清水混凝土建筑分形协同建造关键技术*

江 筠,张 勇,刘 伙,徐 微,唐小斑

(武汉建工集团股份有限责任公司,湖北 武汉 430056)

0 引言

随着我国经济水平的提高与建筑行业的蓬勃发展,人们对建筑的需求已不仅仅局限于满足功能性、实用性,同时对建筑物的美观性、工业化建造和环保性等方面也提出了新的要求。现浇饰面混凝土(俗称清水混凝土),因其独特的质感和环保性在此背景下逐渐被大型公共建筑广泛使用。现阶段的清水混凝土施工大多只将建筑主体和装饰装修结合考虑,而未将主体、机电安装、智能化、装饰装修一并考虑,从而导致后期安装、拆改等诸多问题。为避免后期安装、装饰过程中对结构进行拆改,降低施工成本,同时确保建筑使用功能及工程施工质量,本文以国家网络安全人才培训中心工程项目的信息综合楼核心筒、清水剪力墙和钢骨柱为实例,通过施工策划、技术研究及技术攻关,形成了一套成熟的清水混凝土结构施工与成品保护技术。该技术工艺成熟,技术先进,有效解决了清水混凝土结构施工及后期安装、装饰等施工难点,同时提高了工作效率,保证了施工质量,降低了施工难度及劳动成本。

1 工程概况

信息综合楼是国家网络安全基地的标志性建筑之一,地下1层,地上5层,总建筑面积43 667m2,结构采用大跨度钢框架-剪力墙组合结构形式,清水剪力墙、钢骨柱等竖向结构布置在建筑四角,中部为钢桁架。竖向结构由清水剪力墙组成的4个核心筒和16根1 500mm×1 500mm劲性钢骨柱构成(见图1)。竖向结构的饰面清水混凝土最大单块表面积为250m2,钢骨柱的饰面清水混凝土表面积约 8 000m2。 清水混凝土模板采用18mm厚WISA板作为面板,几字梁型钢(40mm×60mm×3mm)作为竖向背楞,定制型钢(70mm×100mm×3mm)作为横向背楞,对拉螺杆采用M16高强多拉螺杆和部分三段式止水螺杆相结合,钢骨柱四周的柱角采用30mm倒角条倒圆角,堵头及假眼采用清水混凝土专用堵头。

图1 信息综合楼

2 关键技术难点

2.1 清水核心筒多专业复杂系统协同设计与管理难点

信息综合楼的清水混凝土极具特色,设计过程中需多专业复杂系统协同设计,施工过程中需复杂工艺与工序协同管理,其施工质量对结构及外观影响非常大。针对清水核心筒的耐久性、美观性、工程造价、绿色节能等关键点,采用何种施工方案及质量控制技术尤为关键。一方面,需在设计阶段明确清水核心筒的建筑功能划分、模板规格及对拉螺杆精准定位;另一方面,以协同管理为核心,利用TOPSIS法对清水混凝土施工方案进行评价优选。

2.2 清水混凝土模板工程技术难点

清水核心筒结构边长为12.5m,剪力墙厚为300mm,核心筒4个阳角为圆弧形,即1/4圆(外径为1 800mm),层高为4 800mm。弧面与平面相交,根据各专业系统需在墙体预留不同尺寸的洞口及设置预埋件,而劲性清水混凝土钢骨柱无法按常规施工进行中部穿丝杆,在施工过程中极易发生跑模、胀模、“鼓肚”、错台、漏浆等质量问题。清水混凝土一次成活,完成面即为成型面,不允许二次开洞,模板安装与其他专业工艺和工序必须有效协同,因此,模板工程的精益安装及支撑体系设计、施工难度大。

2.3 清水混凝土钢筋工程技术难点

清水混凝土对钢筋工程绑扎质量要求高,核心筒结构剪力墙钢筋水平筋φ12@150mm,纵向分布筋φ10@200mm, 四周弧形区域钢筋绑扎难以保证有效的钢筋保护层厚度,易发生无法合模、露筋、泛锈等质量问题而造成返工。清水核心筒专业系统多,预留洞口、预埋件多,难以对复杂的钢筋进行精确定位,钢筋定位不准确,易影响下道模板工序的施工进度和混凝土浇筑质量。因此,需对钢筋工程进行技术攻关,从翻样、制作、绑扎多环节进行控制。

2.4 清水混凝土成品保护技术难点

饰面清水混凝土浇筑完成面即为最终成型面,清水剪力墙和钢骨柱施工完成后,后续有二次结构、楼层阳台防水、幕墙及精装修等分项工程施工,施工工序多、时间长。在此期间,清水混凝土成型面长期处于裸露状态,清水饰面污染风险高,而目前施工现场用夹板或塑料薄膜覆盖保护,操作麻烦、易损坏、利用率低、材料消耗大、次生垃圾多、对环境污染大,而且需在清水饰面上打孔用螺栓固定,对清水混凝土造成一定程度的破坏。因此,装饰孔、阴阳角、模板拼缝、清水墙、清水预制楼梯等重要节点部位必须进行成品保护的技术攻关。

3 清水混凝土建筑分形协同建造技术

3.1 清水核心筒多专业复杂系统分形协同技术

3.1.1清水核心筒多专业复杂系统协同设计

在工程施工前,设计院通过应用一体化技术,将全专业方案协同设计、施工图设计等汇总设计成果上传至数据整合平台,再将整合的数据上传至云平台,实现数据的实时共享,提高各专业设计的契合度。通过数据整合平台对各专业设计数据的高度集成,检查各专业设计间的碰撞点、交叉面和遗漏点,及时调整优化,寻求最优设计方案,进行协同设计。结合优化后的设计数据,指导建筑、结构、机电、暖通、消防及给排水等专业设计单位在套管、洞口预留、消防箱、灭火器箱及立管等方面进行图纸深化。通过多专业复杂系统协同设计,有效提高设计的准确性,减少设计缺陷(见图2)。

图2 系统协同流程

3.1.2清水核心筒多专业复杂系统协同管理

3.1.2.1清水核心筒多专业复杂系统协同管理

清水核心筒多专业系统在有限的空间中密集排布,必须进行协同管理。建筑(饰面清水混凝土、电梯、装配式楼梯、卫生间等)、结构(钢筋模板、混凝土、钢结构工程)、给排水、机电、消防、暖通、智能等多专业系统均设置在4个核心筒(156m2/个)内,管线交叉复杂、空间紧凑、集成度高(见图3)。施工单位利用数据整合平台中的各专业设计BIM模型,对清水核心筒各专业的交叉施工进行三维可视化模拟,发现图纸问题,及时优化调整建筑结构的标高、尺寸,机电安装预埋件及洞口位置、尺寸等参数;再根据优化后的图纸和模型进行深入分析,针对具体的重难点分项工程,编制有针对性的、可操作的、合理可行的施工方案,指导现场施工,有效提高施工效率(见图4)。

图3 机电安装系统与清水混凝土墙关系

图4 信息综合楼及核心筒系统协同管理

3.1.2.2基于TOPSIS法的设计方案比选

在核心筒工程设计阶段针对核心筒耐久性、美观性、工程造价、绿色建筑采用TOPSIS法对饰面现浇清水混凝土(A)、仿清水混凝土(B)、现浇混凝土+装饰清水混凝土挂板(C)等进行方案比选:墙面的美观性以平整度、垂直度和接缝宽度3个指标予以控制(见表1),具体量化数值参考DB11/T 464—2015《建筑工程清水混凝土施工技术规程》、JGJ 169—2009《清水混凝土应用技术规程》、GB 50210—2018《建筑装饰装修工程质量验收标准》。

表1 核心筒清水方案指标情况

4个评价指标类型、属性及量纲不同,须对这些指标进行标准化处理后才能定量、定性地对其综合评价,耐久性、美观性为正指标,成本和空间利用为逆指标,首先需将所有指标同趋势化处理。即令原始数据中低优指标Xij(i=1,2,…,n;j=1,2,…,m)通过X′ij=1/Xij变换而转化成高优指标,核心筒的耐久性、美观性、成本和空间4个指标进行同趋势化处理,可得到指标转化值(见表2)。

表2 核心筒指标转化值

(1)

(2)

Ci在0与1之间取值,Ci越接近1,表示该评价对象越接近最优水平;反之,越接近0,表示该评价对象越接近最劣水平。不同施工方案指标值与最优值的相对接近程度及排序结果如表3所示。

表3 核心筒指标值与最优值排序结果

按Ci大小将各指标排序,Ci越大表示综合效果越好,如表3所示,A最优。

3.1.3饰面清水核心筒禅缝分形建造策划

每层清水混凝土剪力墙由若干①号块(4.5m×3m)组成,根据分形理论,将清水混凝土①号块进行分形,成为9个②号块(1.5m×1m),即为一块清水混凝土模板。在②号块的基础上继续分形成为9个③号块(0.5m×0.33m),再在③号块的基础上继续分形成为9个④号块(0.16m×0.11m),即为固定清水混凝土模板的对拉螺栓孔,即清水混凝土成型后的装饰孔。在门窗、消火栓、电梯洞口等位置按分形块提前预留空出,后期安装门窗、消火栓(见表4和图5)。

表4 清水混凝土1～5层分形自相似块统计

图5 饰面清水混凝土1～5层分形(单位:m)

针对4种不同尺度层级的自相似块,分别统计每个核心筒不同自相似块个数,其中①～④号块具有明显的比例关系,构成自相似集,计算由这4种块组成的分形的豪斯多夫维数,与谢尔宾斯基类似。

式中:D为自相似维数;N为缩小后所形成的相似图形数量;r为分形图形的缩小倍数。

3.2 清水混凝土建筑关键工艺及节点技术

3.2.1清水混凝土模板工程质量精益控制

曲面墙体模板采用现场加工组合模板支撑体系,经深入研究,提出基于智能建造的饰面清水混凝土结构施工方法,将智能建造平台上模板信息导入机床对模板进行机械化加工。在数控机床上,背离混凝土面的模板每隔25mm切割宽为5mm、深为10mm的凹槽,按丝杆深化排版图钻出预留洞口加工出模板;用机床按结构平面形状分段用模板切割宽度为120mm小横楞,同时用模板制作出宽度30mm固定条,将模板沿小横楞边缘弯曲用射钉临时固定,再将固定条弯曲与模板及小横楞用射钉正式固定牢固,采用射钉固定且整体呈曲面体,根据施工位置粘贴二维码(见图6)。

图6 清水混凝土模板节点设计(单位:m)

复杂节点模板体系设计,依据装饰工程规范要求定位控制,模板安装如图7所示,首先采用红外激光仪扫出模板支设控制线,用墨斗在地上弹出控制线,然后在地面装饰层标高以下焊接定位支撑,再搭设模板,两对边模板用对拉螺杆固定牢靠。

图7 清水混凝土模板体系定位安装

1 500mm×1 500mm劲性清水混凝土柱,在钢结构构件加工时,根据深化图纸装饰孔的位置,在型钢柱工厂加工时安装焊接丝杆套筒,主背楞中部支撑通过丝杆套筒固定在型钢柱上,保证对拉螺杆的位置准确,稳定地加固钢骨柱模板(见图8)。

图8 钢骨柱模板加固

3.2.2清水混凝土钢筋工程质量精益控制技术

清水混凝土钢筋工程,先施工单侧模板再绑扎钢筋,然后施工另一侧模板。先立单侧模板矫正安装机电预埋盒、预留洞口。钢筋工程施工时按模板的弧度梅花形卡塑料保护层卡环(5个/m2)进行绑扎,再施工另一侧模板。钢筋绑扎的扎丝丝头置于内侧,保护层厚度均匀,无露筋、无法合模等现象。钢筋表面清洁无浮锈,选用与混凝土表面颜色接近的垫块,厚30mm,间距600mm×600mm,呈梅花形布置,垫块位置、间距应准确,墙体水平筋绑扎时多绑2道定位筋,高出板面400mm,以防止墙体插筋移位。竖向筋绑扎前应根据排布好的螺杆眼位置进行定位,竖向筋位置需避开螺杆眼位置并事先进行调整。墙筋绑扎时清水面丝扣应满绑,扎丝多余部分向内弯折,以防外露导致混凝土表面出现锈斑(见图9)。

图9 清水混凝土模板拼装过程

3.2.3饰面清水混凝土成品保护技术

在结构施工过程中楼面存在积水,为防止毛细水污染饰面清水混凝土墙面,在清水墙脚做水泥砂浆R角(100mm)保护。清水混凝土装饰孔采用清水混凝土装饰孔装置,既美观又能防止在施工和使用过程中缺棱掉角。根据施工工艺和工期要求,清水混凝土至少需做2次成品保护(主体结构施工阶段、装饰施工阶段),目前施工现场用夹板或塑料薄膜覆盖保护,操作麻烦、易损坏、垃圾多,对环境污染大。针对这一问题采用用于清水混凝土墙成品保护的装置,将可周转使用的膨胀螺栓固定在丝杆孔即可实现,成品保护效果好。清水装配式预制楼梯成品保护采用基于卯榫结构原理的预制楼梯成品保护装置对梯面及阳角进行保护,卯榫装置拼装组合便捷、安全系数高、使用过程稳定(见图10)。

图10 清水混凝土墙柱成品保护及成型效果

3.2.4清水混凝土关键节点精益控制技术

1)清水混凝土模板拼缝节点控制 两相邻清水混凝土模板间的水平缝和垂直缝节点质量的控制直接影响混凝土施工时的跑模、胀模,还会影响成型后的平整度,对观感质量影响大。两相邻模板间用加固件连接并用自攻螺钉固定,在中部位置适当加密,保证两相邻模板严丝合缝,确保清水混凝土浇筑成型面平整无错台起坎现象。浇筑混凝土前,两相邻模板间的水平缝和垂直缝务必采取粘贴双面泡沫胶,保证浇筑混凝土过程中不出现漏浆问题(见图11)。

图11 模板拼缝示意

2)预留盒与模板节点控制 清水混凝土墙完成面即为最终成型面,各专业系统的洞口必须在钢筋绑扎、模板支设时预留好。清水混凝土墙上的消防箱箱体预留盒、消防立管预留盒、水平管预留盒阳角处模板相交处各切45°角,再用射钉连接,降低跑模风险,保证各预留盒的精准定位。预留孔、洞及线盒的安装,依据预埋的孔、洞、套管和线盒位置,在清水混凝土模板大样图上详细注明其位置,便于模板加工及安装时精确测量并画出位置线,依据预埋的钢管和线盒将来外露形状,用WISA板裁成同其外形相同且比外形尺寸大3mm的板块,将该板块与模板固定,模板支设完成后,从另一边精确调整所需预埋的钢管和线盒,使其处于附加板上,并将所需预埋的钢管和线盒固定牢固,同时用玻璃胶缝隙封堵严密(见图12)。

图12 预埋盒模板相交处处理

3)结构阳角节点控制 考虑钢骨柱阳角成型后美观度,在钢骨柱钢筋绑扎、模板支设的同时,在结构阳角处模板内侧单独设计通长的阳角弧形装饰条。采用螺纹钩对阳角弧形装饰条进行加固,结构阳角部位的背楞要预留20～30mm的间距,用于螺纹钩连接紧固,二次加固,然后插入销钉,使阳角弧形装饰条与模板固定牢靠。调整对拉螺杆上的旋钮,保证结构阳角达到水平90°,再与混凝土同时浇筑,能保证结构阳角美观、线条顺直,防止阳角胀模产生“鼓肚”现象(见图13)。

图13 结构阳角节点

4)清水混凝土墙样板标准控制 通过试配及现场试验,经建筑设计师选定后,现场制作清水样板墙,对存在的问题及时进行解决。清水样板墙实施后,发现有气泡偏多等问题,经过仔细研究分析,混凝土配合比不当导致其工作性能不能满足质量要求,为此对混凝土的砂率及外加剂进行调整和反复试配,确定了最佳配合比。样板墙制作完成后,得到各方认可。精选优质碎石与黄沙,严格控制出厂质量,保证了清水混凝土外观色泽一致,表面光滑,无色差、蜂窝、麻面、砂线或损伤等外观缺陷,气泡少且直径<2mm,利用超声波检测柱体结构内部均匀,强度均超出设计等级,合格率100%。

3.2.5清水混凝土三维可视化交底技术

在实施过程中利用数据整合平台将实施方案建立三维模型进行交底,数据整合平台自动生成带有材料和分类编号的二维码(见表5,6)。将二维码粘贴在各构件和周转材料上,施工人员扫二维码对照三维模型进行安装(见图14)。

表5 清水核心筒预留矩形洞口

表6 清水核心筒预留圆形洞口

图14 清水混凝土可视化交底

4 结语

针对清水混凝土建筑分形协同建造关键技术,通过多专业复杂系统协同设计、复杂工艺与工序的协同管理,深入研究关键节点,将清水混凝土按谢尔宾斯基地毯进行分形迭代,形成不同层级的禅缝分形自相似块,与清水混凝土模板、形成映射,精确定位和算量。通过设计方案优选、BIM技术放样、钢筋精细化管理、模板设计与支撑施工、剪力墙预埋件施工、混凝土施工、成品保护等技术措施,对重难点关键节点进行技术攻关,有效解决了施工技术难题。