异型模板及支撑体系技术研究

1、鉴定材料之五国家大剧院结构工程异型模板及支撑体系技术研究北京城建集团有限责任公司目 录1 前言12 工程概况及特点、难点分析12.1 曲线混凝土构件概述12.2 特点及难点分析33 项目研究思路43.1 项目研究的主要内容43.2 模板设计计划达到的技术经济指标43.3 项目研究的技术路线54 项目研究的主要内容54.1 弧墙曲率段划分及不同弧段模板方案的设计研究54.2 可调曲率弧形模板背部紧伸器设计研究74.3 弧墙模板体系活动角模设计研究74.4 弧墙曲率调节及现场检测控制方法84.5 可调曲率弧形模板受力分析95 弧形墙体模板设计方案125.1 曲率半径R25m的弧形墙体125.2 曲

2、率半径3mR<25m的弧形墙体135.3 曲率半径R<3m的弧形墙体136 其他曲线模板设计方案146.1 内置型钢圆柱模板146.2 异形椭圆柱模板166.3 双曲面楼板模板166.4 曲线楼梯模板187 方案实施效果198 技术经济和社会效益分析208.1 经济效益分析208.2 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

3、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

4、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NO歌剧院音乐厅戏剧院曲线一（x-105.9625）2（y-6.037）250.9242（x+55.363）2（y-24.651）254.5032曲线二（x-74.97）2（

5、y+15.118）215.1152（x+73.255）2（y-12.723）29.1542曲线三（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曲率半径歌剧院音乐厅戏剧院总长度百分比R<3m245m623m747m1615m6.2%3mR<25m2401m3286m2675m8362m32.1%R25m7280m4366m4427m16073m61.7%各剧场墙体夹角统计表(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%7510

6、5°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

7、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

8、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

9、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NO.模板板面次龙骨主龙骨允许最大挠度1.0mm，L1/3001.5mm，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。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

10、路线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。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：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；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；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

11、案。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。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。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

12、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。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3

13、m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。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

14、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3mR<25m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

15、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ø4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：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

16、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。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

17、注意，沿模板高度方向同时调节。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计算依据1、钢材力学性能取值：a钢材弹性模量：E2.06×105N/mm2b钢材强度设计值：抗拉、抗压、抗弯f215N/mm2c螺栓连接强度：抗拉ft170N/mm2d 10#槽钢几何特性：Ix = 3966000mm4、Wx = 79400mm3、A = 2548 mm22、木材力学性能取值：a木材

18、弹性模量：E4.68×103N/mm2b木材抗拉强度：f9.7N/mm23、设计参数：a木梁布置间距：300mmb横背楞槽钢布置间距：900mmc砼有效高度：1000mmd砼最大侧压力：60KN/m2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：11.80KNb最大扰度：0.29mm分析结果为合格。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。槽钢背楞验算分析图形：双槽钢横背楞布置间距为90

19、0mm，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（2440×1220mm）作为模板面板基本单元；100×200mm木工字梁250mm、10# 双槽钢900mm组成纵横背楞；模板标准尺寸为2440×3660mm、2440×1220mm、2440×2440mm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

20、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：5.2曲率半径3mR<25m的弧形墙体对于曲率半径3mR<25m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：5.3曲率半径R<3m的弧形墙体采用全钢定型曲率大模板：面板及横

21、、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900×900mm间距布置。定型曲率大模板构造及接高形式如下图所示：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：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

22、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：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

23、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

24、于600mm）。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（100×100mm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（50×100mm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

25、块尺寸控制在1200×900mm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50×100mm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：7方案实施效果通过工程实际应用，模板设计

26、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混凝土体量(m3)46700265420580126049225如上表所示，异形构件成形混凝土体量达49225 m3，总面积达116540 m2。全部成形混凝土构件外美内实，所形成的曲线圆滑、流畅、弧度准确；所形成的夹角规矩、角度