异型模板及支撑体系技术研究.doc

鉴定材料之五 国家大剧院结构工程国家大剧院结构工程 异异型型模模板板及及支支撑撑体体系系技技术术研研究究 北京城建集团有限责任公司北京城建集团有限责任公司 目 录 1 1 前言前言.1 2 2 工程概况及特点、难点分析工程概况及特点、难点分析.1 2.1 曲线混凝土构件概述 1 2.2 特点及难点分析 3 3 3 项目研究思路项目研究思路.4 3.1 项目研究的主要内容 4 3.2 模板设计计划达到的技术经济指标 4 3.3 项目研究的技术路线 5 4 4 项目研究的主要内容项目研究的主要内容.5 4.1 弧墙曲率段划分及不同弧段模板方案的设计研究 5 4.2 可调曲率弧形模板背部紧伸器设计研究 7 4.3 弧墙模板体系活动角模设计研究 7 4.4 弧墙曲率调节及现场检测控制方法 8 4.5 可调曲率弧形模板受力分析 9 5 5 弧形墙体模板设计方案弧形墙体模板设计方案.12 5.1 曲率半径 R25M的弧形墙体.12 5.2 曲率半径 3MR25M的弧形墙体 .13 5.3 曲率半径 R3M的弧形墙体.13 6 6 其他曲线模板设计方案其他曲线模板设计方案.14 6.1 内置型钢圆柱模板 14 6.2 异形椭圆柱模板 16 6.3 双曲面楼板模板 16 6.4 曲线楼梯模板 18 7 7 方案实施效果方案实施效果.19 8 8 技术经济和社会效益分析技术经济和社会效益分析.20 8.1 经济效益分析 20 8.2 社会效益分析 20 异型模板及支撑体系技术研究 1 前言 随着国民经济的稳健发展，展现个性化、风格化造型设计的大型公共 建筑与日俱增，其中尤以大型剧场、体育馆、展览馆居多。为保证建筑物 使用功能及满足视觉、听觉效果要求，其构件设计呈由方形向圆弧形、异 形曲线形发展趋势。 国家大剧院建筑设计具有显著的上述特征，其竖向构件以曲率多变的 弧形墙体、圆柱、异形柱为主；水平结构大量采用双曲面楼板、弧形梁板、 弧形楼梯等。 在结构施工中，工程技术人员多方比选、认真研究，针对不同曲率弧 形构件设计出适应的模板施工方案，为完美实现国家大剧院工程设计意图 打下了坚实的基础。 2 工程概况及特点、难点分析 2.1 曲线混凝土构件概述 国家大剧院工程是国内唯一的集歌剧院、戏剧院、音乐厅于一体的综 合剧院，建成后将是我国重要标志性建筑。该工程是国家重点工程，质量 目标为结构长城杯、鲁班奖。由于其结构体型复杂，施工难度大，结构施 工工期紧，质量要求高，因此也是代表我国最高建筑施工技术水平的形象 工程。 为保证建筑物的使用功能和视听效果，国家大剧院工程结构形体设计 丰富多样，曲线构件很多，主要由以下几部分组成： 1、竖向结构以弧形墙体为主，总面积达 107400m2，约占墙体总面积 的 56.3%左右，单层墙体最大浇筑高度 9.42m；各弧形墙体曲率呈连续变 化趋势，部分弧墙轴线为非常罕见的超级椭圆，部分为连续组拼的圆弧； 各段弧墙曲率半径在 0.12m90.35m 间变化，幅度很大；弧形墙体夹角以 非直角居多，各剧场、各楼层差异很大，角度主要在 43135间变化。 各剧场弧形墙体曲线代表方程各剧场弧形墙体曲线代表方程 NO 歌剧院音乐厅戏剧院 曲 线 一 1 4325.717325.105 2 . 22 . 2 yx （x-105.9625） 2（y-6.037） 250.9242 （x+55.363）2（y- 24.651）254.5032 曲 线 二 1 9825.662825.101 2 . 22 . 2 yx （x-74.97）2 （y+15.118） 215.1152 （x+73.255）2 （y-12.723）29.1542 曲 线 三 1 25.48 0 . 42 2 . 22 . 2 yx （x-77.9911）2 （y-29.745）. 22.61152 （x+59.1128）2 （y+21.118）20.8752 不同曲率半径弧形墙体统计表不同曲率半径弧形墙体统计表 曲率半径歌剧院音乐厅戏剧院总长度百分比 R3m245m623m747m1615m6.2% 3mR25m2401m3286m2675m8362m32.1% R25m7280m4366m4427m16073m61.7% 各剧场墙体夹角统计表各剧场墙体夹角统计表(不含直角不含直角) 夹角角度歌剧院音乐厅戏剧院总数量百分比 4375 398588736172222.4% 75105 82418601644432856.3% 105135 367575696163821.3% 2、舞台、乐池、观众休息厅及主入口通道处共设计有 78 根内置 H 型 钢的劲性圆柱，直径 7002400mm，柱高 2.59.42m。 3、音乐厅观众厅设计有 22 根高 10.22m12.158m 的异形椭圆柱，其 组成圆弧半径分别为 2.08m、0.98m。 4、各剧场不同楼层观众席下部楼板多为双曲面构件，面积总计为 1690m2、曲率参数差异较大。 5、各剧场主要入口均布置有弧形楼梯，楼梯侧面及底面均呈弧形。 曲线构件分布情况如下图所示： 2.2 特点及难点分析 1、本工程弧形墙体具有体量巨大；曲率半径连续多变、幅度大；相 交墙体夹角复杂等特点。针对不同曲率半径弧形墙体选择最佳的模板施工 体系，保证不同体系弧墙模板有机、平滑顺接，异形墙体夹角准确是本工 程一项重要研究课题。 2、本工程圆柱最大直径 2.4m，最大浇筑高度达 9.42m，内部多置有 大断面工字型钢，且主要位于舞台、乐池及主入口处，要求达到清水混凝 土质量标准。 3、音乐厅 22 根椭圆异形柱，最大高度达 12.158m。为保证截面形状 及尺寸一致，应选择一种周转性强、支拆方便、刚度大的模板体系以确保 施工速度、接槎质量及各柱外观效果。 4、各剧场观众席底板均为大面积双曲面楼板，双向曲率差异较大， 最大凌空高度达 23.66m，目前尚无可借鉴的类似模板施工经验。选择适宜 的模板施工方案，确保双曲面楼板在水平方向及垂向的各点位精度是本部 分模板设计研究的重点。 5、各剧场入口处弧形楼梯外观造型各具特色，因层高不同又作相应 变化，且楼梯侧面及底面均呈弧形，模板设计与施工存在较大困难，应选 择一种易装易拆、调节方便、整体性好的模板方案，以确保支模精度及模 板整体稳定性。 3 项目研究思路 3.1 项目研究的主要内容 1、弧墙曲率段划分及不同弧段模板方案的设计研究 2、可调曲率弧形模板背部紧伸器设计研究 3、弧墙模板体系活动角模设计研究 4、弧墙曲率调节及现场检测控制方法 5、弧墙模板体系受力分析 3.2 模板设计计划达到的技术经济指标 3.2.1 质量标准 模板分项工程质量合格率 100%，优良率 92%。 异形模板质量评定标准异形模板质量评定标准 NO. 矢高截面尺寸标高水平位移垂直度 竖向构件 3mm+2-5mm3mm3mm 水平构件 3mm+2-5mm+2-5mm 3.2.2 强度要求 在保证强度、刚度、稳定性的前提下，模板及其支撑系统最大挠度值 确定如下： 异形模板允许最大挠度值异形模板允许最大挠度值 NO. 模板板面次龙骨主龙骨 允许最大挠度 1.0mm，L1/30 0 1.5mm，L2/5001.0mm，L3/1000 竖向模板侧向承载力不小于 60KN/m2；水平模板根据受力情况确定。 3.2.3 经济技术要求 各曲线模板体系应做到易装易拆、调节方便；充分考虑模板可周转性 及后续工程再利用可能性；对大曲率半径弧形墙体、圆柱、异形椭圆柱模 板体系要求具有良好的周转性，周转次数按 8 次设计。 3.3 项目研究的技术路线 3.3.1 信息收集与方案比选阶段 广泛收集国内外弧形墙体、双曲面楼板、弧形楼梯及其他异形构件的 设计施工方案；明确异形模板计划达到各项经济技术指标、质量目标及混 凝土成型效果，以观摩比选、理论计算及专家论证会等多种形式初步确定 各类异形构件模板设计方案。 3.3.2 现场试验及方案确定阶段 对初步选定的方案及所使用的面板、支撑构件性能进行针对性现场试 验： 3.3.2.1 对弧形墙体模板用木质胶合板进行弯折试验，确定最大弯折度； 3.3.2.2 对多套可调曲率模板体系进行混凝土现场浇筑试验，比较混凝 土成型效果、测定各项质量指标、进行经济技术分析，确定优选方案； 3.3.2.3 对平板玻璃钢模板支设内置型钢混凝土圆柱可行性进行现场 1：1 试验；总结试验成果、提出优化意见并确定施工方案。 3.3.3 方案实施、施工控制与完善阶段 按既定的方案组织实施，加强异形模板支设及混凝土成型质量的检测， 不断进行模板节点优化。 3.3.4 项目总结阶段 4 项目研究的主要内容 4.1 弧墙曲率段划分及不同弧段模板方案的设计研究 弧形墙体模板主要考虑三种方案，一是以直代曲，用直线模板代替圆 弧模板；二是直接加工定型弧形模板；第三是采用可调曲率弧形模板。 4.1.1 以直代曲方案 本方案通用性较好，加工和应用简单。但本工程混凝土成型质量标准 高，按照矢高不大于 3mm 的支模原则，模板宽度直接制约了所能支设弧 墙的曲率半径，如下图所示： 以常见模板宽幅为计算单元，当矢高控制在 3mm 时，所能支设弧墙 的最小曲率半径如下表所示： 模板宽度与弧墙曲率半径对应表 模板宽度(mm) 20030061012202440 弧墙曲率半径(m) 1.6683.71515.50562.018248.068 如按照以直代曲方式支设本工程 0.12m90.35m 变幅的弧形墙体，势 必造成模板宽幅过小、模板数量过大、施工效率过低等问题。所以以直代 曲模板在本工程中不适于大规模使用，但对于部分隐蔽部位的大曲率弧形 墙体可予以采用以节省模板投入。 4.1.2 定型曲率钢模板 根据混凝土模板用胶合板 （GB/T17659-1999）的说明，1218mm 厚木质胶合板所能弯折的最小曲率半径分别为 1.2m。通过 2002 年 3 月现 场对福德、湘竹、wisa 三种板材的试验分析认为，1218mm 厚木质胶合 板仅适于支设曲率半径大于 3m 的弧形墙体。而本工程曲率半径小于 3m 的弧形墙体所占比率达到 6.2%，所以必须加工部分定型曲率钢模板以满足 工程需要。 4.1.3 曲率可调模板体系 由于本工程弧形墙曲率变化繁多，部分为罕见的超级椭圆，如果加工 成全钢定型模板，在本工程中周转次数有限，以后周转使用的可能性也非 常小，必然造成极大的浪费。 经设计优化并参考国外先进弧形模板施工经验，提出对曲率半径大于 3m 的弧形墙采用可调式弧形模板体系。 4.2 可调曲率弧形模板背部紧伸器设计研究 方案确定前，工程技术人员与专业厂家合作，借鉴国外先进经验，对 R3m 弧形墙体模板及曲率调节系统进行了二套方案设计（方案一、二） 。 针对本工程曲率半径 R25m 弧墙比例大的特点，为降低成本又研制出背 楔式曲率可调模板体系（方案三） 。 项目试验阶段，在现场用三种模板体系分别支设了曲率半径 R=25m、 高 3.5m、宽 3.6m 的弧形墙体，对混凝土成型质量效果、各项经济技术指 标进行了比较： NO. 构造简图适用范围成型效果操作性周转性造价 方案 一 R3m 不太理想不太方便较差较低 方案 二 R3m 成型效果 良好 迅捷、方便 可周转 812 次 较高 方案 三 木楔 R25m 成型效果 良好 迅捷、方便 可周转 710 次 较低 最终确定方案二为曲率半径 3mR25m 弧形墙体模板施工体系；方 案三为曲率半径 R25m 弧形墙体模板施工体系。 4.3 弧墙模板体系活动角模设计研究 本工程弧形墙体夹角以非直角居多，各剧场、各楼层差异很大，且存 在不同体系弧形模板间相互连接问题。加工定型钢角模显然不能适应这种 结构形式，且利用率低，造价高。为了角模能与曲线模板配套使用，且能 周转，我们与专业厂家共同设计研制了钢制活动角模。 活动角模由 6mm 厚钢面板、100x63x6 角钢背肋和 4 芯轴等配件组成。 可调角度 43-135。活动角模与墙体模板的连接统一采用边肋角钢，边肋 角钢螺栓孔大小及分布情况均保持一致，设计构造如下图所示： 109 71 4.4 弧墙曲率调节及现场检测控制方法 模板曲率是通过调节可伸缩丝杆的长度（或背楔的厚度） ，改变木梁 间的相对角度（面板与主龙骨间的间距） ，使面板弯曲而形成的。 弧墙模板调节工序在模板进入工作面之前必须完成，避免在工作面上 调节，减少人为因素对板面弧度的影响。由于调节器内部螺旋丝扣具有沿 水平方向的自锁性，使得模板在调节完弧度进入作业面及操作过程中，板 面弧度不会改变。 4.4.1 调节模具制作 根据图纸设计的曲线弧度，利用计算机做出 2.5m(1 块标准板幅面为 2.44m)长范围内的弧度变化与直线的尺寸关系如下图所示。用 50mm 厚的 木板按照图示加工调节模具。制作凸曲面模具时，模具半径 r=设计半径 R-218mm。 弧形模具制作尺寸示意图弧形模具制作尺寸示意图 4.4.2 弧度调节 曲面分凸曲面和凹曲面 2 种。对于凸曲面的调节，模具放置在木梁上， 通过旋转螺旋丝杆使之缩短，当木梁贴紧模具时，便形成了设计曲面。凹 曲面调节时，模具直接控制面板的弧度，使螺旋丝杆伸长，板面贴紧板面 即可。调节过程中要注意，沿模板高度方向同时调节。 4.4.3 模板的检查 1、调好的模板进入现场作业面以后，对号入座，组拼成整体大模板。 2、用墙体的 50cm 定位控制线，间隔 1m 取点，量取控制线到板面的 距离为 482mm，对曲线模板的弧度进行二次复核。 3、间隔 3m 取点吊垂球，检验弧墙模板垂直度。 4.5 可调曲率弧形模板受力分析 4.5.1 计算依据 1、钢材力学性能取值： a 钢材弹性模量：E2.06105N/mm2 b 钢材强度设计值：抗拉、抗压、抗弯 f215N/mm2 c 螺栓连接强度：抗拉 ft170N/mm2 d 10#槽钢几何特性：Ix = 3966000mm4、Wx = 79400mm3、A = 2548 mm2 2、木材力学性能取值： a 木材弹性模量：E4.68103N/mm2 b 木材抗拉强度：f9.7N/mm2 3、设计参数： a 木梁布置间距：300mm b 横背楞槽钢布置间距：900mm c 砼有效高度：1000mm d 砼最大侧压力：60KN/m2 4.5.2 面板验算 分析图形： 木胶合板按 1000mm 宽取计算单元，背楞支撑间距按 300mm 计算，砼 侧压力取最大值 60KN/mm2。 分析结果： a 最大剪力：11.80KN b 最大扰度：0.29mm 分析结果为合格。 4.5.3 木梁验算 分析图形： 木梁布置间距为 300mm，对拉螺栓距离为 900mm。 分析结果： a 最大剪力：7.87KN； b 最大扰度：0.15mm； 分析结果为合格。 4.5.4 槽钢背楞验算 分析图形： 双槽钢横背楞布置间距为 900mm，对拉螺栓距离为 1200mm。 分析结果： a 最大剪力：20.25KN； b 最大扰度：0.13mm； 分析结果为合格。 5 弧形墙体模板设计方案 5.1 曲率半径 R25m 的弧形墙体 曲率半径 R25m 弧形墙体以 18mm 厚木质胶合板 （24401220mm）作为模板面板基本单元；100200mm 木工字梁 250mm、10# 双槽钢900mm 组成纵横背楞；模板标准尺寸为 24403660mm、24401220mm、24402440mm 等，通过接高达到墙体 浇筑理想高度。 在模板背面木工字梁和槽钢背楞间加设不同厚度的楔形木垫块，使模 板板面呈要求的弧度，以此达到模板曲率调节的目的。以曲率半径 25 米、 弧长 2440mm 的圆弧内模为例，各楔形木垫块的厚度由中间向两边依次为 22mm、19mm、16mm 等。模板具体构造方式如下图所示： 调节螺栓 连肋角钢 双侧爪 双侧爪 厚木垫块22mm 吊钩 厚木垫块 木工字梁 19mm 5.2 曲率半径 3mR25m 的弧形墙体 对于曲率半径 3mR25m 的弧线墙体，主要采用曲线可调模板体系： 该体系通过改变模板后部紧伸器的行程可灵活、迅捷地调节模板曲率 半径，周转性极强。其面板基本单元、主次龙骨规格及间距均同于 R25m 弧形墙体模板，标准板高度规格分为 1.22m、2.44m、3.66m 三种， 通过接高达到墙体浇筑理想高度。模板构造方式如下图所示： 调节螺栓 边肋角钢 短槽钢背楞 木工字梁 调节支座 连接螺栓 调节支座（二） 调节支座（一）短槽钢背楞调节螺栓 吊钩 5.3 曲率半径 R3m 的弧形墙体 采用全钢定型曲率大模板：面板及横、竖肋均采用 6mm 厚钢板加工 （纵、横肋点焊固定于面板上） ；采用 M22 穿墙螺栓，按 900900mm 间 距布置。 定型曲率大模板构造及接高形式如下图所示： 加节槽钢（10#） 加节模板 弧形模 穿墙螺栓 支腿 M16 模板加节构造图 横边框 竖肋 竖边框 面板 2*L100636 2*-6100 1*6 横肋 竖楞2 竖楞1 竖楞支座 吊钩 9*6100 1*10# 4*L100636 1*10# 120 20 20 2*-8100 企 口企 口 6 其他曲线模板设计方案 6.1 内置型钢圆柱模板 内置型钢圆柱模板统一采用无胎平板玻璃钢模板（用不饱和聚脂树脂 作胶结材料，耐碱玻璃纤维布作骨架逐层粘裹而成） ，板厚 3mm。在模板 接口处，竖向垂直于柱身折出“L”形翻边，在翻边中心开孔，用 M10 螺 栓200 紧固，通长角钢做螺栓垫片，如下图所示： L4043mm厚硬质玻璃钢模板 99.4% M8 平板玻璃钢模板展开断面图 47 61552 预埋拉环10 （居梁跨中，并在轴上） 玻璃钢柱模 花兰螺栓 200接口螺栓M10 （四个方向） 8调垂直拉筋 H 型 钢 47 9385 柱 筋 5500 其成型是根据流体力学的基本原理：对于具有一定韧性的封闭匀质体， 其在受到来自内部的液体胀力的作用下，模板截面内部会受到大小相等的 法向拉应力，在液态胀力的作用下，材料本身必定会胀成标准的圆形柱面 形状。 为保证模板的自由膨胀，模板通长范围内不设柱箍。用 8 钢丝拉筋 直接拽拉主筋，通过花蓝螺栓调节模板的垂直度，钢丝拉筋为四个方向对 拉，其交点在圆心上。在加工模板时应考虑模板在承受侧压力后，模板的 横断面会膨胀，膨胀率根据试验确定为 2。所以，模板的直径比圆柱的 直径小 2。 无胎玻璃钢圆柱模板支立 6.2 异形椭圆柱模板 异形椭圆柱模板采用全钢定型模板，模板的面板及筋板均为 4mm 厚 钢板，法兰板选用 8mm 厚钢板。法兰封口处用 M12 螺栓紧固，并在封口 处加设密封条，以防止漏浆，以独立（连墙）椭圆柱模板为例，其构造如 下图所示： 150 1200 300300300300 70 对接螺栓 墙厚 模板块 圆弧 标准定型钢模板 异形钢模板 对接螺栓 独立椭圆柱模板构造 立面构造图独立椭圆柱模板 连墙椭圆柱模板构造 穿墙螺栓 墙体模板 椭圆柱、连墙圆柱模板单节高度统一设计为 1.2m，便于墙、柱一体的 支撑设计和墙、柱模板的连接，保证墙、柱连接处的清水效果。椭圆柱、 连墙圆柱模板自重轻，满足整体吊装和盲区的单节人工装拆。 6.3 双曲面楼板模板 三大功能厅不同楼层看台座椅下楼板多为双曲面构件，曲率参数各不 相同，总投影面积约为 1690m2。 由于双曲面楼板曲率较小，且不规则，决定采用以平面代替曲面的模 板施工方案：即用多块木质胶合板连续拼接，控制各平板角点标高，使之 接近双曲面板底各相应点位置，以此代替双曲面板的整体设计形状。 如图 1 所示：假设水平连续剖面 A、B、C相互间距 108.5mm（后推 值)与双曲面楼板相交，将形成 a、b、c相应等高曲线（相邻曲线投影间 距=相应平面高差tg 楼板倾角，要求不得大于 600mm） 。 a b c C H-108.5mm A H+108.5mm B H 等高差连续剖面105.8mm 歌剧院观众席双曲面底板设计图 双曲面顶板模板支撑平面剖析图双曲面顶板模板支撑剖面图 c H-105.8mm b H Lmax=4m a 100100mm 600mm cb L 100100mm 600mm 50100mm 300mm 50100mm 300mm a H+105.8mm Lmin=1.2m 顶板模板:18mm 厚木质胶合板 18mm木质胶合板 如图 2、3 所示：主龙骨沿 a、b、c各曲线放置，同一曲线上主龙骨 （100100mm 方木）顶标高相同，相邻曲线上主龙骨高差为 108.5mm，由 此可控制相邻主龙骨水平间距不大于 600mm；次龙骨（50100mm 方木） 摆放间距为 300mm。为便于标高调整，支撑用钢管脚手架上、下均设可调 顶托（底托） 。竖向支撑间设置双向水平拉接杆件，用钢管扣件加固。面 板统一采用 18mm 厚木质胶合板，用铁钉固定在次龙骨上。 实际施工中，着重理清模架各构件标高及相对位置关系，精确计算、 测量、调整，做好细部放样工作；特殊部位可切削龙骨或在龙骨上加钉小 木楔以增强模板顶面标高精度；木质胶合板单块尺寸控制在 1200900mm 以内，以确保平板模板与理论曲面矢高不大于 3mm。 为保证混凝土成型质量要求，模板支设完毕后，在模板接槎处用白水 泥腻子勾嵌塞缝，使板面整体平整、光滑。 6.4 曲线楼梯模板 曲线楼梯底面、侧面均呈弧形，其模板面板采用 15mm 厚木质胶合板， 按照 1：1 比例场外放样加工制作；板底次龙骨采用 50100mm 方木 250mm，沿踏步横向布置；主龙骨用 48 钢管按楼梯设计弧度弯曲成型， 沿踏步垂向布置；支撑采用 48 钢管穿踏步板布置（预埋 55 塑料套管） ，沿踏步垂向、纵向间距分别为 600mm、1200mm。曲线楼梯模板支设示意 图如下： 戏剧院2E/51轴曲线楼梯设计图 1200 1200740 1200 A 48钢管 长1m50100mm 方木250mm A 面板木 胶合板 板底方木(50100mm) a A-A a 垂直支撑 水平支撑 48钢管曲率同梯段板 穿透各层梯段板 250 55塑料套管 55塑料套管 模板(15mm厚木胶合板) 踢步钢模板 工具式连接钢板 1-5号48钢管,加工 成与梯段板同弧度 12 354 7 方案实施效果 通过工程实际应用，模板设计所选择的各类异形模板强度和刚度均达 到了设计和规范要求。经现场实测实量：所有弧形墙体、圆柱、异形椭圆 柱模板矢高、水平位移及垂直度均控制在 3mm 以内；所有双曲面楼板、弧 形梁、弧形楼梯模板测点标高均控制在+2-5mm 间，模板矢高均控制在 3mm 以内。 各异形构件成型后混凝土截面尺寸均未超出5mm 范围、竖向构件垂 直度及轴线偏差均控制在 5mm 以内；水平构件测点标高均控制在5mm 间。 附质量评价报告或统计汇总表 异形构件面积及混凝土体量汇总表异形构件面积及混凝土体量汇总表 NO. 弧形墙体圆柱异形柱双曲面楼板弧形梁总计 构件面积(m2) 1074001260234016903850116540 混