多曲率全弧外廓奇偶层交错退台现浇悬挑外边梁施工关键技术

练 达，张大斌，余 阳，陈玉发，刘 洋，丁习斌，罗 成，敖凌宇，曾 泽，李坤林

(1.中铁五局集团建筑工程有限责任公司，贵州 贵阳 550081；2.贵州大学 机械工程学院, 贵州 贵阳 550025；3.贵州师范大学 大数据与计算机科学学院，贵州 贵阳 550025；4.中铁五局集团有限公司，贵州 贵阳 550003)

多曲率弧形特征作为现代地标性建筑刚柔并进的美学重点表达形式，不仅要求具备使用功能，且愈发关注建筑的多方位美学形态[1]。要在确保建筑达到设计要求和保障施工安全的同时，又要达到建筑外轮廓曲面线形流畅美观的目的，使多曲率弧形结构在建筑施工全周期中存在精准定位难，模板制安、钢筋制安周期长、成本高，奇偶层交错退台结构支撑体系技术难题[2-4]。因此，开展多曲率全弧外廓奇偶层交错退台现浇混凝土悬挑外边梁施工技术及施工工艺的研究，具有重要的工程应用价值。

从目前的弧形结构施工技术研究现状来看，大多针对其模板支撑体系进行研究，而未针对这一结构特点(特别是弧形结构与奇偶层交错退台、曲率变化多等建筑特点相结合时)，提出一套完整的施工阶段全周期技术管理方法。为此，依托中铁五局集团建筑工程有限责任公司深圳市城市轨道交通6号线二期6111标段建设工程，开展多曲率全弧外廓奇偶层交错退台现浇混凝土悬挑外边梁的精准定位、模板制安、钢筋制安、外脚手架搭设等工序的施工工艺研究，研究过程中总结形成了一系列技术总结及成果，其中《多曲率全弧外廓奇偶层交错退台现浇混凝土悬挑外边梁施工工法》被评为2018—2019年度贵州省级施工工法(工法编号：GZGF144—2020)、《一种弧半径、弦长可调节的圆弧模板加工台》被国家知识产权局授权为实用新型专利(专利号：ZL201922229865.6)。本施工技术的创新及总结，可为同类工程项目提供技术参考。

1 工程背景

对深圳市城市轨道交通6号线二期6111标段建设工程进行实践研究。工程位于深圳市龙华新区梅观立交西北侧，新区大道与4号线以西，翠岭华庭以南。占地约10 hm2，建筑面积约6万m2，广深港客运专线隧道、厦深铁路正线隧道及厦深铁路联络线隧道下穿该地块。该工程1#、2#司机公寓楼所有结构边框架构件(梁)均为弧形结构，且建筑边框架构件(梁)奇数层与偶数层在同一轴线部位为相对正、负曲率的弧形结构。针对多曲率全弧外廓奇偶层交错退台现浇混凝土悬挑外边梁结构在施工过程中存在的技术难题，为确保建筑达到设计要求和保障施工安全，以达到建筑曲面线形流畅美观的目的，现场技术人员针对工程建筑施工定位、模板制安、钢筋制安、外脚手架搭设技术进行研究和实践。

2 关键技术及实施方法

2.1 技术及方法原理

本工程施工中，通过采用单位弧形构件端部等部位的控制点与建筑控制轴网间相对位置关系控制法及偏移圆心测量控制法，对弧形构件进行精确放样；弧形模板及钢筋制安采用根据设计参数提前预制好的轻量化模具作为下料参照，进行施工用模板及钢筋的制作、下料；奇偶层交错退台结构采用跨层支撑的方法施工模板支撑体系；退台结构形成的既有外架无法防护部位，采用模板拆除完成后的模板支撑架与既有外脚手架共同形成外围防护结构等方法，确保了多曲率奇偶层交错退台现浇混凝土悬挑边框架构件的施工安全及质量，同时达到大幅度节省施工成本、提高施工工效、缩短施工工期的目的。

2.2 施工技术特点

1)施工用弧形模板采用根据设计参数提前预制好的轻量化模具作为下料参照进行制作、下料，大幅度节约了定型化模板花费的成本。

2)模板支撑体系采用跨层搭设方法，较传统同层模板支撑简化了支撑体系构造，确保了模板支撑体系本质安全，缩短了施工工期。

3)外脚手架在结构交错退台部位采用模板拆除后的模板支撑架与外脚手架形成防护体系共同进行防护，避免了此部位须单独搭设外脚手架，大幅度节约了施工成本，缩短了施工工期。

4)根据弧形构件端部、中部、顶点等部位与建筑控制轴网间的相对位置，采用预制好的整体弧形构件模板，通过控制轴网对目标弧形构件进行放样定位，可免去复杂的仪器弧形线性放样，确保了弧形构件的弧曲面线性精准度。

5)异型钢筋制作、下料采用根据设计参数提前预制好的轻量化模具作为下料参照进行制作、下料，节约了异型钢筋数控机床加工的成本，同时较手工制作异型钢筋而言，确保了异型钢筋制作质量。

2.3 关键技术要点

1)施工工艺流程

多曲率全弧外廓奇偶层交错退台现浇混凝土悬挑外边梁施工工艺流程，见图1。

图1 施工工艺流程

2)关键技术要点

(1) 测量、放样

平面几何参数制法：根据设计图纸确定单位弧形构件的弦长、半径、弧长等几何参数；根据单位弧形构件几何参数定制单位构件模具作为施工混凝土模板或模板下料模具；根据目标放样弧形构件与建筑控制轴网间的相对位置，采用预制好的整体弧形构件模板，通过控制轴网对目标弧形构件进行整体放样定位。如图2，图中建筑外围一圈为悬挑弧形梁。

图2 目标放样构件

①选取单位弧形构件，并根据设计图纸获取该构件的弦长、半径、弧长等几何参数；

②绘制单位弧形构件几何平面图：如图3，选取图中弦长a的弧形悬挑梁作为研究对象，已知该构件的半径R1、弦长为a，梁宽已知，便可绘制出该构件的几何平面图，通过几何平面图定制单位构件模具作为施工混凝土模板或模板下料模具；

图3 单位弧形构件几何平面图

③根据目标放样弧形构件端部、中部、顶点等(该构件是以XL1、XL2、XL3端部作为相对平面控制位置依据)部位与建筑控制轴网间的相对位置，采用预制好的整体弧形构件模板，通过控制轴网对目标弧形构件进行整体放样定位。

(2)外廓脚手架搭设

①由于全弧外廓弧形边梁的结构形式为奇偶层交错退台(不同结构层在同一X方向轴线上的边框架结构，在同一Y方向轴线上，结构平面(投影)位置各异)现浇混凝结构，故由底至顶搭设的外脚手架在弧形边梁内凹结构层存在无法覆盖的防护面。

由于梁立面为曲面，且梁内凹层处需要的连墙件长度较大，为解决该连墙件施工的困难，我单位研究并实施了一种可旋转式连墙件，并应用了我单位自主研发的实用新型专利《一种连墙件》(专利号：ZL201620476004.1)。

②针对上述建筑外轮廓特点，提供以下外脚手架搭设方法。

③以实施项目为例，图4为建筑(奇数层外轮廓投影)外架排架图；图5为建筑(奇偶层重合外轮廓投影)外架排架图。

图4 外架排架图1

图5 外架排架图2

本例中，模板支撑架立杆间距900 mm，步距1 800 mm；通高外脚手架立杆纵距1 500 mm，步距1 800 mm。混凝土浇筑完成模板拆除后，留存外脚手架无法覆盖的防护面模板支撑架不予拆除(留存立杆及纵向水平杆)，并加设横向杆件与外脚手架连接(横向杆件与外脚手架连接部位距离外脚手架主节点<300 mm；加设的横向杆件纵距<1 500 mm，横距<1 800 mm)，使局部模板支撑架体与外脚手架形成防护体系，共同起到防护作用。搭设完成的模板支撑体系如图6、图7。模板支撑架体与外脚手架形成防护体系，如图8、图9。

图6 跨层搭设模板支撑体系模型示意1

图7 跨层搭设模板支撑体系模型示意2

图8 形成防护体系模型示意1

图9 形成防护体系模型示意2

(3)模板支撑架搭设

①由于全弧形边梁的结构形式为奇偶层交错退台现浇混凝结构，该弧形边梁模板支撑体系搭设前须编制专项施工方案。由于弧形边梁在奇偶层交错退台，故在退台层；弧形边梁模板支撑须跨层搭设。须逐一识别各部位模板支撑体系是否涉及住建部第37号令中规定的工程。图10为奇、偶数层结构图。

图10 奇、偶数层结构图

图示单体建筑结构层数17层，其中奇数层弧形外框悬挑架梁L1(48)与偶数层弧形外框架悬挑梁L2(48)在2-1轴至2-13轴交2-A轴、2-1轴至2-13轴交2-D轴部位均为奇偶交错退台结构(即奇数层梁L1与偶数层梁L2在同一平面位置的结构投影是不同的)。

②根据图11、图12，单层搭设的杆件为除边框架梁的结构模板支撑体系，跃层搭设的杆件为边框架梁模板支撑体系。

图11 边框架梁模板支撑体系模型示意1

图12 边框架梁模板支撑体系模型示意2

如图，由于7层2-4轴至2-5轴交2-A轴梁L1的投影位置为外凸，而6层同一部位梁投影位置为内凹，造成7层梁L1在6层无模板支撑体系搭设作业面，故采取跨层搭设：7层2-4轴至2-5轴交2-A轴梁L1的模板支撑体系从5层结构面开始搭设，搭设高度为5层净高+6层层高，支撑体系构造作构造验算。

(4)模板制安

根据设计弧形梁几何构造，定制专用模板。本施工技术提供模具法为弧形模板制安方法，并针对弧形模板工厂定制成本高的劣势，采用一种施工现场快速放样弧形构件的工作台。此工作台可根据弧形构件不同的半径、弧长，即时、手动进行放样。其施工工序为：

①底部模板下料：根据设计图纸，绘制出目标弧形构件底部模板平面几何图。据此平面图加工1 ∶1几何形状的目标弧形构件底部模板模具，施工用模板底模以此模具作为下料样板；

②底部模板放样定位：根据设计图纸中目标构件端部、中部、顶点等与建筑内控轴网有明确设计相对位置依据的部位，对目标构件底部模板进行放样；

③侧面模板安装：底部模板安装、校核完成后，根据底部模板弧形线型安装侧面模板(模板材料的延展性等物理性能满足冷弯延展性等要求)，安装时侧面模板安装的垂直度满足质量验收规范要求；

④加固：侧面模板加固次楞采取同梁高的木枋，主楞采取冷弯钢筋(钢材的延展性、伸长率等物理性能满足冷弯延展性等要求)，钢筋冷弯弧形线型可根据模板底模进行下料，楞梁排布构造满足模板支撑体系受力验算要求；

⑤弧形构件分段制作模具原则：可根据施工用模板单位最大尺寸对弧形构件模具进行分段加工。

根据图3单位弧形构件几何平面图可知，弦长为a的框架悬挑梁圆弧半径为R1，由此可绘制该构件底部模板平面图。根据工程实际，若弦长a相对较小，整体制作该构件底部模板模具较容易；若弦长a相对较大，整体制作该构件底部模板模具存在困难，可将该构件拆分成单位段分开制作模具，然后再拼装。本例中，工程混凝土模板使用木模板(915 mm×1 830 mm)，且弦长a>1 830 mm，为达技术效益，采用单位木模板作为该构件底部模板的一个单位段。图13为绘制弦长1 830mm、半径R1的圆弧构件底部模板平面图。根据模具加工出的底部模板一个单位段弦长、弧长、弧度均全等，将多个单位段拼装在一起满足构件几何尺寸即可。

图13 底部模板几何图形绘制图

(5)钢筋制作

①根据设计弧形梁要求，可采用数控机床加工弧形钢筋。

②模具法：根据设计图纸，绘制出目标弧形构件平面几何图。据此平面图加工1 ∶1几何形状的目标弧形构件模板模具。施工用钢筋以此模具作为下料样板，采用冷弯方法进行加工。

(6)混凝土浇筑

①模板、钢筋制安验收完成后，方可进行混凝土工序。

②混凝土浇筑工艺严格按照规范及操作流程进行施工。

③悬挑构件须达到设计混凝土抗压强度等级值的100%后，才可进行模板拆除作业。

3 工程应用效果

3.1 经济效益

本施工技术的经济效益主要表现在以下3个方面：混凝土模板采用本施工技术中的混凝土模板模具法，在技术角度解决了多曲率弧形模板施工问题，节约了使用定型化模板的费用；外脚手架搭设采用本施工技术中模板和支撑体系拆除后模板支撑架作为外架一部分的方法，节约了由底至顶外脚手架无法防护部位二次搭设防护架的费用。

以深圳市城市轨道交通6号线二期6111标段第五工区停车场分部1#、2#司机公寓楼为例，使用奇偶层交错退台现浇混凝土悬挑弧形外边梁的成套施工技术，节约成本约125元/建筑m2。项目单位工程共计：标准层35层，层高2.9 m，建筑面积约500 m2/层，悬挑弧形边梁单层累计弧长约为246 m，节约直接经济成本约138.8万元；节约工期约53 d，节约钢管、钢模板等周转钢材约23 t。

此外，在国际山地旅游联盟总部项目中，本施工技术在项目南、北侧地下室主体结构工程成功实施，工程量共计：弧形梁截面尺寸为300 mm×500 mm、500 mm×800 mm，累计弧长约为2 368 m。采用本施工技术后节约直接经济成本约86.8 万元；节约工期约51 d，节约钢管、钢模板等周转钢材约19 t。

3.2 社会效益

多曲率全弧外廓奇偶交错退台现浇悬挑外边梁施工关键技术已在深圳市城市轨道交通6号线二期6111标段第五工区停车场分部1#、2#司机公寓楼和国际山地旅游联盟总部项目中得到成功应用。

该技术针对边框架构件为奇偶层交错退台的多曲率弧形现浇悬挑构件提供了施工全周期操作方法,不仅在弧形构件模板支撑体系施工工艺上进行创新，更着眼于施工全周期各工序的提质增效，为该类建筑提供了创新实用、工艺流程相对完备的施工方法和操作细则。本项施工技术推动了建筑界在该类建筑领域施工技术的发展和进步，同时为依托工程项目交付高质量的产品打下了坚实基础。此外，其施工关键技术的应用和实施，以践行节约、绿色、环保的施工理念为出发点，展现了良好的现场安全文明施工状况，受到了参建各方和社会各界的好评，取得了良好的经济效益和社会效益。

4 结语

为解决多曲率弧形特征建筑技术难题，对多曲率全弧外廓奇偶层交错退台现浇混凝土悬挑外边梁进行了研究和实践。通过对施工定位、模板制安、钢筋制安、外脚手架搭设技术的分析和论证，成功解决了多曲率全弧外廓奇偶层交错退台现浇混凝土悬挑外边梁结构在施工过程中存在的技术难题。同时，该方法也较传统施工技术大幅度节约了成本并缩短了工期，达到了较好的施工效果，可以为同类工程提供较好的经验参考和技术借鉴。