清水混凝土建筑分形協(xié)同建造關(guān)鍵技術(shù)*

江 筠,張 勇,劉 伙,徐 微,唐小斑

(武漢建工集團股份有限責任公司,湖北 武漢 430056)

0 引言

隨著我國經(jīng)濟水平的提高與建筑行業(yè)的蓬勃發(fā)展,人們對建筑的需求已不僅僅局限于滿足功能性、實用性,同時對建筑物的美觀性、工業(yè)化建造和環(huán)保性等方面也提出了新的要求。現(xiàn)澆飾面混凝土(俗稱清水混凝土),因其獨特的質(zhì)感和環(huán)保性在此背景下逐漸被大型公共建筑廣泛使用?，F(xiàn)階段的清水混凝土施工大多只將建筑主體和裝飾裝修結(jié)合考慮,而未將主體、機電安裝、智能化、裝飾裝修一并考慮,從而導(dǎo)致后期安裝、拆改等諸多問題。為避免后期安裝、裝飾過程中對結(jié)構(gòu)進行拆改,降低施工成本,同時確保建筑使用功能及工程施工質(zhì)量,本文以國家網(wǎng)絡(luò)安全人才培訓(xùn)中心工程項目的信息綜合樓核心筒、清水剪力墻和鋼骨柱為實例,通過施工策劃、技術(shù)研究及技術(shù)攻關(guān),形成了一套成熟的清水混凝土結(jié)構(gòu)施工與成品保護技術(shù)。該技術(shù)工藝成熟,技術(shù)先進,有效解決了清水混凝土結(jié)構(gòu)施工及后期安裝、裝飾等施工難點,同時提高了工作效率,保證了施工質(zhì)量,降低了施工難度及勞動成本。

1 工程概況

信息綜合樓是國家網(wǎng)絡(luò)安全基地的標志性建筑之一,地下1層,地上5層,總建筑面積43 667m2,結(jié)構(gòu)采用大跨度鋼框架-剪力墻組合結(jié)構(gòu)形式,清水剪力墻、鋼骨柱等豎向結(jié)構(gòu)布置在建筑四角,中部為鋼桁架。豎向結(jié)構(gòu)由清水剪力墻組成的4個核心筒和16根1 500mm×1 500mm勁性鋼骨柱構(gòu)成(見圖1)。豎向結(jié)構(gòu)的飾面清水混凝土最大單塊表面積為250m2,鋼骨柱的飾面清水混凝土表面積約 8 000m2。 清水混凝土模板采用18mm厚WISA板作為面板,幾字梁型鋼(40mm×60mm×3mm)作為豎向背楞,定制型鋼(70mm×100mm×3mm)作為橫向背楞,對拉螺桿采用M16高強多拉螺桿和部分三段式止水螺桿相結(jié)合,鋼骨柱四周的柱角采用30mm倒角條倒圓角,堵頭及假眼采用清水混凝土專用堵頭。

圖1 信息綜合樓

2 關(guān)鍵技術(shù)難點

2.1 清水核心筒多專業(yè)復(fù)雜系統(tǒng)協(xié)同設(shè)計與管理難點

信息綜合樓的清水混凝土極具特色,設(shè)計過程中需多專業(yè)復(fù)雜系統(tǒng)協(xié)同設(shè)計,施工過程中需復(fù)雜工藝與工序協(xié)同管理,其施工質(zhì)量對結(jié)構(gòu)及外觀影響非常大。針對清水核心筒的耐久性、美觀性、工程造價、綠色節(jié)能等關(guān)鍵點,采用何種施工方案及質(zhì)量控制技術(shù)尤為關(guān)鍵。一方面,需在設(shè)計階段明確清水核心筒的建筑功能劃分、模板規(guī)格及對拉螺桿精準定位;另一方面,以協(xié)同管理為核心,利用TOPSIS法對清水混凝土施工方案進行評價優(yōu)選。

2.2 清水混凝土模板工程技術(shù)難點

清水核心筒結(jié)構(gòu)邊長為12.5m,剪力墻厚為300mm,核心筒4個陽角為圓弧形,即1/4圓(外徑為1 800mm),層高為4 800mm?；∶媾c平面相交,根據(jù)各專業(yè)系統(tǒng)需在墻體預(yù)留不同尺寸的洞口及設(shè)置預(yù)埋件,而勁性清水混凝土鋼骨柱無法按常規(guī)施工進行中部穿絲桿,在施工過程中極易發(fā)生跑模、脹模、“鼓肚”、錯臺、漏漿等質(zhì)量問題。清水混凝土一次成活,完成面即為成型面,不允許二次開洞,模板安裝與其他專業(yè)工藝和工序必須有效協(xié)同,因此,模板工程的精益安裝及支撐體系設(shè)計、施工難度大。

2.3 清水混凝土鋼筋工程技術(shù)難點

清水混凝土對鋼筋工程綁扎質(zhì)量要求高,核心筒結(jié)構(gòu)剪力墻鋼筋水平筋φ12@150mm,縱向分布筋φ10@200mm, 四周弧形區(qū)域鋼筋綁扎難以保證有效的鋼筋保護層厚度,易發(fā)生無法合模、露筋、泛銹等質(zhì)量問題而造成返工。清水核心筒專業(yè)系統(tǒng)多,預(yù)留洞口、預(yù)埋件多,難以對復(fù)雜的鋼筋進行精確定位,鋼筋定位不準確,易影響下道模板工序的施工進度和混凝土澆筑質(zhì)量。因此,需對鋼筋工程進行技術(shù)攻關(guān),從翻樣、制作、綁扎多環(huán)節(jié)進行控制。

2.4 清水混凝土成品保護技術(shù)難點

飾面清水混凝土澆筑完成面即為最終成型面,清水剪力墻和鋼骨柱施工完成后,后續(xù)有二次結(jié)構(gòu)、樓層陽臺防水、幕墻及精裝修等分項工程施工,施工工序多、時間長。在此期間,清水混凝土成型面長期處于裸露狀態(tài),清水飾面污染風險高,而目前施工現(xiàn)場用夾板或塑料薄膜覆蓋保護,操作麻煩、易損壞、利用率低、材料消耗大、次生垃圾多、對環(huán)境污染大,而且需在清水飾面上打孔用螺栓固定,對清水混凝土造成一定程度的破壞。因此,裝飾孔、陰陽角、模板拼縫、清水墻、清水預(yù)制樓梯等重要節(jié)點部位必須進行成品保護的技術(shù)攻關(guān)。

3 清水混凝土建筑分形協(xié)同建造技術(shù)

3.1 清水核心筒多專業(yè)復(fù)雜系統(tǒng)分形協(xié)同技術(shù)

3.1.1清水核心筒多專業(yè)復(fù)雜系統(tǒng)協(xié)同設(shè)計

在工程施工前,設(shè)計院通過應(yīng)用一體化技術(shù),將全專業(yè)方案協(xié)同設(shè)計、施工圖設(shè)計等匯總設(shè)計成果上傳至數(shù)據(jù)整合平臺,再將整合的數(shù)據(jù)上傳至云平臺,實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時共享,提高各專業(yè)設(shè)計的契合度。通過數(shù)據(jù)整合平臺對各專業(yè)設(shè)計數(shù)據(jù)的高度集成,檢查各專業(yè)設(shè)計間的碰撞點、交叉面和遺漏點,及時調(diào)整優(yōu)化,尋求最優(yōu)設(shè)計方案,進行協(xié)同設(shè)計。結(jié)合優(yōu)化后的設(shè)計數(shù)據(jù),指導(dǎo)建筑、結(jié)構(gòu)、機電、暖通、消防及給排水等專業(yè)設(shè)計單位在套管、洞口預(yù)留、消防箱、滅火器箱及立管等方面進行圖紙深化。通過多專業(yè)復(fù)雜系統(tǒng)協(xié)同設(shè)計,有效提高設(shè)計的準確性,減少設(shè)計缺陷(見圖2)。

圖2 系統(tǒng)協(xié)同流程

3.1.2清水核心筒多專業(yè)復(fù)雜系統(tǒng)協(xié)同管理

3.1.2.1清水核心筒多專業(yè)復(fù)雜系統(tǒng)協(xié)同管理

清水核心筒多專業(yè)系統(tǒng)在有限的空間中密集排布,必須進行協(xié)同管理。建筑(飾面清水混凝土、電梯、裝配式樓梯、衛(wèi)生間等)、結(jié)構(gòu)(鋼筋模板、混凝土、鋼結(jié)構(gòu)工程)、給排水、機電、消防、暖通、智能等多專業(yè)系統(tǒng)均設(shè)置在4個核心筒(156m2/個)內(nèi),管線交叉復(fù)雜、空間緊湊、集成度高(見圖3)。施工單位利用數(shù)據(jù)整合平臺中的各專業(yè)設(shè)計BIM模型,對清水核心筒各專業(yè)的交叉施工進行三維可視化模擬,發(fā)現(xiàn)圖紙問題,及時優(yōu)化調(diào)整建筑結(jié)構(gòu)的標高、尺寸,機電安裝預(yù)埋件及洞口位置、尺寸等參數(shù);再根據(jù)優(yōu)化后的圖紙和模型進行深入分析,針對具體的重難點分項工程,編制有針對性的、可操作的、合理可行的施工方案,指導(dǎo)現(xiàn)場施工,有效提高施工效率(見圖4)。

圖3 機電安裝系統(tǒng)與清水混凝土墻關(guān)系

圖4 信息綜合樓及核心筒系統(tǒng)協(xié)同管理

3.1.2.2基于TOPSIS法的設(shè)計方案比選

在核心筒工程設(shè)計階段針對核心筒耐久性、美觀性、工程造價、綠色建筑采用TOPSIS法對飾面現(xiàn)澆清水混凝土(A)、仿清水混凝土(B)、現(xiàn)澆混凝土+裝飾清水混凝土掛板(C)等進行方案比選:墻面的美觀性以平整度、垂直度和接縫寬度3個指標予以控制(見表1),具體量化數(shù)值參考DB11/T 464—2015《建筑工程清水混凝土施工技術(shù)規(guī)程》、JGJ 169—2009《清水混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》、GB 50210—2018《建筑裝飾裝修工程質(zhì)量驗收標準》。

表1 核心筒清水方案指標情況

4個評價指標類型、屬性及量綱不同,須對這些指標進行標準化處理后才能定量、定性地對其綜合評價,耐久性、美觀性為正指標,成本和空間利用為逆指標,首先需將所有指標同趨勢化處理。即令原始數(shù)據(jù)中低優(yōu)指標Xij(i=1,2,…,n;j=1,2,…,m)通過X′ij=1/Xij變換而轉(zhuǎn)化成高優(yōu)指標,核心筒的耐久性、美觀性、成本和空間4個指標進行同趨勢化處理,可得到指標轉(zhuǎn)化值(見表2)。

表2 核心筒指標轉(zhuǎn)化值

(1)

(2)

Ci在0與1之間取值,Ci越接近1,表示該評價對象越接近最優(yōu)水平;反之,越接近0,表示該評價對象越接近最劣水平。不同施工方案指標值與最優(yōu)值的相對接近程度及排序結(jié)果如表3所示。

表3 核心筒指標值與最優(yōu)值排序結(jié)果

按Ci大小將各指標排序,Ci越大表示綜合效果越好,如表3所示,A最優(yōu)。

3.1.3飾面清水核心筒禪縫分形建造策劃

每層清水混凝土剪力墻由若干①號塊(4.5m×3m)組成,根據(jù)分形理論,將清水混凝土①號塊進行分形,成為9個②號塊(1.5m×1m),即為一塊清水混凝土模板。在②號塊的基礎(chǔ)上繼續(xù)分形成為9個③號塊(0.5m×0.33m),再在③號塊的基礎(chǔ)上繼續(xù)分形成為9個④號塊(0.16m×0.11m),即為固定清水混凝土模板的對拉螺栓孔,即清水混凝土成型后的裝飾孔。在門窗、消火栓、電梯洞口等位置按分形塊提前預(yù)留空出,后期安裝門窗、消火栓(見表4和圖5)。

表4 清水混凝土1～5層分形自相似塊統(tǒng)計

圖5 飾面清水混凝土1～5層分形(單位:m)

針對4種不同尺度層級的自相似塊,分別統(tǒng)計每個核心筒不同自相似塊個數(shù),其中①～④號塊具有明顯的比例關(guān)系,構(gòu)成自相似集,計算由這4種塊組成的分形的豪斯多夫維數(shù),與謝爾賓斯基類似。

式中:D為自相似維數(shù);N為縮小后所形成的相似圖形數(shù)量;r為分形圖形的縮小倍數(shù)。

3.2 清水混凝土建筑關(guān)鍵工藝及節(jié)點技術(shù)

3.2.1清水混凝土模板工程質(zhì)量精益控制

曲面墻體模板采用現(xiàn)場加工組合模板支撐體系,經(jīng)深入研究,提出基于智能建造的飾面清水混凝土結(jié)構(gòu)施工方法,將智能建造平臺上模板信息導(dǎo)入機床對模板進行機械化加工。在數(shù)控機床上,背離混凝土面的模板每隔25mm切割寬為5mm、深為10mm的凹槽,按絲桿深化排版圖鉆出預(yù)留洞口加工出模板;用機床按結(jié)構(gòu)平面形狀分段用模板切割寬度為120mm小橫楞,同時用模板制作出寬度30mm固定條,將模板沿小橫楞邊緣彎曲用射釘臨時固定,再將固定條彎曲與模板及小橫楞用射釘正式固定牢固,采用射釘固定且整體呈曲面體,根據(jù)施工位置粘貼二維碼(見圖6)。

圖6 清水混凝土模板節(jié)點設(shè)計(單位:m)

復(fù)雜節(jié)點模板體系設(shè)計,依據(jù)裝飾工程規(guī)范要求定位控制,模板安裝如圖7所示,首先采用紅外激光儀掃出模板支設(shè)控制線,用墨斗在地上彈出控制線,然后在地面裝飾層標高以下焊接定位支撐,再搭設(shè)模板,兩對邊模板用對拉螺桿固定牢靠。

圖7 清水混凝土模板體系定位安裝

1 500mm×1 500mm勁性清水混凝土柱,在鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件加工時,根據(jù)深化圖紙裝飾孔的位置,在型鋼柱工廠加工時安裝焊接絲桿套筒,主背楞中部支撐通過絲桿套筒固定在型鋼柱上,保證對拉螺桿的位置準確,穩(wěn)定地加固鋼骨柱模板(見圖8)。

圖8 鋼骨柱模板加固

3.2.2清水混凝土鋼筋工程質(zhì)量精益控制技術(shù)

清水混凝土鋼筋工程,先施工單側(cè)模板再綁扎鋼筋,然后施工另一側(cè)模板。先立單側(cè)模板矯正安裝機電預(yù)埋盒、預(yù)留洞口。鋼筋工程施工時按模板的弧度梅花形卡塑料保護層卡環(huán)(5個/m2)進行綁扎,再施工另一側(cè)模板。鋼筋綁扎的扎絲絲頭置于內(nèi)側(cè),保護層厚度均勻,無露筋、無法合模等現(xiàn)象。鋼筋表面清潔無浮銹,選用與混凝土表面顏色接近的墊塊,厚30mm,間距600mm×600mm,呈梅花形布置,墊塊位置、間距應(yīng)準確,墻體水平筋綁扎時多綁2道定位筋,高出板面400mm,以防止墻體插筋移位。豎向筋綁扎前應(yīng)根據(jù)排布好的螺桿眼位置進行定位,豎向筋位置需避開螺桿眼位置并事先進行調(diào)整。墻筋綁扎時清水面絲扣應(yīng)滿綁,扎絲多余部分向內(nèi)彎折,以防外露導(dǎo)致混凝土表面出現(xiàn)銹斑(見圖9)。

圖9 清水混凝土模板拼裝過程

3.2.3飾面清水混凝土成品保護技術(shù)

在結(jié)構(gòu)施工過程中樓面存在積水,為防止毛細水污染飾面清水混凝土墻面,在清水墻腳做水泥砂漿R角(100mm)保護。清水混凝土裝飾孔采用清水混凝土裝飾孔裝置,既美觀又能防止在施工和使用過程中缺棱掉角。根據(jù)施工工藝和工期要求,清水混凝土至少需做2次成品保護(主體結(jié)構(gòu)施工階段、裝飾施工階段),目前施工現(xiàn)場用夾板或塑料薄膜覆蓋保護,操作麻煩、易損壞、垃圾多,對環(huán)境污染大。針對這一問題采用用于清水混凝土墻成品保護的裝置,將可周轉(zhuǎn)使用的膨脹螺栓固定在絲桿孔即可實現(xiàn),成品保護效果好。清水裝配式預(yù)制樓梯成品保護采用基于卯榫結(jié)構(gòu)原理的預(yù)制樓梯成品保護裝置對梯面及陽角進行保護,卯榫裝置拼裝組合便捷、安全系數(shù)高、使用過程穩(wěn)定(見圖10)。

圖10 清水混凝土墻柱成品保護及成型效果

3.2.4清水混凝土關(guān)鍵節(jié)點精益控制技術(shù)

1)清水混凝土模板拼縫節(jié)點控制 兩相鄰清水混凝土模板間的水平縫和垂直縫節(jié)點質(zhì)量的控制直接影響混凝土施工時的跑模、脹模,還會影響成型后的平整度,對觀感質(zhì)量影響大。兩相鄰模板間用加固件連接并用自攻螺釘固定,在中部位置適當加密,保證兩相鄰模板嚴絲合縫,確保清水混凝土澆筑成型面平整無錯臺起坎現(xiàn)象。澆筑混凝土前,兩相鄰模板間的水平縫和垂直縫務(wù)必采取粘貼雙面泡沫膠,保證澆筑混凝土過程中不出現(xiàn)漏漿問題(見圖11)。

圖11 模板拼縫示意

2)預(yù)留盒與模板節(jié)點控制 清水混凝土墻完成面即為最終成型面,各專業(yè)系統(tǒng)的洞口必須在鋼筋綁扎、模板支設(shè)時預(yù)留好。清水混凝土墻上的消防箱箱體預(yù)留盒、消防立管預(yù)留盒、水平管預(yù)留盒陽角處模板相交處各切45°角,再用射釘連接,降低跑模風險,保證各預(yù)留盒的精準定位。預(yù)留孔、洞及線盒的安裝,依據(jù)預(yù)埋的孔、洞、套管和線盒位置,在清水混凝土模板大樣圖上詳細注明其位置,便于模板加工及安裝時精確測量并畫出位置線,依據(jù)預(yù)埋的鋼管和線盒將來外露形狀,用WISA板裁成同其外形相同且比外形尺寸大3mm的板塊,將該板塊與模板固定,模板支設(shè)完成后,從另一邊精確調(diào)整所需預(yù)埋的鋼管和線盒,使其處于附加板上,并將所需預(yù)埋的鋼管和線盒固定牢固,同時用玻璃膠縫隙封堵嚴密(見圖12)。

圖12 預(yù)埋盒模板相交處處理

3)結(jié)構(gòu)陽角節(jié)點控制 考慮鋼骨柱陽角成型后美觀度,在鋼骨柱鋼筋綁扎、模板支設(shè)的同時,在結(jié)構(gòu)陽角處模板內(nèi)側(cè)單獨設(shè)計通長的陽角弧形裝飾條。采用螺紋鉤對陽角弧形裝飾條進行加固,結(jié)構(gòu)陽角部位的背楞要預(yù)留20～30mm的間距,用于螺紋鉤連接緊固,二次加固,然后插入銷釘,使陽角弧形裝飾條與模板固定牢靠。調(diào)整對拉螺桿上的旋鈕,保證結(jié)構(gòu)陽角達到水平90°,再與混凝土同時澆筑,能保證結(jié)構(gòu)陽角美觀、線條順直,防止陽角脹模產(chǎn)生“鼓肚”現(xiàn)象(見圖13)。

圖13 結(jié)構(gòu)陽角節(jié)點

4)清水混凝土墻樣板標準控制 通過試配及現(xiàn)場試驗,經(jīng)建筑設(shè)計師選定后,現(xiàn)場制作清水樣板墻,對存在的問題及時進行解決。清水樣板墻實施后,發(fā)現(xiàn)有氣泡偏多等問題,經(jīng)過仔細研究分析,混凝土配合比不當導(dǎo)致其工作性能不能滿足質(zhì)量要求,為此對混凝土的砂率及外加劑進行調(diào)整和反復(fù)試配,確定了最佳配合比。樣板墻制作完成后,得到各方認可。精選優(yōu)質(zhì)碎石與黃沙,嚴格控制出廠質(zhì)量,保證了清水混凝土外觀色澤一致,表面光滑,無色差、蜂窩、麻面、砂線或損傷等外觀缺陷,氣泡少且直徑<2mm,利用超聲波檢測柱體結(jié)構(gòu)內(nèi)部均勻,強度均超出設(shè)計等級,合格率100%。

3.2.5清水混凝土三維可視化交底技術(shù)

在實施過程中利用數(shù)據(jù)整合平臺將實施方案建立三維模型進行交底,數(shù)據(jù)整合平臺自動生成帶有材料和分類編號的二維碼(見表5,6)。將二維碼粘貼在各構(gòu)件和周轉(zhuǎn)材料上,施工人員掃二維碼對照三維模型進行安裝(見圖14)。

表5 清水核心筒預(yù)留矩形洞口

表6 清水核心筒預(yù)留圓形洞口

圖14 清水混凝土可視化交底

4 結(jié)語

針對清水混凝土建筑分形協(xié)同建造關(guān)鍵技術(shù),通過多專業(yè)復(fù)雜系統(tǒng)協(xié)同設(shè)計、復(fù)雜工藝與工序的協(xié)同管理,深入研究關(guān)鍵節(jié)點,將清水混凝土按謝爾賓斯基地毯進行分形迭代,形成不同層級的禪縫分形自相似塊,與清水混凝土模板、形成映射,精確定位和算量。通過設(shè)計方案優(yōu)選、BIM技術(shù)放樣、鋼筋精細化管理、模板設(shè)計與支撐施工、剪力墻預(yù)埋件施工、混凝土施工、成品保護等技術(shù)措施,對重難點關(guān)鍵節(jié)點進行技術(shù)攻關(guān),有效解決了施工技術(shù)難題。