大面積地下室建筑結構整體性分形協同建造關鍵技術*

江 筠,方真剛,張 勇,羅先林,羅躍鋒

(武漢建工集團股份有限責任公司,湖北 武漢 430056)

1 工程概況

國家網絡安全人才培訓中心工程位于武漢市東西湖區臨空港大道、新徑公路及濱河北路合圍地塊內。本項目總建筑面積約33萬m2,包含信息綜合樓、教學實驗樓、附屬樓、食堂、學生宿舍(B,C棟)。地下室建筑面積約73 000m2,由信息綜合樓、教學實驗樓、附屬樓和食堂4個單體建筑的地下部分組成,南北向約270m,東西向約270m,形成一個超大的地下室(見圖1)。地下室結構形式為鋼筋混凝土框架結構,建筑用途為停車及設備用房。結構底板采用C35防水密實混凝土,抗滲等級為P6,厚度500mm,原設計有9條不規則的縱橫向后澆帶,寬800mm,采用高一級的補償收縮混凝土;建筑地面采用C30細石混凝土,厚200mm,地下室結構底板和建筑地面均采用跳倉法施工。

圖1 國家網絡安全人才培訓中心地下室

2 大面積地下室分形協同建造技術方案

2.1 技術路徑

地下室建筑結構施工質量影響因素較多,如形態面積因素、沉降因素、使用功能因素、混凝土收縮因素、施工組織流向因素、排水因素、交接處高低差因素、地下水上浮因素等[1-3],裂縫控制較復雜,因此必須結合實際特點進行深入研究。常規的施工方法是按地下室建筑結構分部分項工程的流水段進行定性拆解,推演施工過程,指導項目施工全過程管理,而分形協同建造方法從定性拆解演進到定量拆解,用幾何語言刻畫、分析及指導項目施工過程。分形協同建造方法是依據現代分形幾何理論,將分形建筑設計方法的優勢與后續的施工組織設計、施工技術應用及項目管理進行有機融合,從而形成的可系統性解決大面積、復雜地下室的新型施工方法[4]。由此形成了大面積地下室建筑結構分形協同建造的技術路徑:一方面,以分形理論為核心,將結構底板、澆筑地面進行有序分形,分別對其關鍵分形節點設計沉降后澆帶、膨脹加強帶、擋水坎+排水溝、伸縮縫、切縫及鋼筋控制定位等技術進行攻關;另一方面,以協同管理為核心,利用TOPSIS法對地下室面積均等方案進行評價優選,應用后澆帶間距控制原理進行跳倉塊劃分,從而達到“裂縫控制裂縫”的目的(見圖2)。

圖2 分形協同建造技術路徑

2.2 基于TOPSIS法的地下室建筑結構面積均等劃分

2.2.1基于TOPSIS法的地下室建筑結構指標評價體系創建

大面積地下室建筑結構的施工過程復雜、影響因素多,選擇對地下室建筑結構施工質量有直接影響的單位造價S1、技術難易性S2、施工周期S3、排水效率S4、建筑功能與平面布局的匹配性S55個主要影響因素,創建方案評價指標體系[5]。其中,S2,S4,S5屬于正指標,S1,S3屬于逆指標[5]。對S1和S3的定量描述結合工程施工現場及商務情況進行測算,S2通過統計建筑結構等面積劃分后切割設備房數量來直觀反映,S4通過不同方案需增加的集水井或排水溝數量來確定,S5通過不同方案與地下室設備功能房的交叉性確定(見表1和圖3)。

表1 面積均等劃分方案評價

2.2.2基于TOPSIS法的地下室建筑結構面積均等方案優選

2.2.2.1不同劃分方案的指標轉化

表2 方案指標轉換值

2.2.2.2不同劃分方案的數據歸一化處理

(0.48,0.31,0.49,0.41,0.37)。

2.2.2.3不同劃分方案的優選排序

(1)

(2)

Ci在0～1取值,Ci越接近1,表示該評價對象越接近最優水平;反之則表示該評價對象越接近最劣水平。按式(1)、式(2)計算3種施工方案的指標值、最優值,并對結果進行排序,排序結果如表3所示。

表3 方案指標值與最優值及排序結果

由最終計算的Ci值大小(越大越接近最優方案)來判斷方案的優選性可知,九等分>十六等分>四等分。

2.3 大面積地下室結構底板分形協同建造技術

2.3.1大面積地下室結構平面分形迭代

由于信息綜合樓、教學實驗樓、附屬樓和食堂的建筑高度、結構形式不同,各單體建筑不均勻沉降而使地下室結構平面出現裂縫問題。按謝爾賓斯基地毯分形,將整體地下室結構平面①號自相似塊(270m×270m)進行一級分形迭代,得到②號自相似塊(90m×90m),在①,②號自相似塊節點設置沉降后澆帶來控制地下室結構平面裂縫。根據 GB 55008—2021《混凝土結構通用規范》規定,一次性澆筑長度宜≤40m,否則混凝土易開裂[6],而結構平面②號自相似塊面積過大,因此將結構平面②號自相似塊進行二級分形迭代得到③號自相似塊(30m×30m),在②,③號自相似塊節點設置膨脹加強帶,緩解混凝土收縮變形開裂(見圖4)。

圖4 地下室結構平面分形迭代

2.3.2大面積地下室結構平面分形節點技術

1)一級分形節點技術 地下室原設計的沉降后澆帶平面位置分布呈無序狀態,優化后的沉降后澆帶是按分形理論進行設計,其位置A與地下室結構平面一級分形相契合。地下室結構底板的沉降后澆帶構造如圖5所示,采用超前止水,帶寬800mm,采用快易收口網和鋼板止水帶組合設置,收口網和止水鋼板通過筏板鋼筋骨架焊接固定,防止變形與移位。

圖5 沉降后澆帶位置及構造

2)二級分形節點技術 膨脹加強帶一般設計在混凝土收縮應力產生最大處,通常是建筑物長度方向的中間位置[6-7],其位置B與地下室結構平面二級分形相契合。地下室結構底板的膨脹加強帶如圖6所示,寬2 000mm,兩側用快易收口網隔開,并按每隔600mm設1根φ18豎向支撐螺紋鋼筋與受力主筋焊接予以加固,其上、下均應留出≥25mm混凝土保護層,沿加強帶截面方向上加設附加鋼筋(φ8@200mm)。鋼絲與鋼絲網、上下水平鋼筋及豎向加固筋綁扎或焊接牢固,防止澆筑混凝土時爆模、漏漿,影響膨脹加強帶質量。

圖6 膨脹加強帶位置及構造

2.4 大面積地下室建筑地面分形協同建造技術

2.4.1大面積地下室建筑地面分形迭代

由于地下室建筑地面面積較大,又必須滿足施工組織、工藝、標準及規范要求,需將地下室建筑地面進行分區施工,才能更好地保證施工組織、工藝的連續性及施工質量。按分形理論的謝爾賓斯基地毯分形,將地下室建筑地面①號自相似塊進行一級分形迭代——九大分倉,得到建筑地面②號自相似塊,在①,②號自相似塊節點設置排水溝+隱藏式擋水坎。將建筑地面②號自相似塊進行二級分形迭代得到③號自相似塊,在②,③號自相似塊節點設置伸縮縫,構成最基本的跳倉單元。再將建筑地面③號自相似塊進行三級分形迭代得到④號自相似塊(10m×10m),在③,④號自相似塊節點設置切縫,吸收混凝土的收縮變形。將建筑地面④號自相似塊進行四級分形迭代得到⑤號自相似塊(3.33m×3.33m),在⑤號自相似塊區域布設鋼筋網片,增強建筑地面的抗裂性(見圖7)。

圖7 地下室建筑地面分形迭代

2.4.2大面積地下室建筑地面分形節點技術

1)一級分形節點裝置(隱藏式擋水坎和排水溝) 地下室建筑地面的擋水坎和排水溝分形節點裝置是基于分形理論設計,如圖8所示,其布設位置C與地下室建筑地面一級分形相契合,將整體地下室建筑地面分形成為9個面積相等的自相似塊,根據系統論整體與局部的特性,一個大的整體分形成幾個面積均等的局部單元,局部單元間相互影響最為均衡。地下室建筑地面排水坡度3%,擋水坎為隱藏式,在建筑地面內部,先澆筑成型,后澆筑建筑地面。隱藏式擋水坎可阻擋建筑地面內部的毛細水,建筑地面上部的水順排水坡流入排水溝,使建筑地表不積水,從而保證地下室干燥。

圖8 擋水坎與排水溝分形節點

2)二級分形節點裝置(伸縮縫) 地下室建筑地面的伸縮縫分形節點裝置是基于分形理論進行設計,如圖9所示,其布設位置D與地下室建筑地面二級迭代分形相契合。進一步將相對較大面積的建筑地面分形成面積相對較小的建筑地面,從而達到控制由混凝土收縮變形而產生裂縫的目的。地下室建筑地面的伸縮縫寬20mm,同建筑地面深,伸縮縫遇結構柱,環繞結構柱一圈后繼續延伸。

圖9 伸縮縫分形節點

3)三級分形節點裝置(切縫) 地下室建筑地面的切縫分形節點裝置是基于分形理論進行設計,如圖10所示,其布設位置E與地下室建筑地面三級迭代分形相契合。進一步將伸縮縫分形節點裝置圍合的建筑地面分形成為面積相對較小的建筑地面,從而抵抗混凝土收縮變形而產生的裂縫。地下室建筑地面切縫寬5mm,切深100mm。建筑地面澆筑養護完成3d內,用手推式切縫機或輪胎式切縫機按圖10a所示切縫位置進行切縫。在結構柱處,距結構柱邊300mm切縫,環繞結構柱形成1個正方形切縫,與橫向和豎向切縫相連通,保證切縫連續。

圖10 切縫位置及構造

4)四級分形節點裝置(鋼筋布設) 地下室建筑地面的鋼筋布設是基于分形理論進行設計,如圖11所示,其布設邊界位置F與地下室建筑地面四級分形相契合。將切縫圍合的建筑地面(10m×10m)繼續迭代分形,得到由鋼筋布置區圍合的新的建筑地面(3.3m×3.3m)。建筑地面采用的鋼筋為3 000mm×3 000mm成品鋼筋網片(φ6@200mm),澆筑建筑地面的混凝土前,將鋼筋網片布設于建筑地面⑤號自相似塊正中心,再布設兩相鄰⑤號自相似塊搭接區域的鋼筋網片,再在相鄰的鋼筋網片間進行搭接。

圖11 地下室建筑地面的鋼筋布設

2.5 大面積地下室結構底板分形跳倉施工關鍵技術

2.5.1跳倉施工塊設計

跳倉施工塊(以下簡稱“跳倉塊”)間距不僅要考慮削減溫度收縮應力,還應考慮與施工縫結合。通過計算及實踐經驗調查,在正常施工條件下,跳倉塊間距為20～30m,宜≤40m[8-9]。以國家網絡安全人才培訓中心工程項目的大面積地下室結構底板為例,根據GB 50010—2010《混凝土結構設計規范》(2015年版)、工程結構裂縫控制“抗與放”的設計原則[2],計算跳倉塊間距。

加強帶最大間距計算公式為:

(3)

加強帶最小間距計算公式為:

(4)

加強帶平均間距計算公式為:

(5)

(6)

式中:L為加強帶間距;E為混凝土彈性模量;CX為地基或基礎水平阻力系數;α為混凝土線膨脹系數;T為互相約束結構的綜合降溫差,包括收縮當量溫差;εp為鋼筋混凝土的極限拉伸,(1～3.0)×10-4;H為結構底板厚度。

對于C35混凝土,查《混凝土結構設計規范》附表可得:彈性模量E=3.15×104N/mm2,結構底板厚500mm,CX=1.12×10-2N/mm2,鋼筋混凝土的極限拉伸εp=1.0×10-4N/mm2,混凝土線膨脹系數α=1.0×10-5N/mm2,綜合降溫差T=55.5℃,代入式(3)～式(5)得:Lmax=≈49.2m,Lmin=36.9m。

經計算可得:最大跳倉塊長度為49.2m;最小跳倉塊長度為24.6m;平均跳倉塊長度為36.9m,加強帶間距即為設計跳倉施工的分形尺寸。

2.5.2分形跳倉塊優化及跳倉施工順序

大面積地下室結構底板跳倉塊是依據分形理論設計,是理想化的標準尺寸,未考慮施工現場諸多限制因素。實際施工的跳倉塊必須綜合考慮工程實際特點,如混凝土厚度、收縮當量溫差、混凝土彈性模量、混凝土線膨脹系數及柱網布置等影響因素,因此將理想狀態的跳倉塊進行優化設計,使其長和寬均≤40m。根據國家網絡安全人才培訓中心工程項目各建筑單體分布特點,將地下室結構底板分為A,B,C 3個施工段。A施工段主要包括信息綜合樓和南廣場區域,共24個跳倉塊;B施工段主要包括信息綜合樓、教學實驗樓、附屬樓和食堂間的區域,共16個跳倉塊;C施工段主要包括教學實驗樓、附屬樓和食堂間的區域,共24個跳倉塊。對地下室結構底板的A,B,C 3個施工段進行跳倉施工,相鄰2跳倉塊施工時間保證間隔7d以上(見圖12和表4)。

表4 結構底板跳倉施工順序

圖12 結構底板跳倉施工

3 結語

大面積地下室建筑結構整體性分形建造關鍵技術,高效地將大面積地下室建筑結構平面化大為小、化繁為簡,進行有組織分形,既利于施工組織、管理,又有效控制了地下室結構底板、建筑地面的裂縫問題。運用分數維、分形自相似和分形迭代等原理,通過多種分形節點裝置有組織地設置“裂縫”,有效吸收因混凝土收縮或膨脹變形或荷載振動產生的裂縫,使結構底板、建筑地面的裂縫規律展開,達到“裂縫控制裂縫”的目的。