空间异形曲面模板设计与施工工艺

邬荒耘

上海建工五建集团有限公司 上海 200063

目前，钢模板具有较为成熟的工艺，可以形成各种形状表面光滑的模板，但造价较高，且模板没有通用性，易造成资源浪费。为此，许多工程师针对异形结构建筑的模板设计与施工开展研究。员浩阳[1]对双网壳混凝土结构模板工艺进行研究，提出采用聚苯乙烯泡沫模型作为结构空洞部分模板材料，木模板为网壳上、下弧形面模板的复合模板构造，以可塑性较高的泡沫材料解决了复杂镂空设计的施工难题并总结了其施工要点。朱同然等[2]以荣成青少年活动中心的拱形通道结构为研究对象，对模板施工进行模拟，合理划分结构施工块面，有效减少了模板种类，并建立了一套适用的模板体系。刘永红[3]在异形挡土墙结构工程中应用了钢带增强双壁波纹管模板，节省了传统模板搭设的繁复工序，提升了施工效率。目前，我国建筑行业已经步入了工业化、数字化生产时代，BIM技术被广泛应用，葛燕锋等[4]在某异形空间分隔曲面板的模板定位中，采用Revit结合CAD软件建立了三维模板模型，保证了模板的定位精准度。

本文对上海科技大学图书馆书卷楼的异形曲面现浇混凝土结构模板的选择、支撑及施工定位进行研究，总结分析并提出一套适用于空间异形曲面现浇混凝土结构的施工工艺。

1 工程概况

上海科技大学校园建设项目位于张江高科园区中区的上海浦东科技园区内，其中图书馆位于整个校园的规划东南角，三面环绕景观水面。图书馆一角的设计带有“书卷式”装饰性建筑，因此得名“书卷楼”，形状呈书卷打开状，其设计灵感来源于书卷造型，暗喻浓厚的学习氛围及学术气息。由上往下看，“书页”的弯曲呈现不对称、不规则特点。书卷楼建筑高度约为21.2 m，主体采用现浇钢筋混凝土结构，如图1所示。

图1 上海科技大学书卷楼

2 工程难点

书卷楼结构形式属于空间异形曲面现浇混凝土墙体结构，立面曲面下宽上窄，水平截面为闭合曲线图形，水平截面形状随着高度的改变而变化，任一截面的曲面圆弧段圆心都不相同，整体结构墙厚度保持不变。由下而上看，结构表面线形为倾斜状，意味着模板的架设非垂直于地面，给施工定位增加了困难。在保证墙体厚度均匀的同时如何兼顾内外模板曲线的高精度定位，是本项目模板施工的难点。

本工程的施工质量直接影响结构成形后的线形流畅及美观度，因此对施工工艺提出极高的要求，主要体现在模板的设计、支模体系的稳定以及施工定位的精度保证这三大方面。

3 模板设计与施工关键技术

国内用于模板材料的选择较多，例如定型化弧形模板，可形成与设计完美吻合的曲线构造，满足本项目对结构表面平整度及线形的高要求。但出于本工程异形结构的特点考虑，模板为一次性投入，成本太高，因此，仍采用传统的木模板形式[5-8]。

为规避木模板可塑性差的弊端，研究利用有限元思想的以直代曲，将整片大木模板分割成细小条状，变面为块，再组合成建筑外表面弧状。模板使用1 830 mm×915 mm×18 mm覆膜胶多层板，采用工具式手提电锯，分割横向间距为100 mm、竖向间距为500 mm，分割深度为7 mm，保留11 mm，使模板在弯曲时，仍能维持连接状态，同时保证内浇面模板的平顺度，不产生折痕。在使用前一天浇水湿润，以提高木模板的可塑性，防止折断。模板施工顺序为内模安装—钢筋绑扎—外模安装，混凝土浇筑完成后，以相同的步骤搭设上面剩余几层模板。

4 支模体系设计与施工关键技术

木模支撑体系用来固定模板位置，保证模板在混凝土浇筑过程中不发生滑移及过度变形，以此保证施工质量。支模体系需要通过计算确认模板横、竖向定位构件间距，以及斜撑、脚手架等支撑体系的可靠性。由于特殊的曲立面结构，本工程采用符合结构曲面线形的弧形钢围楞取代传统横木肋，在内模板内侧安置竖向方木次楞后，与模板以止水螺栓固定，在定位木模板的同时提供线形引导作用，进一步提升内模板固定后的线形精准度。

内模板支模体系安装完成后进行钢筋绑扎，采用与上述内模支撑体系相同的方法完成外模安装。内模板内侧用斜撑作为定位和受力体系，模板上、下口采用螺杆固定。

5 结构定位设计与施工关键技术

本工程为无标准层变曲率空间异形曲面结构，传统放线定位方法无法满足所需数据要求，考虑采用Revit三维建模，根据实际情况将变曲率结构分解，进行深化设计，将设计曲率转化为可以在施工中人为操作的微小直线段。

根据模型对结构进行有限元划分，分割为每段高度为1 m的半圆组合体，划分空间为面。以每米半圆截面的中心为固定点，做扇形网格形状放样，放样时以每米半圆截面圆弧外径500 mm长为一格，根据放样点对中心点相对位置进行定位。通过加密过后的放设点位定位墙板边缘，可以吸收消化因对结构体系进行有限元分割而造成的点位误差。

TCA智能全站仪为先进的定位装置，内置与望远镜同轴的自动目标识别（ATR）技术，不再需要操作人员精确对准和调焦。本工程在吊线复核过程中，采用智能全站仪，GPS（全球定位系统）同步采点成图，对照楼层板边深化设计图并有效发现错误点位，在混凝土浇筑前进行整改，保证混凝土浇筑位置与设计相符，确保了施工精度。在内外模板、弧形钢围楞及竖楞等安装时，均需进行定位校准并及时调整，确保每一施工步骤的标准化，避免误差累积影响施工质量。

6 结语

本工程将整块覆膜多层胶合面板分割为小段，以直代曲，辅以钢筋、钢管围楞控制模板曲面形状，搭配内部支撑，经济且便于操作，解决了倾斜模板支搭以及异形曲面结构模板配置的难题，实现了较好的混凝土外观质量。通过Revit模型及现场数据实时反馈，采用化整为零、化繁为简的科学测量手段和计算方法，解决了曲线测量放线工作计算量大、施工精度要求高的难题，对异形曲面结构工程的测量放线技术具有指导意义，可供其他类似工程借鉴。