双曲抛物面薄壳结构塔类建筑建设浅谈

彭钟

摘 要 薄壳结构一般是指由两个几何曲面构成的空间薄壁结构，该结构可以充分利用材料强度，形成造型奇特新颖且能适应各种使用需求的建筑。本文以某座灯塔建设为例，对双曲抛物面薄壳结构建筑的建设进行介绍。

关键词 双曲抛物面；薄壳结构；塔类；设计；施工

薄壳结构一般是指由两个几何曲面构成的空间薄壁结构，按曲面生成的形式分为筒壳、圆顶薄壳、双曲扁壳和双曲抛物面壳等，材料大都采用砼。薄壳结构的优点是能充分利用材料强度，依靠曲面内的双向轴力和顺剪力，把受到的压力均匀地分散到物体的各个部分，减少受到的压力，做到同时将承重与围护两种功能融合为一。本文以某座灯塔建设为例，对双曲抛物面薄壳结构建筑的建设进行介绍。

1 项目概况

海南某航标处近期完成了一座沿海灯塔建设。该灯塔位于海南省文昌市铜鼓岭东侧的铜鼓咀上，高度53.6米，灯塔共13层，建筑面积约990平方米。该灯塔基础为桩基础，主体结构为钢筋混凝土核心筒剪力墙结构，塔顶为定制铜灯笼。该建筑方案由深圳天合建筑设计事务所有限公司完成，由黑龙江集盛建筑设计有限公司海南分公司配合完成施工图的设计。建筑外立面为三片双曲抛物面薄壳结构和三条带状玻璃幕墙围护而成。该灯塔造型独特、结构新颖，以雕塑手法设计流畅平滑的曲面造型，上扬、外张的外形使其极具动感及上进之意，建筑效果图及竣工图如图1、图2所示。

2 基础形式简介

因本项目位置在铜鼓咀山顶，又在海南岛陆地最东侧位置，台风登陆频繁，2015年曾遭遇“威马逊”17级超强台风，故基本风压取值按照17级台风风压考虑，即取2.25KN/平方米。灯塔基础根据地勘资料采用冲孔灌注桩，承台为整体性优良的联合桩筏，以满足抗倾覆要求。基础总计采用24根直径800mm的灌注桩，桩有效长度约22米，桩位布置如图3所示。

3 塔身建筑结构形式及施工要点

根据建筑方案塔身修长高耸的特点，塔身结构主体设计采用钢筋混凝土剪力墙筒体结构，底层扩大平面的裙房采用框架—剪力墙结构。该灯塔在平面设计上采用中间圆形空间向外与3个圆弧空间组合，3个圆弧空间组合分别通过圆心有3条对称轴，灯塔平面整体形同一朵盛开的3瓣花，灯塔垂直交通系统由楼梯与一部电梯组成。塔体高宽比为9.0，长宽比为1.0。塔身平面尺寸由一层的边长20.785米，向上逐渐收窄，到第七层平面边长最小，为8.178米，再向上逐渐放大，到屋面层顶部的三片花瓣状造型边长为11.8米。

耐久性设计方面，此灯塔的设计合理使用年限为100年。为达到百年灯塔的设计目标，灯塔塔身必须具有可靠的抗震和耐自然侵蚀性能。本项目建筑抗震设防类别为乙类（重点设防），地基基础设计等级为甲级，主体结构的耐久性设计采取了以下措施：

（1）结构构件按三a类（海风环境）环境类别设计，使其耐久性应符合有关标准规定。

（2）对建筑物的耐久性采取加强措施：①采用商品预拌混凝土，强度等级为C40、抗渗等级为S8。②控制混凝土中的最大氯离子含量为0.06%。③控制混凝土中的最大堿含量为3.0kg/m3。④增加混凝土保护层厚度 （板、墙30mm，梁、柱40mm）。⑤在混凝土中，添加筑金液（DPS）等外加剂。⑥所有钢筋均采用高强钢筋HRB400。⑦结构构件中的受力钢筋采用环氧树脂涂层带肋钢筋。⑧在使用过程中，应定期维修。

施工方面，灯塔内部两个环形核心筒采用了滑模施工，减少了现场场地占用并保证了施工速度和结构整体性。核心筒之间的楼梯采取了植筋后浇混凝土的方式进行施工。平面最大半径为12m，最小4.7m，施工作业面狭窄，施工单位采用了综合（钢筋、模板、混凝土）班组以避免窝工，保证了工程进度。灯塔外立面的曲面构造虽然丰富了建筑造型，但是在进行外围薄壳结构施工时，无论是钢筋绑扎、模板支设还是浇筑混凝土，都非常费工、费时、费材料，对施工造成了一定的困难。过大的曲度造成了钢筋加工和绑扎的难度几何级增加。针对这种情况，施工单位购置了钢筋数控曲度加工机械，根据双曲面外壳的弧度数字化钢筋制作，并且逐渐积累曲面钢筋绑扎经验，加快速度；另一方面，普通木模板不论是混凝土成型的表面圆滑程度，还是模板本身的刚度都无法满足双曲面外壳的造型要求，施工方经与钢模板生产厂家沟通，根据施工图纸，将整个灯塔外围双曲面薄壳进行电脑建模，订制生产了一次性整体钢模。整体钢模每块高度1.8米，每两块3.6米高为一层。一次性整体钢模的使用保证了实际建筑造型与效果图的一致性，也确保了工程工期按计划进行。由于灯塔为双曲面结构，层高3.6米，薄壁造型剪力墙仅仅厚160mm，特别是灯塔第一层层高7.2m，是双曲面曲度最大的位置。大曲度也给混凝土浇筑振捣造成困难，常规50mm振动棒无法完全振捣到位，导致浇筑完成的混凝土存在蜂窝、麻面等通病。本工程通过购置30mm振动棒，针对性个别局部位置充分振捣，虽仍个别部位仍存在混凝土通病现象，但拆模后的观感效果得到较大幅度提高。

4 结束语

该双曲抛物面薄壳结构灯塔2016年9月开工建设，2017年12月完成。建设、设计、施工单位在工程设计和施工过程中遇到了一系列问题和困难，通过不断协调、解决问题，顺利完成了项目建设，积累丰富了双曲抛物面薄壳结构塔类建筑的建设经验。