异形双曲面清水混凝土屋面施工技术研究

赵文超

上海建工一建集团有限公司 上海 200120

随着国内建筑行业的高速发展，清水混凝土因设计新颖、造型独特、返璞归真的特点成为文化旅游、高端酒店等公共建筑的新宠。

为达到仿古屋面的成形观感质量，乐山游客中心项目设计采用了异形双曲面的结构形式，屋面悬挑最大可达3 m。轴网标高的定位控制、模板支撑体系的建立、混凝土的浇筑养护等屋面全施工过程都需精心策划、严格把控，以保证清水混凝土的外观成形效果。通过本工程异形双曲面清水混凝土的施工技术研究，可以为同类项目提供可靠的施工经验。

1 工程概况

乐山游客中心项目的总建筑面积为54 640 m2，其中地上建筑面积为19 982 m2，地下建筑面积为34 658 m2，地下1层为车库、地上4栋单体包含管理用房、游客中心、餐厅及商业等。

各栋单体均为双曲面异形混凝土屋面（图1），游客中心接待大厅及4栋单体的悬挑屋檐的可视顶棚区域为设计清水混凝土区域。

图1 屋顶梁结构示意

游客中心为双层屋面，最大高度为17.1 m，上、下2层屋面混凝土厚度为120 mm。悬挑采用每60 cm一道钢结构TO梁，屋檐混凝土厚度为100 mm。

2 双曲清水混凝土屋面施工重难点分析

2.1 标高定位控制精度要求高

双曲清水混凝土屋面为三维扭面，坡度为非线性坡度，屋面投影为非规则尺寸，且所有控制点结构标高均不同，施工图提供了超8 000个三维控制点。另外悬挑长度3 m的屋檐悬挑是以间距60 cm一根的钢结构TO梁椽子作为受力构件，钢结构椽子安装须与混凝土结构严格一致，定位困难、精度要求极高，但仍不能满足现场施工放样的相关要求。

因此，在支撑体系的设计上需满足设计造型、支撑可靠、实用经济的要求。

2.2 模板支撑体系设计难度大

该项目游客中心单体最大跨度21.5 m，最大高度15.1 m，屋面厚度120 mm。屋面为双曲流线型，屋面结构标高多变导致支撑体系立杆高度需精确调整。在满足超过一定规模的模板支撑体系的安全稳固的前提下，架体还要兼顾标高的精准控制。

另外，方直的模板、方木如何施工才能实现清水混凝土流线多变的成形效果，也是工程中的难点。

2.3 清水混凝土成形观感质量要求高

该工程屋顶的内天花板面要求是清水混凝土面，这就要求混凝土一次成形，拆模后无任何装饰措施。除此之外，设计效果要求清水混凝土表面达到自然的木纹肌理，除了要求模板表面顺滑，模板的拼缝、组合以及混凝土的配合比、浇筑养护也尤为重要。

3 关键施工技术

3.1 BIM精确模拟与1∶1试验段样板施工

该工程屋面工程造型新颖、结构复杂，整个屋面是双层曲面流线清水混凝土结构。

支撑架上为双层模板，分别为基层找形木模板和面层肌理木模板，如图2所示。

图2 模板支撑体系示意

为保证后续的顺利施工，避免工期和人工的不必要浪费，项目部先就其中复杂的节点进行了BIM精确模拟，同时根据模型在现场施工1∶1的试验段，以便在正式施工前识别清水混凝土质量控制、安全管理的风险点，积累成熟施工经验。

根据设计提供的屋面坐标，通过Revit插件Dynamo进行屋面轮廓的创建。将屋面与结构模型整合之后，通过将屋面投影到平面坐标系中即可确定屋面任一点的三维坐标、TO梁及其预埋件三维坐标以及模板支撑体系立杆的标高位置。

获得足量数据后，现场进行1∶1的试验段处理。

3.2 高精度基层模板支撑体系施工

3.2.1 模板支撑体系设计

本项目的双曲屋面因其屋面标高各不相同、平面投影不规则且搭设高度不高，采用扣件式钢管支撑体系，立杆顶部采用顶托调整高度[1]。

根据屋面投影平面的类扇形面在CAD中进行支架平面进行初步排布，立杆间距800 mm×800 mm，立杆步距1 500 mm，经验算，支撑体系满足荷载要求。

因模板平面的不规则，需要再进行优化设计，导出各立杆的平面坐标，利用Dynamo软件将其导入Revit，提取各立杆对应的屋面标高，扣除模板支撑后，即可确定支架的净高。

采用曲线微积分以直代曲的理念，选用双层模板体系，基层找形的模板采用尺寸为1 200 mm×2 400 mm的常规覆面竹胶合板，面层找形采用尺寸为120 mm×600 mm的小木模板。

3.2.2 模板支撑体系精确定位

在屋面投影线内浇筑厚100 mm的垫层作为支架基础，根据深化设计平面图对支撑体系进行测量放线，敷设工字钢（按深化的立杆间距焊接短钢筋定位）作为基座，立杆间距600～800 mm不等，步距为1 500 mm，顶部步距适当减小。

模板的定位是在支撑体系定位准确的基础上进行的。根据支撑体系立杆的高度，利用长6～8 m的钢管顺屋脊方向按立杆高度进行搭设，顶部采用顶托，垂直屋脊方向用长为1.0～1.5 m的方木进行铺设。充分利用杉木的可弯性对屋面支架进行初步找形，过程中利用全站仪进行标高复核，确保木楞的标高误差在1 cm以内，以保证基层模板的铺设精度。

3.2.3 基层模板及支撑体系搭设

根据方案设计的结果，将支撑立杆的长度进行分类统计，以避免因钢管长度不合适导致材料的浪费。基层模板的安装在已找形的钢管脚手架上进行，钢管支撑的高度采用顶托进行调节。

将覆面竹胶合板由梁边向屋脊铺设，铺设时利用全站仪同步复核标高，对存在高差较大的位置利用楔形木块进行调整，随铺随钉，直至基层铺设完成。

3.3 清水混凝土施工

3.3.1 面层肌理木模板

清水混凝土成形效果的关键之一就是面层肌理混凝土的施工质量。

从面层肌理木模板原材料的控制、底标高的控制、排板施工、成品保护等过程都要严格控制，确保清水混凝土蝉缝的形成，以实现清水混凝土的意象表达。面层肌理木模板的施工控制关键点如表1所示。

表1 面层肌理木模板施工控制关键点

3.3.2 配合比设计

清水混凝土原材料的选择严格参照《清水混凝土应用技术规程》执行，充分考虑清水混凝土表观质量要求，且本项目屋面为超长双曲面异形屋面，为降低超长结构引起的裂缝风险，在混凝土内掺入适量HCSA高性能混凝土膨胀剂和聚丙烯纤维。

根据试配，混凝土水中养护1 4 d的限制膨胀率≥2.0×10-4，膨胀剂掺量应为4.8 kg/m3。聚丙烯纤维掺量为0.9 kg/m3，纤维长度应＞19 mm，在混凝土内部形成较强的网状结构，使混凝土内部更加致密。

本项目屋面坡度最大为55°，平均坡度为44°，混凝土成形较困难，在混凝土试配时确定混凝土采用粗集料粒径最大为26.5 mm的级配良好的机制碎石，为减缓混凝土下滑速率，加入适量的减水剂。

为改善混凝土的可泵性，加入粉煤灰这种活性掺合料，最终确定混凝土坍落度为150 mm±20 mm。此坍落度混凝土可保证混凝土下滑量较低且能采用混凝土泵车进行泵送。

经多次试配，本工程混凝土质量配合比为：水泥 ∶水∶细集料∶粗集料∶粉煤灰∶减水剂∶膨胀剂∶聚丙烯纤维=320∶165∶752∶1 085∶70∶7.8∶42.5∶0.9。此配合比混凝土状态良好，和易性和触变性均满足要求，无离析、泌水现象，满足施工要求。

3.3.3 清水混凝土浇筑与振捣

双曲清水混凝土屋面选择在天气适宜的阴天浇筑，并提前掌握天气的实时变化情况。

浇筑前检测用电线路、施工机具等的安全性及实用性。浇筑应保证混凝土的均匀性和密实性，一次性连续浇筑成形。

浇筑时采用塔吊配合料斗施工，采用φ30 mm手提式轻型插入式振捣棒进行振捣。顺着坡屋面从高点向低处浇筑，沿坡屋面自檐口向屋脊方向，浇筑时自下而上，一边浇筑一边拍实，逐级向上进行浇筑，屋脊两侧应对称浇筑，以保证架体的稳定性，浇筑前保证模板内部清洁、无积水。依次循环进行施工，直至一个面或块完成为止。

3.3.4 养护与拆模

清水混凝土拆模后采用高分子养护膜养护，及时清理墙面周边材料及建筑垃圾。对于同一视觉范围内的混凝土，尽可能采取相同的养护条件，养护时间≥14 d，需比常规混凝土略长。

清水混凝土底模强度达到设计总强度的100%后方可进行。为保证木纹肌理的成形效果，拆除时应特别注意基层模板拆除后面层模板可能会附着在混凝土表面，现场面层模板严禁暴力拆除[2]。

4 结语

精准定位、模板支撑体系和混凝土配合比的选择是双曲清水混凝土屋面结构成形质量的关键因素。

通过对乐山大佛游客中心项目自由双曲面清水混凝土天花板施工技术的研究及应用，使得该项目清水混凝土屋面在安全性、经济性上都有良好的效果，质量控制方面达到了清水混凝土的设计要求，为后续类似工程项目的施工提供了宝贵经验[3]。