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混凝土壳体的新生
作者:yangxu       2018-06-30 01:06:00       浏览:52

在上世纪五六十年代,混凝土薄壳曾风靡全球,成为许多结构大师肆意挥洒想象力的载体。

墨西哥的霍奇米洛克餐厅/坎德拉

但是,混凝土薄壳的施工有两个问题。一方面,混凝土薄壳结构外形复杂多变,极大的增加了模板施工的难度,模板施工造价高;另一方面,施工后拆除的模板很难再重新利用,既耗费大量的人力物力,又对环境造成了一定的损害,经济效益不明显。因此,随着钢结构网架和桁架体系的应用,现在已经很少看到在新建的混凝土薄壳结构了。

混凝土薄壳至此,会消亡吗?今天小i 给大家介绍一种特殊的混凝土薄壳建造方式——气膜钢筋混凝土壳体。希望这个技术能让结构工程师在确定结构体系时,更多一种选择的思路。


气膜钢筋混凝土壳体简介

以性能优良的柔软织物(通常为PVC膜材)为外膜,将其固定在环型的混凝土基础上;再向膜内充气并保持膜内恒压状态,作为施工荷载支撑;随后依次在膜内喷涂隔离层、聚氨酯泡沫层、分层绑扎结构钢筋、逐层喷射混凝土,最终形成一个外观美观、结构坚固、空间覆盖率大的壳体结构。

气膜钢筋混凝土壳体球仓  剖面图

壳体结构构造层


气膜钢筋混凝土壳体建筑的施工过程

简单来说,气膜钢筋混凝土结构分为两个部分:气膜模板和混凝土壳体。气膜模板的施工主要分为三个部分:施工基础环梁、充气膜固定及充气、聚氨酯喷涂;混凝土壳体施工分为:钢筋混凝土结构和门洞开孔。

1)基础环梁施工

气膜钢筋混凝土壳体一般采用环形条基,在基础上设置环梁。一方面便于固定膜材,一方面也可以平衡壳体产生的水平推力。此外,环形基础既要承受上部壳体荷载,又要在充气过程中作为气膜的配重,抵抗向上的作用力。

基础环梁的施工

2)充气膜固定

展开气膜

气膜铺平

气膜固定

气膜固定完成

气膜固定好之后就可以进行充气了,充气采用风机鼓风,直到气膜内部气压达到一定的设计值,一般500~600Pa。

充气膜充气成型过程

这种壳体模板的构建方式施工速度很快,而且绿色环保,所需要的材料和人工很少(大型的壳体可能就30人左右,主要的用处就在展开气膜阶段保证气膜铺平)。

此外,一旦气膜充气成型后,后续的整个施工过程全部在室内完成,不受外部环境的影响,保证了施工的稳定和效率。

3)聚氨酯喷射

为保证充气膜和聚氨酯的良好粘结,需在内表面涂上一层渐变剂,再喷射聚氨酯。聚氨酯分多层喷射,第一层完成喷射后,插上钢筋标签。标签类似于“猫爪”,能提供较大的抓持力。“猫爪”的作用主要方便定位,为后续钢筋绑扎提供固定点。

钢筋标签

聚氨酯喷射完成后,气膜模板最终成型,形成具有一定刚度的模板。

聚氨酯喷射完成

4)钢筋混凝土结构

聚氨酯喷射完成后,进行钢筋的绑扎,在内部喷射混凝土。

钢筋绑扎     

钢筋混凝土从外到内依次分为两层:构造层和结构层。

构造层包含一层间距600mm的构造钢筋和约3cm厚的混凝土。经过计算和实践发现,构造层完成施工后,气膜模板已经具有较大的刚度;待构造层混凝土硬化后,根据“猫爪”标签定位和绑扎结构层钢筋,完成后开始结构层混凝土的喷射。

混凝土喷射

构造层施工过程示意图

结构层施工过程示意图

5)壳体开洞处理

气膜钢筋混凝土壳体的洞口处理有两种方式。一种是针对窗口和采光洞口等不大的洞口,可以事先在气膜模板上放置环箍,在混凝土喷射时避开洞口区域;另一种是大型的洞口,需要在施工过程中参与受力,壳体成型后再进行切除开洞。

壳体开洞前

大型板壳开洞后


气膜钢筋混凝土壳体案例

自上世纪40年代,开始了应用气膜膜板进行混凝土壳体施工的技术研究,分为气膜内模式和气膜外模式两种。

其中,气膜内模式在气膜外表面进行混凝土的浇筑,但考虑到混凝土开裂以及气膜模板承重等问题,现在采用这种方式的混凝土壳体案例已经很少。而气膜外模式是将气膜膜板外置,在气膜内表面进行混凝土喷射施工,优势明显。

美国国家航天中心

1942年,Wallace Neff采用气压膜法充气形成模板,在气膜外表面布置钢筋形成钢筋混凝土结构。随后,DanteBini 、Lloyd Turner、 David 和Barry South等人采用气膜为模板建立了不同大小、不同结构形式的混凝土圆顶结构。

据MonolithicDome Institute 估计,过去的30年中,至少已经建成2000多个混凝土气膜钢筋混凝土球顶,主要分布在北美以及欧洲。其中,大部分气膜钢筋混凝土壳体结构主要用于工业储煤仓,其储煤量均在5万吨以上。建造完成的气膜球形储煤仓具有仓储空间利用率高,安全性能好,外形美观的特点。此外,在公共建筑和民用建筑上应用也很广泛,如办公楼、体育馆、艺术中心、住宅别墅等。

兰伯顿ISD美术中心

民用建筑

在工业上,传统的混凝土储煤仓多采用滑模施工工艺。但是这种结构的仓储利用空间不高、施工成本较高。

2012年,国内最早由华北电力院引进气膜球形薄壳钢筋混凝土结构,并应用于保定清苑热电厂储煤岛工程球形储煤仓。该球形仓直径为65m,高度40.5m,1号球于历经4个月完成混凝土仓体的施工。该工程由美国Dome technology公司设计和指导施工,但由于国内设计和施工水平有限,加上该技术的专利问题,此后未深入研究。

大唐保定清苑热电厂储煤仓 

2014年,中煤建安集团引进气膜钢筋混凝土球形仓结构,应用于葫芦素煤矿和门克庆选煤厂。总计6个直径54m、高度59m的球形储煤仓,历时5个月完成了气膜钢筋混凝土壳体的施工,现已投入使用。

葫芦素气膜穹顶储煤仓

2015年,中煤建安集团与上海交通大学合作,研发建造了中煤建安集团研发中心体育馆、展览馆和办公楼。该项目系国内自主研发、设计和建造的第一个气膜钢筋混凝土民用建筑,已于2016年全部完成了气膜钢筋混凝土壳体的建造。

中煤建筑安装集团有限公司研发中心 

内蒙古地区最高的营盘壕矿井,井塔上部屋面临时改为气膜钢筋混凝土穹顶结构。设计时在PVC膜面喷上绘图,加上了蒙古帽冒尖的装饰,形成具有蒙古特色的集工业生产和旅游观光的特色建筑。

营盘壕矿井主井屋面

结语

壳体结构是力学表达很好的载体,能够很好的完成建筑和结构的力学与美的统一。气膜钢筋混凝土壳体,既能节省大量的人力物力,节能环保,又能建造出各种各样的造型优美的壳体结构,希望这种新型的施工方式能应用得越来越广。

目前,气膜钢筋混凝土壳体主要应用与工业储仓系统。但小编个人认为,这种穹顶结构承载力大,空间效率高。在民用建筑上,依托气膜可以塑造出更加复杂、多样的形态,建筑师追求表现出的壳体美,也能通过这种方式实现。

参考资料

1.气膜钢筋混凝土扁壳结构设计分析,吴族平,邱国志,刘士兴等

2.球形薄壳结构混凝土结构技术的施工应用,邓锋,东武军,李洪基.