雙曲拋物面薄殼結構塔類建筑建設淺談

彭鐘

摘 要 薄殼結構一般是指由兩個幾何曲面構成的空間薄壁結構，該結構可以充分利用材料強度，形成造型奇特新穎且能適應各種使用需求的建筑。本文以某座燈塔建設為例，對雙曲拋物面薄殼結構建筑的建設進行介紹。

關鍵詞 雙曲拋物面；薄殼結構；塔類；設計；施工

薄殼結構一般是指由兩個幾何曲面構成的空間薄壁結構，按曲面生成的形式分為筒殼、圓頂薄殼、雙曲扁殼和雙曲拋物面殼等，材料大都采用砼。薄殼結構的優點是能充分利用材料強度，依靠曲面內的雙向軸力和順剪力，把受到的壓力均勻地分散到物體的各個部分，減少受到的壓力，做到同時將承重與圍護兩種功能融合為一。本文以某座燈塔建設為例，對雙曲拋物面薄殼結構建筑的建設進行介紹。

1 項目概況

海南某航標處近期完成了一座沿海燈塔建設。該燈塔位于海南省文昌市銅鼓嶺東側的銅鼓咀上，高度53.6米，燈塔共13層，建筑面積約990平方米。該燈塔基礎為樁基礎，主體結構為鋼筋混凝土核心筒剪力墻結構，塔頂為定制銅燈籠。該建筑方案由深圳天合建筑設計事務所有限公司完成，由黑龍江集盛建筑設計有限公司海南分公司配合完成施工圖的設計。建筑外立面為三片雙曲拋物面薄殼結構和三條帶狀玻璃幕墻圍護而成。該燈塔造型獨特、結構新穎，以雕塑手法設計流暢平滑的曲面造型，上揚、外張的外形使其極具動感及上進之意，建筑效果圖及竣工圖如圖1、圖2所示。

2 基礎形式簡介

因本項目位置在銅鼓咀山頂，又在海南島陸地最東側位置，臺風登陸頻繁，2015年曾遭遇“威馬遜”17級超強臺風，故基本風壓取值按照17級臺風風壓考慮，即取2.25KN/平方米。燈塔基礎根據地勘資料采用沖孔灌注樁，承臺為整體性優良的聯合樁筏，以滿足抗傾覆要求。基礎總計采用24根直徑800mm的灌注樁，樁有效長度約22米，樁位布置如圖3所示。

3 塔身建筑結構形式及施工要點

根據建筑方案塔身修長高聳的特點，塔身結構主體設計采用鋼筋混凝土剪力墻筒體結構，底層擴大平面的裙房采用框架—剪力墻結構。該燈塔在平面設計上采用中間圓形空間向外與3個圓弧空間組合，3個圓弧空間組合分別通過圓心有3條對稱軸，燈塔平面整體形同一朵盛開的3瓣花，燈塔垂直交通系統由樓梯與一部電梯組成。塔體高寬比為9.0，長寬比為1.0。塔身平面尺寸由一層的邊長20.785米，向上逐漸收窄，到第七層平面邊長最小，為8.178米，再向上逐漸放大，到屋面層頂部的三片花瓣狀造型邊長為11.8米。

耐久性設計方面，此燈塔的設計合理使用年限為100年。為達到百年燈塔的設計目標，燈塔塔身必須具有可靠的抗震和耐自然侵蝕性能。本項目建筑抗震設防類別為乙類（重點設防），地基基礎設計等級為甲級，主體結構的耐久性設計采取了以下措施：

（1）結構構件按三a類（海風環境）環境類別設計，使其耐久性應符合有關標準規定。

（2）對建筑物的耐久性采取加強措施：①采用商品預拌混凝土，強度等級為C40、抗滲等級為S8。②控制混凝土中的最大氯離子含量為0.06%。③控制混凝土中的最大堿含量為3.0kg/m3。④增加混凝土保護層厚度 （板、墻30mm，梁、柱40mm）。⑤在混凝土中，添加筑金液（DPS）等外加劑。⑥所有鋼筋均采用高強鋼筋HRB400。⑦結構構件中的受力鋼筋采用環氧樹脂涂層帶肋鋼筋。⑧在使用過程中，應定期維修。

施工方面，燈塔內部兩個環形核心筒采用了滑模施工，減少了現場場地占用并保證了施工速度和結構整體性。核心筒之間的樓梯采取了植筋后澆混凝土的方式進行施工。平面最大半徑為12m，最小4.7m，施工作業面狹窄，施工單位采用了綜合（鋼筋、模板、混凝土）班組以避免窩工，保證了工程進度。燈塔外立面的曲面構造雖然豐富了建筑造型，但是在進行外圍薄殼結構施工時，無論是鋼筋綁扎、模板支設還是澆筑混凝土，都非常費工、費時、費材料，對施工造成了一定的困難。過大的曲度造成了鋼筋加工和綁扎的難度幾何級增加。針對這種情況，施工單位購置了鋼筋數控曲度加工機械，根據雙曲面外殼的弧度數字化鋼筋制作，并且逐漸積累曲面鋼筋綁扎經驗，加快速度；另一方面，普通木模板不論是混凝土成型的表面圓滑程度，還是模板本身的剛度都無法滿足雙曲面外殼的造型要求，施工方經與鋼模板生產廠家溝通，根據施工圖紙，將整個燈塔外圍雙曲面薄殼進行電腦建模，訂制生產了一次性整體鋼模。整體鋼模每塊高度1.8米，每兩塊3.6米高為一層。一次性整體鋼模的使用保證了實際建筑造型與效果圖的一致性，也確保了工程工期按計劃進行。由于燈塔為雙曲面結構，層高3.6米，薄壁造型剪力墻僅僅厚160mm，特別是燈塔第一層層高7.2m，是雙曲面曲度最大的位置。大曲度也給混凝土澆筑振搗造成困難，常規50mm振動棒無法完全振搗到位，導致澆筑完成的混凝土存在蜂窩、麻面等通病。本工程通過購置30mm振動棒，針對性個別局部位置充分振搗，雖仍個別部位仍存在混凝土通病現象，但拆模后的觀感效果得到較大幅度提高。

4 結束語

該雙曲拋物面薄殼結構燈塔2016年9月開工建設，2017年12月完成。建設、設計、施工單位在工程設計和施工過程中遇到了一系列問題和困難，通過不斷協調、解決問題，順利完成了項目建設，積累豐富了雙曲拋物面薄殼結構塔類建筑的建設經驗。