大面积地下室建筑结构整体性分形协同建造关键技术*

江 筠,方真刚,张 勇,罗先林,罗跃锋

(武汉建工集团股份有限责任公司,湖北 武汉 430056)

1 工程概况

国家网络安全人才培训中心工程位于武汉市东西湖区临空港大道、新径公路及滨河北路合围地块内。本项目总建筑面积约33万m2,包含信息综合楼、教学实验楼、附属楼、食堂、学生宿舍(B,C栋)。地下室建筑面积约73 000m2,由信息综合楼、教学实验楼、附属楼和食堂4个单体建筑的地下部分组成,南北向约270m,东西向约270m,形成一个超大的地下室(见图1)。地下室结构形式为钢筋混凝土框架结构,建筑用途为停车及设备用房。结构底板采用C35防水密实混凝土,抗渗等级为P6,厚度500mm,原设计有9条不规则的纵横向后浇带,宽800mm,采用高一级的补偿收缩混凝土;建筑地面采用C30细石混凝土,厚200mm,地下室结构底板和建筑地面均采用跳仓法施工。

图1 国家网络安全人才培训中心地下室

2 大面积地下室分形协同建造技术方案

2.1 技术路径

地下室建筑结构施工质量影响因素较多,如形态面积因素、沉降因素、使用功能因素、混凝土收缩因素、施工组织流向因素、排水因素、交接处高低差因素、地下水上浮因素等[1-3],裂缝控制较复杂,因此必须结合实际特点进行深入研究。常规的施工方法是按地下室建筑结构分部分项工程的流水段进行定性拆解,推演施工过程,指导项目施工全过程管理,而分形协同建造方法从定性拆解演进到定量拆解,用几何语言刻画、分析及指导项目施工过程。分形协同建造方法是依据现代分形几何理论,将分形建筑设计方法的优势与后续的施工组织设计、施工技术应用及项目管理进行有机融合,从而形成的可系统性解决大面积、复杂地下室的新型施工方法[4]。由此形成了大面积地下室建筑结构分形协同建造的技术路径:一方面,以分形理论为核心,将结构底板、浇筑地面进行有序分形,分别对其关键分形节点设计沉降后浇带、膨胀加强带、挡水坎+排水沟、伸缩缝、切缝及钢筋控制定位等技术进行攻关;另一方面,以协同管理为核心,利用TOPSIS法对地下室面积均等方案进行评价优选,应用后浇带间距控制原理进行跳仓块划分,从而达到“裂缝控制裂缝”的目的(见图2)。

图2 分形协同建造技术路径

2.2 基于TOPSIS法的地下室建筑结构面积均等划分

2.2.1基于TOPSIS法的地下室建筑结构指标评价体系创建

大面积地下室建筑结构的施工过程复杂、影响因素多,选择对地下室建筑结构施工质量有直接影响的单位造价S1、技术难易性S2、施工周期S3、排水效率S4、建筑功能与平面布局的匹配性S55个主要影响因素,创建方案评价指标体系[5]。其中,S2,S4,S5属于正指标,S1,S3属于逆指标[5]。对S1和S3的定量描述结合工程施工现场及商务情况进行测算,S2通过统计建筑结构等面积划分后切割设备房数量来直观反映,S4通过不同方案需增加的集水井或排水沟数量来确定,S5通过不同方案与地下室设备功能房的交叉性确定(见表1和图3)。

表1 面积均等划分方案评价

2.2.2基于TOPSIS法的地下室建筑结构面积均等方案优选

2.2.2.1不同划分方案的指标转化

表2 方案指标转换值

2.2.2.2不同划分方案的数据归一化处理

(0.48,0.31,0.49,0.41,0.37)。

2.2.2.3不同划分方案的优选排序

(1)

(2)

Ci在0～1取值,Ci越接近1,表示该评价对象越接近最优水平;反之则表示该评价对象越接近最劣水平。按式(1)、式(2)计算3种施工方案的指标值、最优值,并对结果进行排序,排序结果如表3所示。

表3 方案指标值与最优值及排序结果

由最终计算的Ci值大小(越大越接近最优方案)来判断方案的优选性可知,九等分>十六等分>四等分。

2.3 大面积地下室结构底板分形协同建造技术

2.3.1大面积地下室结构平面分形迭代

由于信息综合楼、教学实验楼、附属楼和食堂的建筑高度、结构形式不同,各单体建筑不均匀沉降而使地下室结构平面出现裂缝问题。按谢尔宾斯基地毯分形,将整体地下室结构平面①号自相似块(270m×270m)进行一级分形迭代,得到②号自相似块(90m×90m),在①,②号自相似块节点设置沉降后浇带来控制地下室结构平面裂缝。根据 GB 55008—2021《混凝土结构通用规范》规定,一次性浇筑长度宜≤40m,否则混凝土易开裂[6],而结构平面②号自相似块面积过大,因此将结构平面②号自相似块进行二级分形迭代得到③号自相似块(30m×30m),在②,③号自相似块节点设置膨胀加强带,缓解混凝土收缩变形开裂(见图4)。

图4 地下室结构平面分形迭代

2.3.2大面积地下室结构平面分形节点技术

1)一级分形节点技术 地下室原设计的沉降后浇带平面位置分布呈无序状态,优化后的沉降后浇带是按分形理论进行设计,其位置A与地下室结构平面一级分形相契合。地下室结构底板的沉降后浇带构造如图5所示,采用超前止水,带宽800mm,采用快易收口网和钢板止水带组合设置,收口网和止水钢板通过筏板钢筋骨架焊接固定,防止变形与移位。

图5 沉降后浇带位置及构造

2)二级分形节点技术 膨胀加强带一般设计在混凝土收缩应力产生最大处,通常是建筑物长度方向的中间位置[6-7],其位置B与地下室结构平面二级分形相契合。地下室结构底板的膨胀加强带如图6所示,宽2 000mm,两侧用快易收口网隔开,并按每隔600mm设1根φ18竖向支撑螺纹钢筋与受力主筋焊接予以加固,其上、下均应留出≥25mm混凝土保护层,沿加强带截面方向上加设附加钢筋(φ8@200mm)。钢丝与钢丝网、上下水平钢筋及竖向加固筋绑扎或焊接牢固,防止浇筑混凝土时爆模、漏浆,影响膨胀加强带质量。

图6 膨胀加强带位置及构造

2.4 大面积地下室建筑地面分形协同建造技术

2.4.1大面积地下室建筑地面分形迭代

由于地下室建筑地面面积较大,又必须满足施工组织、工艺、标准及规范要求,需将地下室建筑地面进行分区施工,才能更好地保证施工组织、工艺的连续性及施工质量。按分形理论的谢尔宾斯基地毯分形,将地下室建筑地面①号自相似块进行一级分形迭代——九大分仓,得到建筑地面②号自相似块,在①,②号自相似块节点设置排水沟+隐藏式挡水坎。将建筑地面②号自相似块进行二级分形迭代得到③号自相似块,在②,③号自相似块节点设置伸缩缝,构成最基本的跳仓单元。再将建筑地面③号自相似块进行三级分形迭代得到④号自相似块(10m×10m),在③,④号自相似块节点设置切缝,吸收混凝土的收缩变形。将建筑地面④号自相似块进行四级分形迭代得到⑤号自相似块(3.33m×3.33m),在⑤号自相似块区域布设钢筋网片,增强建筑地面的抗裂性(见图7)。

图7 地下室建筑地面分形迭代

2.4.2大面积地下室建筑地面分形节点技术

1)一级分形节点装置(隐藏式挡水坎和排水沟) 地下室建筑地面的挡水坎和排水沟分形节点装置是基于分形理论设计,如图8所示,其布设位置C与地下室建筑地面一级分形相契合,将整体地下室建筑地面分形成为9个面积相等的自相似块,根据系统论整体与局部的特性,一个大的整体分形成几个面积均等的局部单元,局部单元间相互影响最为均衡。地下室建筑地面排水坡度3%,挡水坎为隐藏式,在建筑地面内部,先浇筑成型,后浇筑建筑地面。隐藏式挡水坎可阻挡建筑地面内部的毛细水,建筑地面上部的水顺排水坡流入排水沟,使建筑地表不积水,从而保证地下室干燥。

图8 挡水坎与排水沟分形节点

2)二级分形节点装置(伸缩缝) 地下室建筑地面的伸缩缝分形节点装置是基于分形理论进行设计,如图9所示,其布设位置D与地下室建筑地面二级迭代分形相契合。进一步将相对较大面积的建筑地面分形成面积相对较小的建筑地面,从而达到控制由混凝土收缩变形而产生裂缝的目的。地下室建筑地面的伸缩缝宽20mm,同建筑地面深,伸缩缝遇结构柱,环绕结构柱一圈后继续延伸。

图9 伸缩缝分形节点

3)三级分形节点装置(切缝) 地下室建筑地面的切缝分形节点装置是基于分形理论进行设计,如图10所示,其布设位置E与地下室建筑地面三级迭代分形相契合。进一步将伸缩缝分形节点装置围合的建筑地面分形成为面积相对较小的建筑地面,从而抵抗混凝土收缩变形而产生的裂缝。地下室建筑地面切缝宽5mm,切深100mm。建筑地面浇筑养护完成3d内,用手推式切缝机或轮胎式切缝机按图10a所示切缝位置进行切缝。在结构柱处,距结构柱边300mm切缝,环绕结构柱形成1个正方形切缝,与横向和竖向切缝相连通,保证切缝连续。

图10 切缝位置及构造

4)四级分形节点装置(钢筋布设) 地下室建筑地面的钢筋布设是基于分形理论进行设计,如图11所示,其布设边界位置F与地下室建筑地面四级分形相契合。将切缝围合的建筑地面(10m×10m)继续迭代分形,得到由钢筋布置区围合的新的建筑地面(3.3m×3.3m)。建筑地面采用的钢筋为3 000mm×3 000mm成品钢筋网片(φ6@200mm),浇筑建筑地面的混凝土前,将钢筋网片布设于建筑地面⑤号自相似块正中心,再布设两相邻⑤号自相似块搭接区域的钢筋网片,再在相邻的钢筋网片间进行搭接。

图11 地下室建筑地面的钢筋布设

2.5 大面积地下室结构底板分形跳仓施工关键技术

2.5.1跳仓施工块设计

跳仓施工块(以下简称“跳仓块”)间距不仅要考虑削减温度收缩应力,还应考虑与施工缝结合。通过计算及实践经验调查,在正常施工条件下,跳仓块间距为20～30m,宜≤40m[8-9]。以国家网络安全人才培训中心工程项目的大面积地下室结构底板为例,根据GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》(2015年版)、工程结构裂缝控制“抗与放”的设计原则[2],计算跳仓块间距。

加强带最大间距计算公式为:

(3)

加强带最小间距计算公式为:

(4)

加强带平均间距计算公式为:

(5)

(6)

式中:L为加强带间距;E为混凝土弹性模量;CX为地基或基础水平阻力系数;α为混凝土线膨胀系数;T为互相约束结构的综合降温差,包括收缩当量温差;εp为钢筋混凝土的极限拉伸,(1～3.0)×10-4;H为结构底板厚度。

对于C35混凝土,查《混凝土结构设计规范》附表可得:弹性模量E=3.15×104N/mm2,结构底板厚500mm,CX=1.12×10-2N/mm2,钢筋混凝土的极限拉伸εp=1.0×10-4N/mm2,混凝土线膨胀系数α=1.0×10-5N/mm2,综合降温差T=55.5℃,代入式(3)～式(5)得:Lmax=≈49.2m,Lmin=36.9m。

经计算可得:最大跳仓块长度为49.2m;最小跳仓块长度为24.6m;平均跳仓块长度为36.9m,加强带间距即为设计跳仓施工的分形尺寸。

2.5.2分形跳仓块优化及跳仓施工顺序

大面积地下室结构底板跳仓块是依据分形理论设计,是理想化的标准尺寸,未考虑施工现场诸多限制因素。实际施工的跳仓块必须综合考虑工程实际特点,如混凝土厚度、收缩当量温差、混凝土弹性模量、混凝土线膨胀系数及柱网布置等影响因素,因此将理想状态的跳仓块进行优化设计,使其长和宽均≤40m。根据国家网络安全人才培训中心工程项目各建筑单体分布特点,将地下室结构底板分为A,B,C 3个施工段。A施工段主要包括信息综合楼和南广场区域,共24个跳仓块;B施工段主要包括信息综合楼、教学实验楼、附属楼和食堂间的区域,共16个跳仓块;C施工段主要包括教学实验楼、附属楼和食堂间的区域,共24个跳仓块。对地下室结构底板的A,B,C 3个施工段进行跳仓施工,相邻2跳仓块施工时间保证间隔7d以上(见图12和表4)。

表4 结构底板跳仓施工顺序

图12 结构底板跳仓施工

3 结语

大面积地下室建筑结构整体性分形建造关键技术,高效地将大面积地下室建筑结构平面化大为小、化繁为简,进行有组织分形,既利于施工组织、管理,又有效控制了地下室结构底板、建筑地面的裂缝问题。运用分数维、分形自相似和分形迭代等原理,通过多种分形节点装置有组织地设置“裂缝”,有效吸收因混凝土收缩或膨胀变形或荷载振动产生的裂缝,使结构底板、建筑地面的裂缝规律展开,达到“裂缝控制裂缝”的目的。