三维弧形墙体工法

1、三维弧形墙体模板施工工法 青建集团股份公司 青岛一建集团有限公司张同波 邴启武 王胜 孙丛磊 1 前言随着经济的发展，人们对建筑的要求也在不断的提高，现代建筑不再是简单的满足使用功能，而且还要具有时代的特征和艺术的欣赏效果。因此，就出现了很多单面弧形，甚至三维弧形的墙体。而此类混凝土墙体如采用一次性模板则投入巨大，且造成资源浪费，如采用组合式小钢模板则难以保证墙体的外观质量。针对三维弧形墙体的技术难点，为了既能达到清水混凝土的效果，又能采用定型化模板，以降低费用、节约资源。青建集团股份公司研究了一种新型模板，其核心技术“三维弧形钢筋混凝土结构模板技术研究与应用”于2007年1月通过了青岛市科技

2、局组织的专家鉴定，总体技术水平达国际先进，该成果获得了2007年度山东省科技进步三等奖，并获2008年度山东省建筑业技术进步一等奖，本工法就是在此基础上编写形成的。2 工法特点2.0.1 模板定型化，可以调整双向弧度，适应三维弧形的变化，能够周转使用。模板耐久性好，周转次数多，费用低。2.0.2 施工工艺简单，操作方便，支模速度快，可以实现小节拍、快流水作业，能加快施工速度。2.0.3 墙体外观能达到清水混凝土的效果，无须抹灰可降低工程成本。3 适用范围本工法适用于空间曲线弧线混凝土结构，如三维弧形墙、卵形墙，扭曲形水坝等，也适用于平面曲线弧度混凝土结构（例如弧形墙）和一般形状的混凝土结构（例

3、如直墙）。4 工艺原理4.0.1 根据胶合板能弯曲的特性，利用可调节的螺栓和竖向钢龙骨系统使模板实现一个方向的平面弯曲；采用导墙板定位，使模板实现另一个方向的平面弯曲；从而达到设计要求的三维弧形墙体的形状，见图4.0.1。4.0.2 三维双曲面模板水平圆弧的设计与计算包括：1 以现代艺术中心艺术表演剧场墙体为例。该墙体形状为，以空间半径画弧，围绕水平半径运行所闭合成的面，见图4.0.2-1。2 随着墙体高度的增加，三维弧形墙体的水平半径不断减小，曲率不断增大。三维墙呈收势，上口小，下口大，同一块大模板，上口与下口水平圆心角度基本相同，半径分别为R上、R下，则弧长之比等同于半径之比R上/R下，任

4、一高度水平半径都可求的。假设下口模板宽度为a，则上口理想宽度为a(1 R上/R下)。模板上口较下口宽度应减小，以便能够安装到位。3 从图4.0.2-2中可以看出单块模板形状基本接近于梯形，考虑到模板的周转使用性与通用性，且三维墙体曲率较小，因此，将模板形状仍设计成矩形，并使不同层面模板宽度递减，以解决随墙体高度增加，水平弧长减小，致使模板无法安装的问题。这样就需要计算模板宽度递减值，模板宽度递减值即为下层模板的上口弧长与上层模板上口弧长之差：4 成品木胶合板尺寸为24401220，因此设定第一层模板上口弧长为L=4880，由此可求得上述公式中圆心角=360L/2R上。 图4.0.2-1 现代艺

5、术中心三维弧形墙体示意a）模板平面示意b）单张模板 c）导墙板 d）组装模板导墙板图4.0.1 三维弧线模板原理示意5 根据上述推导计算方法得出：1）一、二层胶合板大模板尺寸为2440mm1100mm；2）三、四层为2400mm1100mm3）第五层为2360mm1100mm不等的定型矩形模板材4）这样模板层与层间的宽度递减就得以解决。为解决同一层模板上口比下口弧长小无法安装的问题，可采用在基层模板与模板间预留间隔缝隙解决（间隔缝尺寸计算方法同上，见图4.0.2-3），计算结果需预留100mm缝隙。图4.0.2-2 模板上下宽度差计算示意6 采用胶合木板可以进行单面曲弧，根据模板上平面与下平面

6、高度不同计算出上面与下面的水平半径，根据此半径对木胶合板上口与下口分别曲弧，见图4.0.2-2。这样墙体水平圆弧就可以得到解决。图4.0.2-3 底层模板空隙预留示意7 三维双曲面模板空间圆弧曲线设计计算。由于木胶合板采用了单面曲弧，因此竖向弧为折线，需对折线与圆弧的偏差进行验算以确定模板高度，计算见公式4-1，简图见图4.0.2-4。 公式（4-1）根据公式4-1，对青岛现代艺术中心工程进行了验算。r=25m，h=1100mm时，则，此偏差值可以满足清水混凝土墙面的要求。图4.0.2-4 折线弧差计算示意5 工艺流程及操作要点5.1 工艺流程定位放线基层找平架设满堂脚手架内侧导墙板安装、校正

7、、固定内侧模板安装、校正钢筋绑扎穿单面模板对拉螺栓外侧导墙板安装、校正、固定外侧模板安装、校正对穿对拉螺栓支承体系加固报验混凝土浇筑 5.2 操作要点5.2.1 模板设计与构造包括：图5.2.1-1 单张模板设计与构造示意1 模板设计。模板宜采用优质胶合板模板，边框采用角钢，竖向龙骨采用弓字铁，弓字铁之间设左右丝以调整模板的水平弧度，见图5.2.1-1、图4.0.1。模板应按照图纸进行排版设计，单张模板尺寸应与胶合板相同，并根据结构竖向弧形的变化，适当调整上层模板的宽度，见工艺原理部分。2 导墙板应根据结构的竖向弧形进行设计，板材采用与模板相同的胶合板，边框采用角钢，并沿高度方向焊接一定数量的

8、48短钢管，以方便与模板支架的连结，见图5.2.1-2。图5.2.1-2 导墙板设计与构造示意5.2.2 模板的弧形处理。根据排版设计，计算出模板上下弧形的曲率半径，在现场放样曲弧。通过松紧模板上下的花篮螺丝，便可得到上下口不同弧度的曲线模板，见图4.0.1（b）。当花篮螺丝内收时，模板呈阳面圆弧（即内侧模板）；当花篮螺丝外撑时，模板呈阴面圆弧（即外侧模板）。经检查模板的弧度符合要求后，便按照其排版的位置进行编号。5.2.3 放线与导墙板的安装。根据排版图放出墙体导墙和模板的控制线（见图5.2.3），并留出导墙板与模板间的安装缝隙。导墙板安装并校正后，随即将导墙板上的连接钢管与外侧脚手架进行连

9、接、固定。图5.2.3 模板放线与导墙板安装示意5.2.4 内侧模板安装。导墙板验收合格后，便进行墙体内侧模板安装。模板的安装顺序是先下层后上层，平面上可以从中间或一侧开始。将模板按编号安装就位后，并用螺栓与导墙板连接固定。之后，再用弧线控制板检查模板的弧度，若有偏差，则用花篮螺丝进行微调。上层模板的安装工艺与下层相同，上层模板安装后，用螺栓与下层的模板顶部连接固定。C）安装完成b）上下层模板连接a）内侧模板安装图5.2.4 内侧模板安装示意预留空隙角钢封闭连接螺栓5.2.5 钢筋绑扎。内侧模板安装后，进行墙体钢筋的绑扎。墙体钢筋绑扎并验收后，在其骨架上焊好墙体厚度的控制筋。5.2.6 外侧模

10、板的安装工艺同内侧模板。为了避免由于墙体倾斜造成的内外模板螺栓孔不在同一水平面，使对拉螺栓安装困难的现象。在外侧模板安装前，先预穿对拉螺栓和其套管，待外侧模板安装完成，再穿过对拉螺栓将其固定。5.2.7 模板调整与加固。外侧模板安装到设计高度后，即进行墙体模板的整体验收，以及模板的加固和封堵。模板倾斜一侧应与楼板模板的支撑架体连接加固。5.2.8 拼缝处理。为了使用相同尺寸的模板，解决墙体上下弧长不一致的矛盾，按照第4.0.2条的计算，在下层模板之间预留间隙，间隙采用角钢封堵，见图4.0.2-3和图5.2.4。6 材料及机具设备6.1 材料模板及其配件的主要材料包括：20厚木胶合板，2.6厚钢

11、板制作的弓字形龙骨，3厚角钢，花篮螺丝，螺栓，0.3厚钢板，短钢管，见表6.1.1。表6.1.1 主要材料及配件名称规格型号名称规格型号1双面覆膜胶合板20mm厚、24401220mm4角钢505mm2弓字形龙骨钢板厚2.6mm5短钢管483.5mm3花篮螺丝M206螺栓M106.2 机具设备本工法采用塔吊进行模板的吊运、安装，其余工具同普通的模板施工。7 质量控制7.1 规范与标准 7.1.1 建筑工程施工工程质量验收统一标准GB 50300-20017.1.2 混凝土结构工程施工质量验收规范GB 50204-20027.1.3 混凝土结构设计规范GB 50010-200 7.1.4 本工法

12、除按一般模板安装的要求检查、验收外，还应进行弧度验收：1 水平方向由定做的水平靠板验收弧度，尺寸偏差应控制在5mm内。2 空间弧度可检测模板顶部与底部距离之差，尺寸偏差控制在10mm内。7.2 质量控制措施7.2.1 施工前要认真审学图纸，并根据设计图纸和排版图，放好三维墙体基层水平面圆弧线和施工控制线，然后将导墙板定位线放好，验线无误后，方可进行下道工序施工。7.2.2在工厂内完成部分模板加工后，应安排现场施工人员进行预拼装，熟悉安装的工艺流程和工艺要求。模板进场后，应检查模板及其配件的型号规格和尺寸偏差等。7.2.3 根据墙体曲面情况，大模板的平面尺寸可设计为不同规格，即由下层模板向上层模

13、板的尺寸依次递减。模板进场后，应根据设计尺寸，计算出每层大板上口及下口弧度，现场放样做出每层弧度控制板，再依据控制板，对每张大模板进行曲弧，并做出标记，验收合格后进行分类堆放。7.2.4 模板施工过程必须按步骤进行验收，包括：导墙板的验收，内侧模板的验收、外侧模板验收及整体验收。每层安装模板后，应验收其空间及水平弧度，水平曲率用专用的弧形样板靠尺检查；空间曲率通过吊线测投影距离，并结合定位导墙板确定其偏差。8 安全措施8.0.1 施工前，应编制专项施工方案，并对模板支撑系统进行验算。为了正确的掌握新型模板的操作要求，应对工人进行专项培训和安全技术交底8.0.2 施工时，操作人员应按要求正确佩戴

14、安全帽、安全带等劳动防护用品。8.0.3 大模板吊装时必须对模板的索具进行检查，并由专人负责吊装指挥。8.0.4 现场用电器开关应在二级配电箱上，做到一机一闸一漏保，漏电保护器应按时检查。8.0.5 现场使用的机电设备应做到“定人、定机、定设备”，严禁不具备专用资格的人员操作机电设备。8.0.6 拆除模板作业应在有关拆模的安全防护措施已经落实，并履行模板拆除申请审批手续后方可进行。9 环保措施9.0.1 进入现场的模板和已拆除下的模板脚手架等，应平面规划的要求分类整齐堆放。9.0.2 为了减少噪音污染，边角、堵头等模板的加工应在木工棚中进行。9.0.3 施工作业范围的楼层应采用密目网围护，木工

15、加工场应做有效的封闭，以防止扬尘和噪音超标，控制场界噪声限值为：夜间55DB、白天75DB。夜间施工应按照工程所在地环保部门要求进行，未经批准严禁夜间施工。9.0.4 加强对大模板安装和拆除的保护管理，以提高模板的周转次数，节约资源。10 效益分析10.1 经济效益10.1.1 以青岛现代艺术中心工程为例，综合考虑质量控制、成本造价以及对工期的影响等三个方面，与目前常用的五种可行方案进行经济分析比较，见表10.1.1-1和10.1.1-2。表10.1.1-1 方案名称及特性序 号方 案 名 称方案一小钢模加角模拼接，22螺纹钢作为水平龙骨，1m短钢管作为竖向龙骨。方案二竹胶板、木条拼接，加工圆

16、弧钢管作为水平、竖向龙骨。方案三定型大钢模方案四定型玻璃钢模板方案五三维弧形清水混凝土模板体系表10.1.1-2 造价分析序号方案名称平方米造价（元）支设面积（）本工程成本造价（元）不考虑周转本工程内周转次数单次造价（元/）方案一小钢模加角模拼装330.77240079384820168.16方案二竹胶板木条拼装234.562400562944/234.56方案三定型大钢模150024003600000/1500方案四定型玻璃钢模板80024001920000/800方案五三维弧形清水混凝土墙模板体系440.2124002600002079.0110.1.2 通过表10.1.1-2可以看出：虽

17、然方案五“三维弧形钢筋清水混凝土墙模板体系”的单位造价较高，但由于该模板体系可以周转使用，在青岛艺术中心工程实施过程中，只制作了全部模板面积的1/4，共计600，其成本却是最低，仅投入26万元。10.1.3 该模板体系与成本相对较低的小钢模加角模拼装施工方案相比，造价节省近70%。另外，使用该模板还能达到清水混凝土的效果，接受了抹灰费用，较大的降低了成本、加快了施工速度。10.2 社会与环保效益10.2.1 本工法应用定型、通用性的胶合板模板，能支设出达到清水效果的三维弧形墙体，模板周转次数达20以上，造价低，而且节约了社会资源。同时，由于节省了墙体的抹灰也可降低资源消耗。10.2.2 本工法

18、所研制的模板，除三维弧形墙体外，还可以用于各种圆形、弧形墙、直墙，应用范围较广，因此具有较高的推广应用价值。图11.1.1-1 三维弧形墙体平面示意图11 工程实例11.1 青岛现代艺术中心11.1.1工程概况。青岛现代艺术中心工程位于青岛市东海东路68号，毗邻石老人海水浴场。总建筑面积50000，分为三个子单位工程。其中艺术表演剧场3600（地下1000），建成后将成为集艺术培养和艺术休闲的特色建筑，该剧场地上2层的墙体为三维弧形墙体，见图11.1.1-1和图11.1.1-2。图11.1.1-2 三维墙体效果11.1.2 施工情况。该工程研究并应用了可周转使用的三维弧形墙体模板，施工过程中严

19、格按照本工法中的工艺流程和操作要点进行施工。墙体的外观质量达到了清水混凝土效果（见图11.1.2），较其他方案降低模板造价80万元，且缩短工期30天。此项技术的应用得到了业主及监理的一致好评。图11.1.2 三维弧形墙体模板应用效果11.1.3 应用效果。整个工程综合调试后，空调系统各部分运行平稳，各项参数均满足设计要求。从2006年3月开始施工，2006年11月主体结构验收完成，至今墙体结构稳定可靠，平面、空间定位符合设计要求，弧形墙面外观光滑，立体效果得到业主的肯定。该工程于2009年被评为“泰山杯”。11.2 青岛大剧院工程11.2.1 工程概况。青岛市大剧院选址在崂山区云岭路以西，南岭路以南，香港东路以北，商业广场中轴线以东区域。青岛国际啤酒城、国际会展中心、青岛博物馆、石老人海水浴场与之毗邻 。大剧院包括1600座的大剧场，1200座的音乐厅和400座的多功能厅及其