果,将新型数字化建造和传统工匠精神完美结 合,在超前策划及精细化管理的基础上,最终实现了国 内外首例叠置双层大跨空间曲面预应力混凝土壳体的数 字化建造,可为今后类似工程提供参考｡

图14 “天网”系统24 h监控实时监控

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文章来源:龙莉波,马跃强,李卫红.双层大跨空间曲面预应力混凝土壳体结构建造技术研究[J].建筑施工,2024,46(12):1988-1992.