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建筑结构|复杂双曲面结构——琴台美术馆施工关键技术

2022-11-03 17:33:40 3079

摘要:琴台美术馆是国内外首个地景式复杂双曲面清水混凝土建筑,也是国内清水混凝土使用面积最大的单体民用建筑。由于剪力墙数量众多,设备管线及设施与结构交互关系错综复杂,各专业的配合工作量和设计难度远超常规工程,项目施工过程中采用了多项创新性技术,以确...

琴台美术馆是国内外首个地景式复杂双曲面清水混凝土建筑,也是国内清水混凝土使用面积最大的单体民用建筑。由于剪力墙数量众多,设备管线及设施与结构交互关系错综复杂,各专业的配合工作量和设计难度远超常规工程,项目施工过程中采用了多项创新性技术,以确保清水混凝土效果和结构安全。

鸟瞰效果图 ©大舍建筑

琴台美术馆雪景


创新成果


一、大面积复杂双曲面结构清水混凝土制配及应用

创新成果:双曲面壳体清水混凝土制配

通过配合比试验来研究各配合比因素对双曲面饰面清水混凝土的匀质性的影响,经过对各种配合比的双曲面饰面清水混凝土的施工性能的比较,及成型后试块表面气泡和颜色的比较,通过匀质性研究、抗裂性能及耐久性试验,最终确定施工性能比较合适的双曲面清水饰面混凝土配合比。

通过截取工程典型部位的双曲面屋盖结构制作尺寸18m×10m的1∶1实体样板模型,样板元素包含2片支撑屋盖的竖向清水混凝土墙体,屋盖包含实心板及密肋梁两种结构形式。

实体样板照片

实体样板验收


二、地景式复杂双曲面建筑测绘放样关键技术

创新成果一:基于参数化模型数据采集关键技术

基于屋盖Rhino模型及参数化编程插件Grasshopper,通过电池组文件编程,实现逻辑运算、生成所需网格节点空间坐标,再利用电池组文件对节点进行编号、排序,最后导出屋盖顶面和底面的节点数据文件,用于指导现场施工。双曲面壳体的网格化既考虑了密肋布置又考虑施工满堂架立杆间距要求,屋盖底面的节点数据编号与满堂架立杆编号一一对应,确保屋盖曲面放样准确。

Grasshopper电池组文件编程

钢管架立杆排版图


创新成果二:密集点群自动放样关键技术

通过测量机器人放样施工,测量人员可将屋盖三维模型提取后的数据(达4万多个)可直接快速用于现场不规则密集等高线的放样工作。测量机器人配置手簿与棱镜,通过无线连接蓝牙,利用测量机器与手簿信息互动实现一人一机完成单人放样工作。测量操作方便快捷,自动存储放样数据,同时可导出生成放样报告,当前点放样标识完自动跳转下一个放样点,实现放样测量效率大大提高,现场放样工作出色高效完成,且可自动分区分批进行坐标复验。

等高线放样数据录入

异形等高线结构空间模型建立

屋面等高线成型图片


三、地景式复杂双曲面清水混凝土建筑施工关键技术

创新成果一:复杂双曲面清水混凝土壳体结构施工关键技术

基于本工程双曲面清水混凝土屋盖结构净空大、板厚大、标高不规则以及成型质量要求高的四个特点,搭建了高达20m及以上的贝雷架式硬质施工平台,其上再搭设扣件式钢管满堂架,满足工程曲面形态及标高控制要求。该施工方案可大幅降低满堂架搭设高度,立杆间距可相应放大,纵横向间距700mm即可满足要求,整套施工支撑架体系可满足施工承载力、刚度及稳定性要求,既保证了施工安全又提高了施工效率。

综合应用BIM技术对贝雷架体系进行精准排版,避免建筑内复杂的墙柱体系发生冲突。通过在屋盖顶部预埋吊钩的方式解决架体室内拆除的问题。

贝雷架支撑体系方案设计

BIM模型精准排版

BIM模型精准排版

安全验算

双曲面屋盖采用的背楞体系既要满足双曲面造型的要求,又要保证施工效率和控制施工材料自重,因此体系的固定和连接方式不能采用大量焊接。为此,设计了一种现场定制弧形双钢管+变截面方木+清水木模板的模板体系。通过BIM模型生成对应每一根立杆位置的板底标高计算立杆顶托高度,调节完成后采用48.3mm×3.6mm普通双钢管弯曲与顶托贴合置于顶托之上,按照以直代曲的思路使用短方木通过钢丝固定于钢管,因不规则区域导致方木在顶托搭接处会形成错台,可以通过现场制作变截面方木,方形变为梯形,以保证曲面的自然平顺。

采用现场定制弧形双钢管+现场定制弧形方木+木模板体系,该方案施工效率高,成本及工期可控,成型效果可满足清水混凝土天花的观感要求。

实心板区域模板大样

密肋梁区域模板大样

结构封顶

贝雷架室内拆除


创新成果二:内置管线的空腔清水混凝土墙体施工关键技术

本工程采用了内置设备管线的空腔墙体设计,且空腔墙体净空小,基于以下施工技术难点:内侧模板无加固空间、无拆除空间和风管安装困难,研发了一种可单侧加固的一体化模板技术,由固定螺母+钢框+模板构成的一体化定制模板,该模板体系可在外侧完成空腔单墙的加固及拆除。通过角钢与方钢作为次楞焊接,将模板与角钢、方钢用螺丝连接成整体,两根8#槽钢作为主楞与方钢焊接,垫片与槽钢焊接,在垫片上穿孔,螺母与垫片焊接一体,螺杆由通过固定螺母从外侧拧入完成加固,拧出可完成拆除。

一体化模板设计图

一体化内侧模板节点图


空腔墙施工工序:先将空腔双墙的一侧单墙连同约束柱施工完成,最后使用一体化定制模板在外侧完成另一侧侧单墙封闭,浇筑完成后,螺杆从外侧取出,内侧模板通过塔吊从上部吊出。结合定制一体化模板可实现空腔墙施工完成后能实现模板方便拆除,风管顺利安装。

空腔墙实拍


创新成果三:异形清水混凝土柱帽施工关键技术

为了克服现有技术中圆柱异型变截面柱帽结构施工困难、成本高和施工效率低的技术缺陷。发明一种用于喇叭花式变截面异型圆柱帽结构的加固模板体系,克服现有技术中圆柱异型变截面柱帽结构施工困难、成本高和施工效率低的技术缺陷,达到异形清水混凝土柱帽效果。该技术模板结构简单、施工方便,可现场制作,且可以周转使用,降低施工成本,满足了变截面异型圆柱帽结构的施工要求。

异形柱帽加固体系立面图

异形柱帽加固体系平面图

现场成型照片

现场成型照片


实施效果


实施效果


项目信息

业主:武汉城市建设集团有限公司

建设地点:武汉汉阳区月湖西北片

设计单位:中信建筑设计研究总院有限公司

合作设计单位:上海大舍建筑设计事务所

施工单位:中建三局集团有限公司

建筑设计团队:叶炜、蔡晓鹏、邹淄旻、张晓

结构设计团队:温四清、王新、何小辉、金波

给排水设计团队:刘斌、谢家锋、丁兴辉

电气设计团队:孙雁波、张俊华、彭威

暖通设计团队:昌爱文、刘付伟、卢涛

幕墙设计团队:陶志雄、阎波

数字化团队:王胜明、周家俊、刘玲红

总建筑面积:约4.3万m2

设计时间:2017 年 4 月— 2018 年 8 月


图片来源:除特别注明外,其余图片或视频均由作者单位(中建三局总承包公司)提供。


供稿人:范立,中建三局琴台美术馆项目技术负责人。

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