上海自然博物館創新施工技術研究

王 維，嚴 凱，周石磊（上海建工集團股份有限公司， 上海 200080）

1 自然博物館概況

上海自然博物館坐落于上海市靜安雕塑公園內，建筑面積 45257 m2，展覽教育服務面積 32200 m2。其設計靈感來源于“螺”的殼體結構，盤旋而上的綠植屋面從公園內冉冉升起，靜動有致的建筑宛如一只“綠螺”。建筑秉承“以人為本”的設計理念，融合“山水花園”的設計風格，采用“自然生態”的設計手法。通過其施工過程中的技術創新，最終完美呈現了“綠色生態建筑”的設計理念。項目效果圖如圖 1 所示。

圖1 項目效果圖

2 項目特點

上海自然博物館在自身場館建設過程中充分結合“自然”相關綠色生態技術，為節能、環保、生態的智能建筑。項目通過十二大生態節能技術體系實現上述目標，即：建筑節能幕墻、綠化隔熱外墻及綠化屋面一體化、地源熱泵技術、熱回收技術、太陽能綜合利用、自然通風策略、自然光導光技術、雨水回收系統、綠色照明、綠色建材、生態節能集控管理平臺、全壽命研究平臺。

在建設過程中，施工總承包單位針對技術難題進行了創新性研究，包括復合群坑施工成套技術、大面積異形清水混凝土技術、高精度異形網殼結構成套建造技術等。最大限度減小了地下工程建造過程中對城市帶來的不利影響，詮釋了清水混凝土的“美”與“簡”，亦將建筑最具特色的“細胞壁”以最完美的效果展現在大眾眼前。

3 技術創新

3.1 復合群坑施工成套技術創新

自然博物館由于其特殊的地理位置，與市政地鐵站、商務綜合體 2 個大型工程形成了一個緊密相連的綜合體。軌道交通 13 號線區間標準段下臥貫穿其中，將基坑分割為數個大小不一的異形坑段，而博物館基坑與相鄰在建的 60 號地塊基坑有著相互影響的關系。如此，共形成 7 個深度超過17 m 的基坑工程，地下施工周期長達 4 a。由于工程地點為市區核心部位，周邊管線復雜，保護建筑多，居民多，地質環境復雜，群坑工程為自然博物館的建設帶來了巨大的挑戰。群坑示意圖如圖 2 所示。

圖2 群坑示意圖

在組合群坑施工中，項目以解決現場實際問題作為基礎，對工程從理論到細部節點進行了深入的研究。工程應用中的主要創新包括：與軌交共建多重組合式深大異形基坑群合理籌劃、復雜環境條件下的交通改遷策劃技術、群坑設計合理優化、高效施工技術研究、復合基坑大面積降水研究等，形成了一系列關鍵的施工技術。

3.1.1 籌劃多重組合式深大異形基坑群

在博物館、商務綜合體基坑為主體、疊加地鐵站基坑的組合重疊式深大異形基坑群工程中，結合工程水文地質條件、周邊環境及工期要求，對群坑進行了總體策劃，有效合理地開展施工組織，確保各工序合理搭接。通過策劃，將基坑分為若干個大小不一的分區，并對每一個分區的圍護結構、支撐布置等重新優化。為了確保土方順利開挖，對局部地基進行加固，增加了基坑監測密度，秉持“以空間換時間”的原則，保證了群坑安全、高效地完成。群坑工程劃分圖如圖 3 所示。

圖3 群坑工程劃分圖

3.1.2 合理優化群坑設計

在群坑施工過程中，結合周邊各區域的基坑圍護、支撐形式，動態調整方案進行施工，確?；觾韧獾陌踩?，提高施工效率，實現了節約資源、降本增效的目標。

自然博物館基坑與車站區間段在自然博物館坑底以上同步開挖。在自然博物館坑底以上范圍區間段內，通過計算，取消了圍護地墻結構配筋，在滿足構造成型要求的基礎上，完成了圍護結構。同時對支撐進行了統籌優化，將 2 個基坑的開挖受力情況結合考慮，車站區間支撐僅需按自然博物館基坑底以下范圍，設置一道混凝土支撐（支撐面與自然博物館底板底標高相同）、一道鋼支撐。適當調整自然博物館取土棧橋位置，確保取土點可滿足兩個工程的取土要求。博物館與車站南段封堵墻兩側開挖示意圖如圖 4 所示。

圖4 博物館與車站南段封堵墻兩側開挖示意圖

3.1.3 復雜基坑大面積降水

對于核心區的大型基坑而言，降水工程一直是一個風險系數很大的難點。處理此復雜基坑的大面積降水施工時，施工方采用了“內外結合、按需降水、隨挖隨降、動態反饋”的超深降水技術。通過實踐及監測數據，明確了圍護結構隔斷作用時地下水的滲流規律，從而使得每一分塊的開挖與局部降壓相結合，既能確保群坑的安全，又將降水對周邊環境的影響降到最低。

3.2 大面積異形清水混凝土施工措施創新

圍繞自然博物館外圍一圈的每個立面都不一樣，而西面的清水混凝土墻體，則是這座“綠色建筑”的重要標志之一。博物館大面積采用了清水混凝土作為裝飾面，通過對其模板系統及線條排布工藝、施工縫節點處理等各方面細節處理得研究，最終展現出這一富有特色的建筑造型及裝飾效果。

3.2.1 模板體系及線條排布

由于建筑造型多為異形，選用多層覆膜板及木方、槽鋼、對拉螺桿散拼合模體系。通過可調對拉螺栓以及形狀定制的槽鋼對模板的拼接進行控制，為建筑“量體裁衣”，以達到最佳成型效果。

不同于普通建筑外立面裝飾方正對稱，自然博物館外立面由不同形狀的墻體交匯形成。為滿足線條統一美觀的要求，需對水平向、豎向施工縫及明縫提前規劃排布。同時，根據承重要求等篩選擬用模板的規格，并采用 BIM 技術進行排版，以精準計算模板用量、提高模板周轉率、避免缺錯碰缺，最終做到效果最佳、損耗最小。

圓弧墻、西立面斜墻根據明縫與建筑外輪廓的尺寸，經計算排布，按標準模板板塊 1220 mm × 2440 mm 大小，適當加工，損耗最?。〒p耗率約 0.16，已按 80.2° 角換算高度）。其中 1 層、5 層采用一套模板體系（按 5 層配備），2、3、4 層 采用一套模板體系，斜角部位獨立配置。

3.2.2 明縫、施工縫節點特殊處理

清水混凝土墻的施工縫在保證建筑防水功能的同時，弱化視覺的存在感。墻體施工過程中，在其底部實施了凹凸槽導墻做法。外墻插筋施工完成后，以外墻、內外排鋼筋為限位，在內側按設計高度設置導墻模板，模板與外側鋼筋采取臨時固定，導墻中部設置止水鋼板，導墻與結構樓層同步澆搗混凝土。在下一階段墻板施工中，按墻板定位要求，直接在樓板設置墻模限位，進行墻板施工。由于前期導墻模板處于結構內部，對外觀及定位要求不高，大幅降低施工難度。其次，內導墻外表面與止水鋼板共同作用，延長滲漏路徑。墻體立面不同于一般外露導墻部位需設置吊模施工，從而大幅減少模板固定與定位難度。這項舉措使外露施工縫可隱藏于陰角部位，確保了清水混凝土的觀感效果。

同時，在墻面施工縫位置有意識的設置 PVC 分隔縫，偽裝成裝飾條?；炷敛鹉：?，在施工縫位置，切割 1 cm左右槽口，人工鑿除施工縫外側表層 1 cm 左右混凝土。相鄰段混凝土結構施工階段，在凹槽原位設置相同分隔條，再進行混凝土澆筑。清水混凝土立面成型后，分隔條在視覺上形成凹槽式的裝飾線條，觀感上施工縫隱藏于凹槽內。

3.3 高精度異形網殼結構的成套建造技術

建筑核心區域的“細胞壁”鋼結構將結構力學特性和建筑藝術造型結合在一起，是博物館最大的特色之一。結構體系為空間異形不規則單層網架，網架由五邊形和六邊形網格組成。整個建筑造型呈半橢圓形螺旋上升，結構形態垂直豎立于地面，弧形中部向橢圓內傾斜（最大內傾約 5 m）。細胞壁底部坐落于 －16.100 m 大底板上，作為承重結構支撐著整個螺旋式屋面，結構兩側邊緣分別與混凝土結構墻體和索結構幕墻相連。細胞壁高度最高處為 32.5 m，橢圓長軸為 68.800 m，短軸為 46.800 m，墻體厚度約 1 m，弧線長度約 160 m，投影面積 2966 m2，展開面積 8426 m2。

3.3.1 多桿空間任意匯交節點的深化設計、制作技術

異形鋼結構外形縱橫交錯、無律可循，連接節點不固定，人工深化難度大、周期長，且難以保證準確性，無法貼合現場施工安排。但采用計算機軟件對設計原始數據進行導入、分析處理，自動三維建模并采集結構參數，可實現全過程可視化復核，大幅提高了深化效率。人工復核修改深化出圖后，采用計算機控制精準加工設備進行加工制作。全程無紙化施工，提高了構件深化及加工的準確性，避免人工失誤帶來的影響。此類異形鋼結構連接節點模式不同于普通鋼結構，加工制作容錯率很低，如采用傳統鑄造金工工藝進行制作，加工精度無法滿足安裝及裝飾要求。采用計算機輔助智能加工技術，大幅提升加工精度，不合格率低于 2%，且偏差值極小，現場安裝更精準、便捷，從而更貼合設計和裝飾效果。無論從受力性能還是裝飾效果來說，計算機輔助智能加工技術都更有優勢。

3.3.2 有限元分析在異形豎向承重鋼網架中的創新應用

異形豎向承重鋼結構網架，受力體系相當復雜，國內相同案例較少。因此，采用有限元對在異形豎向承重鋼網架進行分析，不但論證了鋼結構施工方案的合理性，而且對結構施工過程中的逐環無支撐自穩定安裝、結構變形控制等提供了理論支撐。施工工況與設計理論計算對比表如圖 5 所示。

圖5 施工工況與設計理論計算對比表

3.3.3 復雜異形網殼結構現場安裝工藝

采用“主體鋼結構自下而上逐環散裝”的方法。安裝過程中利用結構自身特點，采用逐環自穩定的方法，避免了增設側向穩定支撐，提高了施工功效。同時，節點與桿件組合安裝的方法解決了結構多桿件對位難的問題。設計的臨時連接節點構造、可調撐桿解決了結構快速安裝定位、現場校正的問題。實時測量監控并反饋鋼結構吊裝、焊接和溫度等變形數據，對于摸索異形鋼結構施工變形規律、指導現場動態調整施工工藝及異形網殼結構的最終安裝成型質量至關重要。

4 技術創新成果

（1）在基坑開挖階段的環境保護方面，自然博物館基于共建模式，通過群坑成套技術的創新，大幅降低項目建造過程中對城市正常運轉帶來的封路施工、道路翻澆、管線改造、路面沉降等不利影響。同時，在節約建造成本、時間成本的同時，實現 “綠色”建造和城市生活的“和諧”發展。

（2）通過對清水混凝土施工工藝的創新優化，現澆清水混凝土墻面表面成型效果光潔瑩潤、質感樸素，縱橫縫及線條流暢。轉角部位 30° 銳角清水結構一次成型。室內 30 m高弧形清水內墻，弧度準確，無折痕。獨立清水圓柱垂直度達標，平面位置精確，與清水墻面形成一直線。將清水混凝土的“簡”與“美”表現得淋漓盡致，同時豐富了清水混凝土的施工工藝，有助于進一步推廣清水混凝土這一綠色節能裝飾的應用。

（3）通過對“細胞壁”鋼結構從深化設計到加工制作，最后到現場安裝的建造成套技術創新研究，解決了大量非正交桿件組成的異形豎向網殼結構的一系列技術難題，掌握了此類復雜鋼結構的深化、加工、安裝施工的全過程技術要點。此類工藝可為后續國內此類高精度異形鋼結構的施工提供經驗和借鑒。

5 結 語

面對建筑業的轉型升級，越來越多的施工企業加大研發的投入，而基于項目的技術創新，則是企業研發最大的孵化器。唯有不斷的技術創新，才能獲得高質量的發展，從而進一步提升產業能效。唯有不斷的技術創新，才能不斷推進“綠色”建造和城市生活的“和諧”發展。上海自然博物館作為一個工程技術創新的優秀載體，在建造過程中形成了一系列科技成果、優秀工法、專利技術等，在建成后亦成為市民科普旅游、休閑社交、體驗自然的城市中新型公共場所，為創建人與自然和諧共生的美好未來做出了貢獻。