主题公园大型 GRC 主题造型拼装技术优化与应用

时间：2024-07-28

武景韬

（中国京冶工程技术有限公司，北京 100088）

0 引言

玻璃纤维增强水泥（Glass f iber Reinforced Cement）是一种高性能水泥复合材料，它由高弹性模量的玻璃纤维嵌入水泥基体中而形成［1］。用 GRC 材料制成的装饰构件具有强度高、耐久性好、表面质感好的特点，且构件外形多变，可以模仿石头、金属、木纹、砂岩等大自然中所有常见造型，同时拥有良好的质感和艺术效果，广泛应用于主题公园项目的门套、窗套、装饰线条、柱子、栏杆、斗拱、围栏、雕塑等主题类工程中［2-4］。

随着主题公园的不断升级发展，体积庞大、造型复杂的大型 GRC 主题造型越来越多地被用来进行规模宏大的沉浸式场景的营造。由于大型 GRC 主题造型的体积和重量较大且属于建筑薄壁装饰构件［5］，受材料性能及制作运输条件所限，无法一次性完成整体构件的制作和安装，需要将构件切分为若干较小的单件，在现场安装时进行拼接。然而，大型 GRC 主题造型在拼接后的节缝位置极易发生明显的开裂损坏，严重影响构件的观赏性和耐久性。典型开裂问题如图1 所示。

图1 大型 GRC 主题造型传统拼装节缝开裂问题

本文以江苏淮安西游乐园项目为依托，借助 BIM 技术，对大型 GRC 主题造型进行计算机模拟切分，并对切分后的单件构造和拼接连接工艺进行优化，显著减少和避免相邻单件间节缝位置的开裂问题。

1 工程概况

淮安西游乐园是国内首个以中国传统元素为主题IP 的大型主题，其中雷音寺假山面积 8 264.96 m2，高81 m，是目前国内国际上罕见的集塑石假山、装饰造景、人工瀑布、游乐演艺体验于一体的综合性建筑体。位于各山顶的金黄色寺庙造型均为大型 GRC 主题造型。如图2 所示。

图2 灵山雷音寺假山及寺庙效果

其中最大的 GRC 寺庙上尖下圆，整体形状呈圆锥体，高度约 25 m，底部直径约 16 m。水平方向存在多处环状凹凸造型，如图3 所示。

图3 GRC寺庙造型立面尺寸（单位：mm）

2 开裂原因分析与关键工艺优化

2.1 大型 GRC 主题造型节缝开裂原因分析

大型 GRC 主题造型通常采用传统拼接技术进行现场拼装，即将 GRC 单件按顺序依次固定于主体结构，相邻单件之间留设 1 cm 左右的缝隙，用耐候性密封胶完成填缝后进行补色。根据以往相关工程经验，节缝位置的开裂问题几乎不可避免，严重影响工程品质。开裂原因分析如下。

1）GRC 相邻单件之间的填缝胶在曝晒、雨淋、冻融等室外环境中，密封胶材料本身可能产生老化开裂的情况。

2）大型 GRC 主题造型按照施工要求进行切分后的单件，依然具有较大的表面积，属于薄壁构件，容易发生平面外变形。在冷热交替的室外环境中，还会因热胀冷缩产生平面内纵横方向的变形。在构件的持续形变影响下，节缝位置的填缝胶与 GRC 单件之间的粘结面容易被拉开而产生裂缝。

3）由于节缝位置的缝隙宽度窄、长度长，密封胶填缝施工操作空间受限，施工难度较大。容易导致同一条缝隙填缝胶的宽度或厚度不一致，使得单条胶缝在横向伸缩性能上产生差异。在热胀冷缩的作用下，胶缝薄弱部位发生开裂。

4）GRC 造型通常作为装饰性构件位于高处，其吊装安装属于危险性较大的高空作业。且由于单件面积较大，重量较大，节缝位置缝隙宽度较小，拼装时存在较大的施工误差，每条缝隙的宽度难以保持一致，甚至会出现因误差积累造成最后单件预留安装空间不足的现象，严重影响拼装质量，从而导致节缝开裂。

2.2 关键工艺优化

根据上述 GRC 主题造型节缝开裂原因，对单件的构造做法与关键工艺进行针对性优化。

1）GRC 主题造型切分与留缝方法优化，GRC 主题造型进行单件切分及设缝时应遵循以下原则。①横向切分尽可能利用构件在水平方向凹凸交界部位作为分割边界线，留设 1 cm 宽的水平缝；②纵向切分尺寸尽可能大，但应满足运输车辆大小及载重能力、塔吊最大起重荷载、施工现场存放空间等客观约束条件，留设 5 cm 宽的纵向缝；③切分位置应尽量选取对称轴部位，最大化模具使用次数，减少模具数量，降低成本（见图4）。

图4 大型 GRC 构件切分及留缝示意

安装完成后，纵向缝用水泥基材料二次填充补色并采取抗裂措施；横向缝进行打胶收口，减少硬连接拼缝。

2）GRC 单件构造优化，在 GRC 单件预制板内侧，从边缘开始沿着纵横两个方向呈网状设置多道加劲肋。加劲肋截面为梯形，高 80 mm、上边 80 mm、下边100 mm。加劲肋与预制板一体成型，每道加劲肋间距不超过 600 mm。同时，在每道加劲肋中间部位布置φ10 圆钢筋作为加强筋，横向加强筋伸出两侧边缘，进入纵向缝 5 cm。在纵向边缘加劲肋增设 U 型方格网，方格网伸出侧面进入纵向缝 5 cm。优化后的 GRC 单件预制板构造如图5 所示。

图5 GRC 单件立面（上）与横向（下）剖面图

通过上述构造优化，GRC 单件预制板的受力性能得到了明显提升。重点性能参数对比如表1 所示。

表1 GRC 单件预制板优化前后主要力学性能参数对比

由表1 可知，单件优化前后截面面积不变，故材料用量不增加。根据弯曲刚度计算公式K=EI，材料类型不变，弹性模量E不变，单件横、纵方向的弯曲刚度分别随相应的惯性矩I提高 93.4 %、20.0 %。根据抗弯承载力公式M=Wσ，材料类型不变，应力σ不变，单件横、纵向的极限抗弯承载力分别随相应的截面抵抗矩W提高170.3 %、20.0 %。

通过对 GRC 单件结构构造的优化，在材料性能、材料用量不变的条件下，可以大幅提高单件的受力性能，从而减少 GRC 单件在外部荷载作用下的变形，进而减少节缝位置的开裂问题。

3 大型 GRC 主题造型拼装施工

3.1 施工工序（见图6）

图6 施工工序

图7 GRC主题造型模型切分

图8 GRC 单件模具

图9 GRC 单件拼装

图10 GRC 单件侧面外伸方格网和加强筋

图11 相邻单件纵向拼缝节点（单位：mm）

图12 GRC 构件完工效果

3.2 构件加工

按照“2.2章节”中所述构件切分与单件构造优化原则，使用 BIM 软件“犀牛”模拟 GRC 主题造型切分，并辅助优化设计，根据施工先后顺序对切分后的单件编号。按照编号依次进行单件加工，分批运至现场并尽可能放置在塔吊臂长半径范围内，避免吊装时二次倒运。

3.3 大型 GRC 主题造型拼装

大型 GRC 主题造型通过单件拼装而成，拼装遵循由上至下的顺序，分层、分块完成。

1）单件安装。通过塔吊将 GRC 单件运至安装部位，将骨架与次结构支撑件点焊固定。水平相邻单件之间按要求留设 5 cm 宽的纵向拼接缝，拼接缝应顺直。复查无误后，将单件与支撑次结构满焊固定。

2）拼缝嵌填。应按照先纵后横的顺序进行拼缝嵌填，横向拼缝采用常规打胶收口。纵向拼缝部位的连接和嵌填处理是确保 GRC 主题造型质量的关键，详细叙述如下。

①准备工作，根据操作需求搭设专用脚手架，脚手架横杆、立杆如需要支撑于 GRC 单件上，应做好衬垫保护措施，避免造成 GRC 标管破损；上层拼接缝嵌填时，应提前在下层 GRC 主题造型相应位置进行覆盖保护，避免污染；②预处理，清除纵向拼缝内的灰尘、悬挂垃圾等杂物，将拼缝两侧 GRC 单件深入缝内的横向加强钢筋进行水平搭接，绑扎连接。在拼接缝底部利用 GRC 主题造型骨架及次结构架设模板，模板宽度应大于缝宽。由于 GRC 单件为空间曲面，而模板材料为平面，务必将模板和纵向拼缝两侧 GRC 单件之间的缝隙用柔性材料封堵密实，严禁在填缝过程中发生漏浆。填缝前在拼缝两侧和模板表面适当洒水湿润；③填缝，每条纵向缝隙采用人工填压工艺从下至上进行填缝，选用与 GRC 预制构件相同的水泥基填缝材料，材料应具有较低的流动性和一定的初凝时间，确保在填缝施工过程中不发生流淌现象，填缝完成后能够及时进行表面找平。填至距离表面 2 cm 位置，放置一段时间使填缝材料具有一定强度后，再使用环氧树脂掺胶完成最后的补封找平；④表面处理及上色，采用覆盖养护 72 h，待达到一定强度后，将拼缝表面打磨光滑并清除灰尘、滴痕、流痕、附着物和污染物。在表面涂刷 50～70μm厚抗碱底漆，固化后将滴痕、气泡位置打磨平滑。然后进行聚氨酯面漆上色，厚度 40～50 μm。固化后再涂刷一层聚氨酯亚光面漆，最后完成面层封闭漆，达到设计效果。