大跨度拱壳结构的发展与应用

2015-03-23潘国华

浙江建筑 2015年9期

关键词：薄壳银川跨度

金振，何勇，潘国华

JIN Zhen，HE Yong，PAN Guohua

(广厦建设集团有限责任公司，浙江杭州310012)

1 拱壳结构的发展

1.1 拱结构

拱结构是一种主要承受轴向压力并由两端推力维持平衡的曲线构件。东西方古国很早就产生了拱结构，如赵州桥、君士坦丁凯旋门、圣彼得大教堂、巴黎圣母院等。其中赵州桥是当今世界上现存最早、保存最完善的古代敞肩石拱桥(图1);君士坦丁凯旋门有3 个拱门，是罗马现存的凯旋门中最新的一座(图2);圣彼得大教堂呈罗马式建筑和巴洛克式建筑风格，属世界上最大的教堂，教堂正中是圆穹;巴黎圣母院是一座典型的哥特式教堂，全部采用石材建造，耗时近两个世纪才完工。

图1 赵州桥

图2 君士坦丁凯旋门

1.2 壳结构

壳，是一种曲面构件，主要承受各种作用产生的中面内的力。壳体由内、外两个曲面围成，是厚度t远小于中面最小曲率半径R 和平面尺寸的片状结构，薄壳是指t/R 小于0.05 的壳体。壳与拱的承载能力的区别:壳主要承受的是各种作用产生的中面应力，而不是以沿厚度变化的弯曲应力来抵抗外荷载;壳体以曲板承荷传力，不像拱是单向受荷传力的平面结构，而是双向受荷传力的空间结构，起双向“顶”的作用。壳体能充分利用材料强度，同时又能将承重与围护两种功能融合为一。

壳体结构的强度和刚度主要是利用了其几何形状的合理性，以材料直接受压来代替弯曲内力，从而充分发挥材料的潜力。因此壳体结构具有十分良好的承载性能，能以很小的厚度承受相当大的荷载，是一种强度高、刚度大、材料省的既经济又合理的结构形式。

壳体结构经常结合清水混凝土进行设计。清水混凝土是混凝土材料中最高级的表达形式，它显示的是一种最本质的美感，体现的是“素面朝天”的品位。清水混凝土具有朴实无华、自然沉稳的外观韵味，与生俱来的厚重与清雅是一些现代建筑材料无法效仿和媲美的。材料本身所拥有的柔软感、刚硬感、温暖感、冷漠感不仅对人的感官及精神产生影响，而且可以表达出建筑情感。因此建筑师们认为，这是一种高贵的朴素，看似简单，其实比金碧辉煌更具艺术效果。世界上著名的薄壳结构主要有以下几个工程:

费利克斯·坎德拉(Felix Candella)是世界上很有名望的壳混凝土(Shell concrete)工程师，他设计的著名建筑是建于1958年位于墨西哥城索奇米尔科(Xochimilco)的洛斯马纳迪阿勒斯餐厅(Los Manatiales restaurant，也叫Mantiales 大饭店)，是由8 个分离的双曲线形沿着彼此相接的谷线连接而成的清水混凝土薄壳，形状似八瓣花，壳体横向跨度超过45 m，却仅仅40 mm 厚。洛斯马纳迪阿勒斯餐厅的整体图和局部图分别见图3a)、图3b)。

图3 洛斯马纳迪阿勒斯餐厅

丹麦著名建筑大师约恩·乌松设计的混凝土薄壳结构的“悉尼歌剧院”，该歌剧院的贝壳状尖屋顶由预制混凝土后张预应力拱条组成，外表覆盖着105 万块白色或奶油色的瓷砖［1］。其造型“形若洁白蚌壳，宛如出海风帆”，成为全世界公认的艺术杰作，图4a)和图4b)分别是澳大利亚悉尼歌剧院正面图与背面图。

图4 澳大利亚悉尼歌剧院

建筑师E·沙里宁设计的纽约肯尼迪国际机场TWA 候机楼(环球航空公司候机楼)，工程于1962年竣工。见图5。该候机楼屋面采用混凝土薄壳结构的弯曲屋面，宛如一只展翅欲飞的大鸟，象征自由飞翔，被称为“世界上最有魅力的候机楼”［2］。

著名的瑞士建筑师海恩兹·伊斯勒(Heinz Isler)设计的瑞士南代廷根服务站(1968年)，该服务站由两个对称的自由形清水混凝土薄壳结构组成。见图6。平面上是三角形，长31 m，高11.5 m，壳体厚仅90 mm。看起来就像两片织物在空气中舒卷，并就此凝结。

图5 美国TWA 候机楼

图6 瑞士南代廷根服务站

建筑师山崎实(Yamsaki)设计的兰伯特圣路易市航空港(Lanbert-St. Louis International Airport)候机室，该候机厅由三组115 mm 厚的现浇钢筋混凝土壳体组成，每组由两个圆柱形曲面壳体正交，相接处设置采光带。兰伯特圣路易市航空港白天与夜晚的情景分别见图7a)、图7b)。

图7 兰伯特圣路易市航空港

2 清水混凝土结构的发展与特点

在我国，清水混凝土尚处于发展阶段，属于新兴的施工工艺，真正掌握此类建筑的设计和施工的单位并不多。清水混凝土最终的装饰效果，70%取决于混凝土的配合比与浇筑质量，30%取决于后期的透明保护喷涂施工，因此，清水混凝土对建筑施工水平是一种极大的挑战。

2.1 清水混凝土配合比

清水混凝土配合比设计和原材料质量控制非常严格，新拌混凝土必须具有极好的工作性和粘聚性，绝对不允许出现分层离析的现象。原材料产地必须统一，所用水泥尽可能是同一厂家同一批次的;砂、石的色泽和颗粒级配均匀。

清水混凝土组合物的配方，组分比例科学合理，其工作性能满足混凝土泵送与浇筑要求，可达到不泌水、不离析、收缩量小，成型后混凝土密实、质感强。配制大流态清水混凝土，具有混凝土施工时流动性好、和易性好、保水性好，以及坍落度经时损失小与可泵性强等优点，能保证成型后的混凝土强度，表面光泽好，色差满足饰面清水混凝土的质量要求。

2.2 清水混凝土模板工程

清水混凝土施工用的模板要求十分严格，需要根据建筑物进行专门设计，甚至定做，成本较高。模板必须具有足够的刚度，在混凝土侧压力作用下不允许有一点变形，以保证结构物的几何尺寸均匀与断面的一致，防止浆体流失［3］;其对模板的材料也有很高的要求，表面要平整光洁，且强度高、耐腐蚀，并具有一定的吸水性;对模板的接缝和固定模板的螺栓等，则要求接缝严密，要加密封条防止跑浆;固定模板的拉杆也需要用带金属帽或塑料扣，以便拆模时方便，由此减少混凝土表面的破损等。

2.3 清水混凝土的浇筑与养护

清水混凝土应连续浇筑，确保无冷缝，排除泌水，减少气泡，确保混凝土内实外光。清水混凝土如养护不当，表面极容易因失水而出现微裂缝，影响外观质量和耐久性。因此，对裸露的混凝土表面，应及时采用黏性薄膜或喷涂型养护膜覆盖，进行保湿养护。

清水混凝土结构不需要装饰，即舍去了涂料、饰面等化工产品;清水混凝土结构一次成型，不剔凿修补、不抹灰，于是减少了大量的建筑垃圾，有利于保护环境，因此清水混凝土是名副其实的绿色混凝土［4］。

3 大跨度清水混凝土拱壳结构的施工技术

3.1 银川车站工程

清水混凝土拱壳结构是拱与壳的结合，并采用了清水混凝土的结构。银川车站站房中部清水混凝土拱壳结构由拱与壳两部分组成，由3 对连续的单曲面薄壳、6 根单曲面拱梁和6 根双曲面拱梁组成。壳板厚度0.45 m，主拱半径31.787 m，副拱半径22.667 m，主副壳均属于薄壳结构［5］。银川车站效果图见图8。

图8 银川车站效果图

银川车站的造型设计充分汲取地域与民族元素，形成了融地域文化与现代风格为一体的独特建筑风貌，银川车站现场雪景见图9。它结合大跨度、大空间的使用要求，站房中部采用了古老而独特的拱壳结构体系，在满足功能与使用要求的同时，为整个建筑带来了独特的民族韵味。拱壳结构三维图见图10，其中大跨度的尖拱表达出了民族文化与建筑文化的力量，呈现出拱壳结构特有的力度美。

图9 银川车站现场雪景

图10 银川车站拱壳结构三维图

3.2 特点与难点

银川车站工程清水混凝土拱壳结构施工的主要特点与难点:

(1)拱壳结构清水混凝土要求表面为浅白色，具有高空、大跨度、异形等工程特点，实际施工时要采用大流态浅白色清水混凝土。

(2)高空大跨度清水混凝土拱壳模板承重架施工，模板承重架的搭设高度高，最高点达到38 m，拱壳结构的模板承重架受力复杂，水平杆也承受较大的荷载。双曲面梁与薄壳结构位置图见图11。

图11 银川车站双曲面梁与薄壳结构位置图

(3)高空大跨度清水混凝土拱壳模板面板施工，既要确保拱形曲面结构模板的强度、刚度与稳定性，更要确保混凝土异形结构的清水效果。

(4)安装难题是拱壳室内高空灯具、消防暖通等的设计优化与安装技术。

3.3 施工关键技术

针对清水混凝土拱壳结构的特点与难点展开了课题攻关，针对大流态浅白色清水混凝土配合比，高空大跨度清水混凝土拱壳模架与面板施工技术，拱壳结构清水混凝土浇筑养护与修复技术，清水面安装综合施工技术等，进行了优化总结，申报了浙江省的科研项目“高空大跨度清水混凝土拱壳结构施工技术”，克服了技术难题，成功完成了银川车站改造工程的施工。银川车站内部实景见图12。此工程获得了2012—2013年度中国建设工程鲁班奖，科研项目“高空大跨度清水混凝土拱壳结构施工技术”获得了浙江省科技厅科学技术奖三等奖。并且，为了攻克清水混凝土颜色、质感较单一的技术难题，申报了两项发明专利“制备白色饰面清水混凝土组合物的配方”(ZL201010511486.7)、“掺有矿渣粉的制备白色饰面清水混凝土的组合物”(ZL201210098596.4)，均已获得国家专利授权。