结构工程技术研究总结报告.doc

鉴定材料之三 国家大剧院结构工程 施工技术研究总结报告 北京城建集团有限责任公司 目 录 1 工程概况 1 1 1 工程概况 1 1 2 设计特点 2 1 3 本工程需研究的技术难点 2 2 项目研究背景 3 3 项目研究的内容和技术创新点 5 3 1 项目研究内容 5 3 2 项目研究技术创新点 21 4 施工技术研究成果及应用前景分析 22 4 1 施工技术研究成果 22 4 2 成果应用前景分析 22 5 经济效益和社会效益分析 23 5 1 经济效益分析 23 5 2 社会效益分析 24 6 项目研究总结 25 国家大剧院结构工程施工技术研究总结报告 1 工程概况 1 1 工程概况 国家大剧院工程位于天安门地区 东临人民大会堂 与人民大会堂相 距仅 50 米 北靠西长安街 与中南海新华门隔街相望 地理位置特殊 国家大剧院工程是中国政府面向二十一世纪投资兴建的大型文化设施 工 程建成后将成为中国最高艺术表演中心以及具有世界一流水平的大型艺术 殿堂 国家大剧院工程由椭圆穹形结构的主体建筑 202 区 及南北两侧 201 区 203 区 的地下通道 车库及其它附属配套设施组成 总占地 面积 8 万余平方米 总建筑面积 19 万平方米 202 区中心主体建筑由建筑 外部围护结构和内部的歌剧院 戏剧院 音乐厅 小剧场 公共大厅及配 套用房所组成 建筑外部围护结构为钢结构椭球壳体 平面投影椭圆东西 向长轴长度 212 20m 南北向短轴长度 143 64m 国家大剧院工程占地面积 11 89 万 m2 总建筑面积 19 4 万 m2 由北侧 地下停车场 201 区 南侧设备及办公用房 203 区 及中心主体建筑 202 区 三部分组成 北侧地下停车场能容纳 951 辆机动车和 1420 辆自行车 既 作为国家大剧院的配套设施 又是天安门地区的公共设施 202 区主体建 筑外形为超椭球型壳体 座落于人工湖中央 建筑平面呈椭圆形 由戏剧 院 歌剧院 音乐厅三大剧场以及公共剧务用房等组成 歌剧院主要演出 歌剧 舞剧 芭蕾等 设有观众席位 2416 个 音乐厅主要演出交响乐 民族乐等 设有观众席位 2017 个 戏剧场主要演出话剧 京剧等地方戏 剧 设有观众席位 1040 个 本工程建设单位为北京市 建设部 文化部等部门联合组成的国家大 剧院工程业主委员会 建筑设计方案由法国巴黎机场公司设计 清华大学 配合完成 设计师为法国著名建筑师保罗 安德鲁 施工图的国内设计单位 是北京市建筑设计研究院 施工单位由北京城建 香港建设 上海建工组成 的总承包联合体 工程于 2001 年 12 月 13 日正式开工 计划 2004 年底竣 工 1 2 设计特点 国家大剧院工程 202 区中心主体建筑占地面积 25500m2 大部分基础 埋深在 26 0m 歌剧院台仓基础埋深 32 5m 戏剧院台仓基础埋深 29 1m 音乐厅基础埋深 27 0m 各种通道和入口也均设在地下 工程室内 设计建筑标高 0 00 44 75m 室外自然地坪标高为 46 00m 左右 202 区主体建筑单层建筑面积约为 3 5 万 m2 总建筑面积 15 72 万 m2 外围护墙体周长达 599 米 为超大超宽结构 结构内曲线构建多 内 外墙体由多个曲面方程定位 如外围护墙为超级椭圆曲面 内部戏剧院 歌剧院 音乐厅隔墙及楼梯为曲率半径为 0 12m 100m 的圆弧曲面 独特 的曲面构造为国内首见 工程主体结构形式为框架剪力墙结构 箱形基础 钢管混凝土柱 劲性柱和大截面梁等形成了大跨度 高凌空的空间 如歌 剧院上部结构净空高达 62 6m 结构楼板厚度局部达 800mm 1 6m 厚 墙体高度变化大 最高达 9 12m 墙体厚度为 200mm 900mm 局部墙体 厚度达 1 0m 梁跨度大 梁跨最长达 26 0m 35 0m 其梁高分别为 2 0m 和 3 2m 1 3 本工程需研究的技术难点 国家大剧院工程由于其特殊的地理位置和举世瞩目的影响力 总承包 部在开工前就提出了 确保结构长城杯 争创国优工程鲁班 奖 的质量 目标 制定了高于国家验收规范标准的 结构施工内控质量标准 工程 结构形式复杂 质量标准高 给施工提出了较高要求 施工特点 难点主 要体现在以下几方面 1 该工程为全国最大的剧院 建筑形式复杂 设计装修等级高 单 层面积大 202 区 203 区单层面积共约 4 万 m2 平面呈超级椭圆状布局 结构曲线墙体面积占墙体总面积 70 以上 各种曲线都有 有圆曲线 椭 圆曲线和 2 2 次方的超级椭圆曲线等 其中圆曲线半径跨度大 半径从 0 2m 201 35m 仅 202 区戏剧院 歌剧院 音乐厅和 203 区就有 112 种 之多 弧形墙曲率半径从 0 12m 至 100m 不等 曲线变化复杂 给测量定 位 模板选型均带来了较大困难 2 平面布置复杂 分界 分层不规则 基础结构超长 超宽 不利 于混凝土施工平面分区流水 对混凝土的施工质量提出了更高的要求 3 基础埋设较深 基础结构常年处在有高承压水的中间 对不设防 水层的地下混凝土底板和外墙结构的混凝土质量提出了更高的要求 4 结构上部有大跨度 大凌空高度 大截面混凝土梁板结构 且悬 挑结构分布较多 工程特殊的结构型式对模板支撑体系提出了特殊的要求 5 三大剧场功能厅舞台台仓为高大空间 且该部位结构墙体错综复 杂 最大高度为 62 50m 对模板施工安全性提出较高要求 6 施工场地相对狭小 垂直运输能力紧张 给大规模模板施工组织 带来困难 针对上述具体情况我们对国家大剧院工程的地下 地上结构工程的混 凝土技术和圆弧曲线模板技术以及复杂曲线测量技术进行了研究 2 项目研究背景 随着社会的进步 城市建设已经在迅猛发展 人们对城市建筑艺术效 果的欣赏欲望变得越来越强烈 现代建筑不得不向纵深和壳体艺术方面发 展 超长 超椭圆结构及复杂曲线测量控制定位技术以及异形多曲面弧形 模板体系研究技术已成为国内外同行们共同面临的新课题 地下空间的开 发和利用给结构工程常年处在高承压水中的混凝土带来了新的难题 也成 为当前工程界正在探索的重要课题 针对国家大剧院工程的特殊性 重要 性以及超前卫的设计构思 成功地解决好面临的技术难题是本项目研究的 目的 并为解决同类工程问题提供经验和依据 1 国家大剧院工程所处地理环境位置的特殊性和重要性 要保证国 家大剧院工程按质 按期 安全可靠的完成 选择适合的控制测量技术是 很关键的 所选择的控制测量方式 要充分考虑场区地下管网复杂的现场 限制条件 既能满足基坑和结构工程施工简便 工程成本低廉的要求 又 能保证基坑和结构工程本身质量安全 其施工难度不仅在北京地区是空前 的 而且在全国也是罕见的 原拟采用的以椭圆弧上的极座标点控制测量 的方案 不论从施工现场的条件还是从测量人员的工作强度来看 都有很 大的技术难度 还有不能满足结构模板施工的精度要求 而且成本费用高 可实施性较差 因此 需要我们进行进一步的方案设计和方案比选 确定 工程成本 施工可操作性和安全的最佳平衡点 以确定可实施的最佳方案 2 异形多曲面墙体给模板支撑体系满足结构工程达到清水混凝土的 效果提出了较高要求 混凝土浇灌过程中的侧压力及易造成异形多曲面模 板支撑体系的移位和胀模 又使得模板板面 龙骨及支撑体系的配制和控 制以满足其异形多曲面墙体曲率半径 矢高及墙体垂直度成为圆弧结构墙 体施工的技术难题 由于设计考虑圆弧结构墙体垂直度控制在 1 1000 以上 且 5mm 而且 由于大剧院结构墙体呈复杂的超椭圆形曲线 也给墙体 的流水段划分 施工缝的连接方式及墙体垂直度控制等增加了难度 另外 根据国内外的经验 对于我们常用的模板工法是以直代曲 本工程为复杂 的不规则的超级椭圆方程 目前国内尚缺乏在这类复杂的不规则的超椭圆 弧形曲线墙体的施工经验 3 对常年处在高承压水中又不做防水要求的混凝土结构工程 国内 尚无类似条件下的成熟技术 在处于无承压水条件下的混凝土结构工程 已经对混凝土的抗渗要求很高 国内工程需有少量工程在处于滞水层中的 结构采用了刚性防水 基本上是头年施工第二年堵漏 而且在混凝土里面 加入的外加剂量相当大而且价格很高 像国家大剧院工程对处于高承压水 水头达 16 0m 的混凝土自防水结构在国内还是头一回 且并无绝对把握解 决好高承压水状态下的混凝土渗漏问题 因此 混凝土的密实性问题是混 凝土结构抗渗漏施工技术的保证 所以 在高承压水状态下 针对不同的 混凝土性能 成功实现地下结构自防水施工工艺具有较好的应用前景 圆弧结构工程施工 国内外并不少见 但像国家大剧院工程这样大 多的超级椭圆方程曲线又相当的复杂 不仅在北京地区 在全国乃至世界 上都是罕见的 经建设部科技信息研究所查新检索国内外 18 个科技情报 数据库 查阅相关文献 22 篇 均为圆弧曲线结构工程方面的文章 但其 曲线数量多少的程度普遍小于国家大剧院工程超大型 多的超级椭圆方程 曲线复杂的难度 所见报道的最多的结构曲线数量 也远小于国家大剧院 结构工程曲线的数量 而对常年处在高承压水条件下的混凝土结构工程方 面的文献尚少见有类似技术报道 3 项目研究的内容和技术创新点 3 1 项目研究内容 3 1 1 复杂曲线测量技术研究 1 确立大面积场区 施工周期长条件下的场区首级控制网 2 建立施工单层面积大 异型曲线多 标高变化大 没有标准层 结构形式复杂条件下的建筑物控制方法 3 选择高效 快速 准确的曲线数据计算 处理方法和检验较核方 法 4 选择满足精度要求的测量仪器和现场放样方法 A 研究途径 广泛收集研究国内外大型工程的测量控制技术经验及相关的曲线实体 控制和放样技术 从理论上研究曲线计算数学模型的建立和曲线计算方法 收集比较各种计算软件 了解测量仪器的精度和发展状况 以组织讨论 现场测放比较和结合理论分析的形式确定控制方案 计算和放样方法以及 仪器的选用 B 测量方案的设计 1 测量控制网的设计 场区控制的设计 a 平面控制 首级控制网形比选 表 3 1 控制网形式 优点 缺点 备注 三角网 三边 网 网形好 点位 精度均匀 受现场条件影 响大 视线易 受遮挡 受仪器功能限 制 边角网 多边 形 网形好 点位 精度均匀 受现场条件影 响大 视线易 受遮挡 导线网 布设方便 施 测灵活 网形弱 点位 误差不均匀 经过以上对比 为保证施测速度决定选取导线网 为保证质量 我们 又对导线网的精度进行估计选定 如表 3 2 导线网精度对比 表 3 2 导线网形式 导线网指标 点位精度 备注 一级导线 测角中误差 5 边长相对中误差 1 30000 4 1mm 二级导线 测角中误差 8 边长相对中误差 1 20000 6 3mm 三级导线 测角中误差 12 边长相对中误差 1 10000 11 6mm 计算公式 221 mlL 经过对比选取二级导线 能完全满足建筑物定位的绝对误差要求 能 进行局部放样 精度易控制 b 高程控制 考虑到使用方便 高程控制网点的位置布设同现场导 线控制网点的位置 经过精度对比 如表 3 3 考虑到大剧院工程的重要 性 精度应适当提高 结合这两方面内容 现场首级标高控制按二等水准 测量精度要求布设 高程控制网精度对比 表 3 3 标高控制等级形式 控制等级指标 标高精度 备注 二等水准 每公里全高中 误差 2mm 最弱点标高误差 0 6mm 三等水准 每公里全高中 误差 6mm 最弱点标高误差 1 7mm 四等水准 每公里全高中 误差 10mm 最弱点标高误差 2 8mm 共测 15 站 边长按 100m 考虑 建筑物控制网的设计 a 平面控制 根据拟建建筑物的形状和设计图纸的坐标系的位置 将建筑物的控制布设成十字主控线 选择建筑物的主轴 轴 轴为十字 45 2M 主控线 以十字主控线为大剧院建筑物控制的基础 根据分部分项工程 需要逐步建立各分部分项工程控制网 基桩位应尽量远离沉降区 基础施工准备阶段地下连续墙的控制设计 定位 用十字主控线为控制基线 放出其他的控制点 网形布设成中点多边 形 地连墙定位 根据曲线放样中的地下连续墙的计算方法计算出地下连 续墙槽段点的坐标 根据所布设的控制点 用极坐标法放出地下连续墙各 槽段点 导墙垫层上 导墙做完后 用相同的方法放出导墙 50cm 控制线 以检查导墙施工的精度 基础结构施工阶段控制网的设计 12 5m 以下结构的平面控制 根据建筑物主控线做成轴线方格网形式 为了作业面放线方便 边长取 35m 左右 点位做在地下连续墙导墙的平台 上 12 5m 以上结构的平面控制 形式同上 为了放样视线不受轴线上竖 起钢筋的遮挡 控制网做成了偏轴 点位做在 0 00m 基坑边上 主体结构施工阶段控制网的设计 主体结构控制方案的比选 表 3 4 测量控 制方法 适应范围 优点 缺点 备注 内控法 施工场地狭小 建 筑物高度高 有标 准层 各层间梁板 变化小 点位固定 投 测精度高 影 响误差因素相 对少 受建筑物沉降影响 受现场施工干扰因 素大 点的使用率 较低 仪器不安全 外控法 施工场地相对开阔 建筑物高度较低 各层建筑设计变化 大 无标准层 点位设置灵活 现场放线方便 受施工干扰因 素小 使用率 高 误差积累因素多 测量环节较多要求 人员仪器固定 根据这两种方法的优缺点并结合本工程的特点 决定选用外控法 用十字主控线为依据放出外控点 考虑到通视情况受现场各种因素干 扰和向作业面放线方便 部分点位选在周围已有建筑物上 在拟建建筑物首层和现场周围分别布置成两个闭合导线 南北连在一 起 各点之间相对点位误差不超过 3mm 整个控制网点形成一个立体空间 网 使用起来非常方便 b 高程控制设计 基础施工准备阶段 开槽前 根据现场首级高程控制网向作业面导引 标高 成槽后 从现场首级高程控制网向槽内导引标高 并附合到另一个 已知点上 测点做在护坡桩 土钉墙或地下连续墙上 间距 70m 可作成 半永久性标高控制点 考虑边坡稳定情况 应定期复查各标高控制点 都 按三等水准测量要求做 基础结构施工阶段 从槽壁上标高控制点向结构作业面导引标高 附合到另一控制点上进 行检核 在结构作业面上应测放出结构 50 线 拆模后每 50 米测定一控制 标高 用红漆标定清楚 并及时用墨线弹出建筑 1m 线 以备安装和装修 控制 主体结构施工阶段 在首层结构拆模后 从首级标高控制点向结构内导引结构控制标高 每个流水段不少于 3 个点 随着结构层数的增加 从电梯井 采光井 楼 梯间等处用钢尺往上传递标高 各层标高控制点均需用红漆标定清楚 在 结构作业面上放出结构 50 线 竖向结构拆模后弹出建筑 1m 线 作业前后 所测点都应闭合检查 各流水段之间 各作业区之间必须相互校核检查 2 现场主要放样方法的确立 放样方法 原理 优缺点 直角坐标 法 先放出截弧段的轴线平行线 然后在平 行线上量出弧段上另一坐标值 放出弧 段上一点 同理可放出其它点 受现场条件影响大 效率低 精 度相对较低 但操作简单 极坐标法 将经纬仪或全站仪架在控制点上 后视 另一控制点 输入数据 定距定向放出 弧段一点 同理 可放出其余点 灵活 放线覆盖范围较大 速度 快 后方交会 法 可做临时控制点用 架仪器于作业面上 照准两个已知控制点 可测出测站点坐 标 不方便 钢尺交会 法 用两已知点量距 交出第三点 小范围 内放样 可提高效率 但需其他方法进 行检查 操作简单 受现场条件制约大 精度不高 经过以上优缺点的对比 最后 现场放线主要采用极坐标全站仪法 条件限制可用其他方法补充 3 全站议的选用 仪器精度 点位精度 备注 测角 测距 1 1 1PPm 1 9mm 全 站 议 2 2 2PPm 3 9mm 现场放样边长 按最大估算 300m 2 3 2PPm 4 6mm 建筑物的相对精度要求非常高 是测量放线控制的关键 规范要求细 部点精度要求为 5mm 考虑到还有其他误差的影响 决定选用精度 2 2PPm 的全站仪进行现场大量放线 用 1 1PPm 进行局部控制点的测设 和检查验收 C 实施效果 国家大剧院工程是一个极其复杂的工程 但是在全体测量人员的不懈 努力下 工程土建结构主体完成 控制点精度控制在 5mm 之内 细部点 控制在 7mm 之内 各层标高控制精度 3mm 之内 全高标高累计精度 不超过 5mm 满足规 范要求 3 1 2 异形模板支撑体系技术研究 A 研究内容 1 弧墙曲率段划分及不同弧段模板方案的设计研究 2 可调曲率弧形模板背部紧伸器设计研究 3 弧墙模板体系活动角模设计研究 4 弧墙曲率调节及现场检测控制方法 5 弧墙模板体系受力分析 B 研究路线 1 广泛收集国内外弧形墙体 双曲面楼板 弧形楼梯及其他异形构 件的设计施工方案 明确异形模板计划达到各项经济技术指标 质量目标 及混凝土成型效果 以观摩比选 理论计算及专家论证会等多种形式初步 确定各类异形构件模板设计方案 2 对初步选定的方案及所使用的面板 支撑构件性能进行针对性现 场试验 3 按既定的方案组织实施 加强异形模板支设及混凝土成型质量的 检测 不断进行模板节点优化 C 设计方案 1 弧墙曲率段划分及不同弧段模板方案的设计研究 设计方案比选 设计方案 性能 应用 以直代曲 方案 本方案通用性较好 加工和应用简 单 但模板宽度直接制约了所能支 设弧墙的曲率半径 部分隐蔽部位的大曲率弧形墙体可 予以采用以节省模板投入 定型曲率 钢模板 适用于曲率半径小的墙体 周转性 差 曲率半径小于 3m 的弧形墙体 曲率可调 模板体系 工艺复杂 周转性好 对曲率半径大于 3m 的弧形墙采用 可调式弧形模板体系 2 可调曲率弧形模板背部紧伸器设计研究 项目试验阶段 在现场用三种模板体系分别支设了曲率半径 R 25m 高 3 5m 宽 3 6m 的弧形墙体 对混凝土成型质量效果 各项经济技术指 标进行了比较 NO 构造简图 适用范围 成型效果 操作性 周转性 造价 方 案 一 R 3m 不太理想 不太方便 较差 较低 方 案 二 R 3m 成型效果 良好 迅捷 方 便 可周转8 12 次 较高 方 案 三 木 楔 R 25m 成型效果 良好 迅捷 方 便 可周转7 10 次 较低 最终确定方案二为曲率半径 3m R 25m 弧形墙体模板施工体系 方 案三为曲率半径 R 25m 弧形墙体模板施工体系 3 弧墙模板体系活动角模设计研究 本工程弧形墙体夹角以非直角居多 各剧场 各楼层差异很大 且存 在不同体系弧形模板间相互连接问题 加工定型钢角模不能适应这种结构 形式 且利用率低 造价高 为此我们与专业厂家共同设计研制了钢制活 动角模 活动角模由 6mm 厚钢面板 100 x 63x 6 角钢背肋和 4 芯轴等配 件组成 可调角度 43 135 活动角模与墙体模板的连接统一采用边肋角 钢 边肋角钢螺栓孔大小及分布情况均保持一致 4 弧墙曲率调节及现场检测控制方法 模板曲率是通过调节可伸缩丝杆的长度 或背楔的厚度 改变木梁 间的相对角度 面板与主龙骨间的间距 使面板弯曲而形成的 弧墙模板调节工序在模板进入工作面之前必须完成 避免在工作面上 调节 减少人为因素对板面弧度的影响 由于调节器内部螺旋丝扣具有沿 水平方向的自锁性 使得模板在调节完弧度进入作业面及操作过程中 板 面弧度不会改变 5 弧形墙体模板设计方案 1 曲率半径 R 25m 的弧形墙体 曲率半径 R 25m 弧形墙体以 18mm 厚木质胶合板 2440 1220mm 作为模板面板基本单元 100 200mm 木工字梁 250mm 10 双槽钢 900mm 组成纵横背楞 模板标准尺寸为 2440 3660mm 2440 1220mm 2440 2440mm 等 通过接高达到墙体 浇筑理想高度 在模板背面木工字梁和槽钢背楞间加设不同厚度的楔形木垫块 使模 板板面呈要求的弧度 以此达到模板曲率调节的目的 以曲率半径 25 米 弧长 2440mm 的圆弧内模为例 各楔形木垫块的厚度由中间向两边依次为 22mm 19mm 16mm 等 2 曲率半径 3m R 25m 的弧形墙体 对于曲率半径 3m R 25m 的弧线墙体 主要采用曲线可调模板体系 该体系通过改变模板后部紧伸器的行程可灵活 迅捷地调节模板曲率 半径 周转性极强 其面板基本单元 主次龙骨规格及间距均同于 R 25m 弧形墙体模板 标准板高度规格分为 1 22m 2 44m 3 66m 三种 通过接高达到墙体浇筑理想高度 3 曲率半径 R 3m 的弧形墙体 采用全钢定型曲率大模板 面板及横 竖肋均采用 6mm 厚钢板加工 纵 横肋点焊固定于面板上 采用 M22 穿墙螺栓 按 900 900mm 间 距布置 6 其他曲线模板设计方案 1 内置型钢圆柱模板 内置型钢圆柱模板统一采用无胎平板玻璃钢模板 用不饱和聚脂树脂 作胶结材料 耐碱玻璃纤维布作骨架逐层粘裹而成 板厚 3mm 在模板 接口处 竖向垂直于柱身折出 L 形翻边 在翻边中心开孔 用 M10 螺 栓 200 紧固 通长角钢做螺栓垫片 其成型是根据流体力学的基本原理 对于具有一定韧性的封闭匀质体 其在受到来自内部的液体胀力的作用下 模板截面内部会受到大小相等的 法向拉应力 在液态胀力的作用下 材料本身必定会胀成标准的圆形柱面 形状 为保证模板的自由膨胀 模板通长范围内不设柱箍 用 8 钢丝拉 筋直接拽拉主筋 通过花蓝螺栓调节模板的垂直度 钢丝拉筋为四个方向 对拉 其交点在圆心上 在加工模板时应考虑模板在承受侧压力后 模板 的横断面会膨胀 膨胀率根据试验确定为 2 所以 模板的直径比圆柱 的直径小 2 2 异形椭圆柱模板 异形椭圆柱模板采用全钢定型模板 模板的面板及筋板均为 4mm 厚 钢板 法兰板选用 8mm 厚钢板 法兰封口处用 M12 螺栓紧固 并在封口 处加设密封条 以防止漏浆 以独立 连墙 椭圆柱模板为例 椭圆柱 连墙圆柱模板单节高度统一设计为 1 2m 便于墙 柱一体的 支撑设计和墙 柱模板的连接 保证墙 柱连接处的清水效果 椭圆柱 连墙圆柱模板自重轻 满足整体吊装和盲区的单节人工装拆 3 双曲面楼板模板 三大功能厅不同楼层看台座椅下楼板多为双曲面构件 曲率参数各不 相同 总投影面积约为 1690m2 由于双曲面楼板曲率较小 且不规则 决定采用以平面代替曲面的模 板施工方案 即用多块木质胶合板连续拼接 控制各平板角点标高 使之 接近双曲面板底各相应点位置 以此代替双曲面板的整体设计形状 4 曲线楼梯模板 曲线楼梯底面 侧面均呈弧形 其模板面板采用 15mm 厚木质胶合板 按照 1 1 比例场外放样加工制作 板底次龙骨采用 50 100mm 方木 250mm 沿踏步横向布置 主龙骨用 48 钢管按楼梯设计弧度弯曲成 型 沿踏步垂向布置 支撑采用 48 钢管穿踏步板布置 预埋 55 塑料 套管 沿踏步垂向 纵向间距分别为 600mm 1200mm D 方案实施效果 通过工程实际应用 模板设计所选择的各类异形模板强度和刚度均达 到了设计和规范要求 经现场实测实量 所有弧形墙体 圆柱 异形椭圆 柱模板矢高 水平位移及垂直度均控制在 3mm 以内 所有双曲面楼板 弧形梁 弧形楼梯模板测点标高均控制在 2 5mm 间 模板矢高均控制在 3mm 以内 各异形构件成型后混凝土截面尺寸均未超出 5mm 范围 竖 向构件垂直度及轴线偏差均控制在 5mm 以内 水平构件测点标高均控制 在 5mm 间 混凝土构件外美内实 所形成的曲线圆滑 流畅 弧度准确 所形成的夹角规矩 角度精确 无漏浆 跑模 涨模 夹渣 蜂窝等质量 缺陷 模板分项工程质量合格率达到 100 优良率达到了 92 7 本工 程经北京市结构 长城杯 专家组两次检查 市质协领导复查 受到一致 好评 成为创金杯候选工程 同时也得到了市质量监督站 监理及业主的 充分肯定 3 1 3 大体积底板及超长外墙混凝土自防水技术研究 A 研究内容 为了能够有效的控制混凝土的裂缝以实现混凝土自身的良好自防水效 果 我们对于混凝土的自防水施工技术研究 主要从以下几方面展开 1 从混凝土的原材料入手 通过试验论证 优化混凝土配合比设计 改善混凝土自身的抗裂缝性能 2 分析 论证施工缝 后浇带的处理方法 实现防水薄弱环节的改 良 3 合理确定混凝土施工的组织 运输 浇筑与养护等工艺 实现设 计目标 4 通过工程质量评价以及工程应用的实际效果来检验技术研究的成 果 B 技术路线 纤维抗渗防裂混凝土研究的技术路线是 先将水泥 外加剂 掺合料 纤维对混凝土收缩的影响进行试验 从中选出强度等级和工作性能相通 收缩值最低 抗拉强度和抗折强度最高的单因素配比 然后进行方案优化 选择出最合理的配比 经检测各项主要力学性能指标满足设计要求后再应 用于实际工程 C 技术方案 为了得到最优的研究结果 我们采用单因素试验方法优选 然后将各 种因素综合考虑 得到最佳配比 D 试验方案及结论 1 各种原材料对纤维抗渗防裂混凝土收缩性能的影响 各种原材料对混凝土的使用功能 耐久性指标等均会产生直接影响 因此通过大量的试验 优选出混凝土原材料及纤维的最佳掺量 是本研究 的关键 2 水泥品种对纤维抗渗防裂混凝土收缩性能的影响 我们分别使用普通硅酸盐水泥 P O 矿渣硅酸盐水泥 P S 粉 煤灰硅酸盐水泥 P F 火山灰质硅酸盐水泥 P P 采用同一种配合 比配制混凝土 通过对收缩性能的对比优选出收缩较小的水泥品种用于本 研究 通过实验数据可知 无论是采用标准养护还是干燥环境下条件 采用 粉煤灰水泥和矿渣水泥的收缩值差别不大 火山灰质硅酸盐水泥有明显的 收缩 普通水泥收缩值则较小 因此优先选用普通水泥 3 膨胀剂对混凝土收缩的影响 采用膨胀剂可以提高混凝土在潮湿环境下的抗渗防裂能力 因此配制 纤维抗渗防裂混凝土膨胀剂的最佳掺量我们进行了试验 由试验数据可知 干燥环境下混凝土收缩明显比在标养条件养护下混 凝土的收缩大 因此可以得出这样的结论 对处于潮湿环境中的混凝土采用膨胀剂可以起到膨胀补偿收缩 防渗 抗裂的作用 且从随着掺量的增加 膨胀值增大 且稳定性较好 其最佳 的掺量为 8 10 而对于干燥环境中的混凝土则刚好相反 混凝土的收 缩特别明显 因此潮湿环境中工作的混凝土配制时选择膨胀剂 8 10 的 掺量混凝土的刚性防水效果最优 4 防水剂对混凝土收缩的影响 为了选择合理的防水剂 FS 的掺量 以便找到最适合于工程应用的 防水剂掺量 通过实验数据可知 在两种条件下 随着防水剂掺量的增加 收缩值逐渐变小 超过 2 5 后收缩值基本不变 因此我们认为掺加 2 5 的防水剂 对于配制纤维防裂混凝土具有较理想的效果 使这种适应性很 强的刚性防裂措施发挥作用 5 掺合料品种及掺量对混凝土收缩的影响 为了满足不同的施工需要 我们对矿渣粉 粉煤灰和复合掺合料三种 材料对混凝土的收缩影响进行了试验 通过实验数据可知 当矿粉掺量随着掺量的增加先由大变小后又有所 增加 25 的掺量是转折点 因此选择 20 30 的掺量比较理想 用粉煤 灰配制的混凝土其也有类似的规律 因此粉煤灰的掺量宜控制在 15 40 FK 为矿粉与粉煤灰复合的产品 当 FK 掺量由 20 50 变 化时 混凝土的收缩值由大变小 当掺量超过 40 时 混凝土在 FK40 50 的范围内收缩值趋于稳定 因此我们在配制防渗抗裂混凝土 时 其掺量应在 40 50 6 纤维的选择 在现有试验的基础上 我们采用固定的混凝土配比 通过改变纤维品 种和掺量来研究混凝土的主要力学性能的变化情况 本项目采用的纤维有 玻璃纤维 聚丙烯纤维和钢纤维 经过对以上三种抗渗防裂混凝土的实验数据可知 抗碱玻璃纤维由于 存在纤维较长 混凝土和易性差 搅拌不易均匀等缺陷 钢纤维的价格昂 贵 且在使用刚度较大的纤维时 搅拌不方便 操作也很困难 而聚丙烯 纤维由于其配制的混凝土和易性好 抗拉 抗折强度明显提高 价格适中 防裂抗渗性能均匀稳定 而且对耐久性有明显的改善 故在本研究中优选 此种纤维来配制抗裂混凝土 7 聚丙烯纤维抗渗防裂混凝土性能检测 根据以上试验结果 我们采用聚丙烯纤维制作了一批砂浆及 C30 C50 混凝土试样送国家建筑材料测试中心 中国水利水电科学研究 院工程检测中心 国家建材局水泥基材料科学重点实验室和北京市建设工 程质量检测中心第三检测所 对掺加聚丙烯的纤维抗裂砂浆混凝土的抗压 强度 抗拉强度 弹性模量 极限拉伸等力学性能以及收缩性能 耐久性 能和混凝土的亚微观结构进行了检测 1 力学性能 从试验数据可以看出 纤维混凝土比空白混凝土的抗拉强度和弹性模 量增加 10 以上 极限拉伸也有所增加 表明掺加纤维后混凝土的抗拉防 裂性能有了明显增加 2 混凝土的收缩 从试验数据可以看出 纤维混凝土比空白混凝土的干缩减小 10 左右 这增加了混凝土抗收缩裂缝的能力 3 混凝土的耐久性 由试验数据可知聚丙烯纤维抗渗防裂混凝土的抗冻性能优于普通混凝 土的抗冻性能 4 混凝土的亚微观结构 可以看出 纤维混凝土 28 天 C30 的孔隙率为 21 而 C50 为 17 孔隙率随着水灰比的减小而减小 随着龄期的增加 混凝土的孔隙率变小 纤维混凝土孔径分布中 100nm 的孔一般在 5 以下 而一般认为 100nm 的孔为有害孔 50nm 的孔为无害孔 因此纤维混凝土的孔结构比较合 理 这也是它的优良性能的内在原因 从 SEM 照片可以看出 纤维在混凝土不规则的乱向分布形成大量微 配筋 吸收了混凝土的内应力 从纤维表面较多的水泥水化产物也说明了 纤维与水泥胶体之间的粘结效果好 纤维在承担剪切应力时其表面多发生 蠕变变形 提高了混凝土的剪切强度 E 施工技术措施 国家大剧院工程基础底板属于大体积混凝土 考虑到混凝土会由温度 收缩应力引起混凝土裂缝 设计上采用了留置后浇带的方法来释放温度应 力 同时为保证混凝土刚性防水的效果 在施工缝位置采用加设膨胀止水 条 来达到施工缝防水 混凝土外墙连续长度 560m 为防止温度裂缝的 出现 除与底板相应位置设后浇带外 另设若干施工缝 1 后浇带设置 基础底板平面形式为椭圆形 其中长轴 212 2m 短轴 143 6m 根据 我国现行 钢筋混凝土结构设计规范 GBJ10 89 现浇钢筋混凝土连续 式结构 处于室内和土中条件下的伸缩缝间距为 55m 的规定 并结合大剧 院底板结构形式 考虑到底板混凝土刚性自防水的特点 在平面上共布置 五条后浇带 将底板分成六大施工区域 即 T1 T2 O1 O2 C1 C2 区 同时外墙也在后浇带位置断开 同时 考虑到底板的防水效果 保证 国家大剧院工程的施工质量 将后浇带设计成阶形凹槽形式 后浇带采用 提高一个强度等级的微膨胀抗渗混凝土 在结构 0 00m 楼板施工完毕后 统一进行浇筑 2 膨胀止水条的使用 1 防水施工方法比较 a 止水钢板防水 止水钢板这种防水做法在工程实际应用当中用的比较多 止水钢板只 是起到一个隔水的作用而并不能完全而起到防水的作用 所以 在众多的 工程实际应用中 止水钢板防水的这种防水施工效果还不是很理想 如果 在大剧院工程采取这种防水做法 势必会影响工程的整体防水效果 b 止水条防水 止水条防水施工是目前应用比较广泛 并且也被工程实践证明是一种 比较新型有效的防水施工工法 综合比较国内外止水条的性能以及价格 我们选定了比利时 DENEEF 公司生产的遇水膨胀止水条 SJ 止水条 因 为国内生产的止水条虽然价格便宜 但是其防水性能却不尽人意 而 DENEEF 公司生产的止水条虽然价格较贵 但是其防水性能却非常理想 考虑到国家大剧院工程的重要性 所以所以选择了比利时进口的止水条 2 止水条施工 止水条采用比利时 DENEEF 公司生产的遇水膨胀止水条 SJ 止水条 它的规格为 25 7mm 膨胀率 600 它除了膨胀率高还有一个显著特点 就是遇水膨胀 水去收缩 安装止水条要求基面干燥 平整 用射钉将止 水条固定在平整的混凝土表面 射钉间距 25cm 但当基面不平时 应使 用 SM 胶 SM 胶与止水条同种材料 将表面找平 然后把止水条粘在胶 表面 施工过程中要避免止水条提前遇水 3 竖向墙体施工缝的留置 为降低外墙混凝土收缩裂缝出现的可能性 外墙一次浇筑长度不得超 过 40m 在外墙 560m 周长范围内同底板共设置 6 条后浇带 为平口方式 与底板后浇带贯通 14 道竖向施工缝 混凝土施工工艺 通过对混凝土性能的调整 提高了混凝土的防水能力 但是 要发挥 好混凝土的防水性能 加强对混凝土施工工艺的控制也显得尤为重要 对于混凝土施工过程的控制 重点就是合理的安排组织施工以及做好 混凝土的振捣 保温和养护工作 以保证混凝土的浇筑质量 使得自防水 混凝土的防水效果能够得到最佳的发挥 F 施工准备 国家大剧院工程地处人民大会堂西侧 长安街北侧 其地理位置的的 重要性给混凝土的组织运输带来了一定的困难 大剧院的预拌混凝土由城 建集团混凝土预拌单位统一供应 施工现场根据施工部位及现场平面布置 图划定混凝土进出厂路线并设专人指挥 确定混凝土拖式泵 汽车泵 位 置及泵管布置 确保混凝土浇筑连续不间断 同时安排施工现场准备混凝 土保温所需的材料设备 1 混凝土的运输 混凝土全部采用商品混凝土 由混凝土专用运输车运至浇筑现场 为 保证混凝土浇筑连续不间断 每台泵车均保证由足够的混凝土运输车供应 施工现场设混凝土拖式泵 以保证混凝土垂直和水平运输 为方便施工 每台混凝土拖式泵配备一台布料杆 工作半径 15m 2 混凝土的浇筑 基础底板被后浇带划分为 6 个施工段 各段混凝土必须连续浇筑 不 得留置施工缝 基础底板混凝土按自然流淌坡度 1 5 左右 采取斜面分层方式进行 浇筑 每层浇筑厚度 50cm 分两次浇完 浇筑过程中尽量充分将混凝土 暴露 以利于降低混凝土的内部温度 计算上下层混凝土浇筑的咬合时间 间隔 在混凝土浇筑时控制好混凝土的间隔时间 以防止出现施工冷缝 同时 在混凝土的浇筑过程中 还加强对混凝土的振捣 混凝土浇筑过程中所产生的泌水要及时进行处理 以避免由于粗骨料 下沉 表面水泥浆过厚而影响混凝土表面强度 并因此而产生收缩裂缝 控制混凝土的入模温度不得低于 6 3 混凝土养护 底板混凝土的养护通过混凝土热工计算 覆盖一层塑料薄膜和双层草 帘 为防止混凝土表面失水过快 在混凝土浇筑完毕后 先覆盖一层塑料 布做保水之用 墙体混凝土浇筑完毕后 覆盖双层阻燃草帘 支撑间先竖向挂满草帘 再在支撑处多铺一层 拆完模板以后 先于墙体表面覆盖一层塑料布 再 加盖一层草帘 混凝土的保温养护时间不少于 14 天 4 混凝土温度控制 底板大体积混凝土在养护期间必须严格控制其内外温差 确保不出现 有害裂缝 以保证混凝土的质量 控制指标 a 混凝土内外温差不得大于 25 b 混凝土表面温度与大气温度的差值不应大于 25 混凝土养护温度的测定从混凝土入模开始 直至达到受冻临界强度拆 除保温 或混凝土温度降到 0 为止 至少每隔 6h 测量一次 掺防冻剂的 混凝土在强度未达到受冻临界强度前每隔 2h 测量一次 达到受冻临界强 度以后每隔 6h 测量一次 G 实施效果 经过对自防水混凝土的施工技术研究 并且通过国家大剧院工程的实 际应用 证明本次研究对于工程质量的影响非常显著 混凝土供应期间混 凝土的工作性能良好 坍落度稳定 泵送效果良好 28 天标准养护强度达 设计强度的 115 以上 拆模后混凝土表观质量好 大剧院地下室底板及 外墙到目前为止几乎没有发生过地下水渗漏现象 3 2 项目研究技术创新点 3 2 1 随着工程的进度 根据现场情况 分阶段建立施工控制网的措施 3 2 2 图形曲线数据计算的研究 3 2 3 弧形墙体模板 内置型钢圆柱模板 异形椭圆柱模板 双曲面楼 板模板 曲线楼梯模板设计方案的研究 3 2 4 纤维抗渗防裂混凝土研究 4 施工技术研究成果及应用前景分析 4 1 施工技术研究成果 4 1 1 复杂曲线测量技术研究 1 控制网的建立突破常规思维 随着工程的进度 根据现场情况 分阶段建立施工控制网使现场放样的速度及精度大为提高 2 实现了内业计算程序化 曲线实体放样的数字化 3 研究总结出了一套科学实用的工程曲线放样方法 创建了大型 总承包工程的测量控制体系和相应的管理模式 并对全站仪的工程应用进 行了积极的探索 4 1 2 异型模板及支撑体系技术研究 1 在现场试验和技术改进的前提下 首次将平板玻璃模板大量应 用于内置型钢的圆柱 为该项新技术进一步开发和推广提供了经验 2 超常规双曲面楼板模架的设计及成功实践为大面积水平异形构 件模架体系研究提供了一条新的思路 3 针对不同曲率弧形墙体设计出与之相适应的模板施工方案 4 1 3 大体积底板及超长外墙混凝土自防水施工技术研究 采用纤维抗渗防裂混凝土及相关防水技术实现了大体积底板及超长外 墙混凝土结构自防水的效果 为今后类似的施工提供了成功有效的经验 同时也为今后进一步开展混凝土自防水领域的研究奠定了坚实的基础 4 2 成果应用前景分析 4 2 1 复杂曲线测量技术研究 随着城市建设的蓬勃发展 建筑物结构形式愈加复杂 这对测量技术 的要求也随之提高 对国家大剧院测量技术的研究 包括对测量控制网的 研究 对数学模型的研究 对新型测量仪器的研究为今后复杂测量施工打 下了坚实的基础 4 2 2 异型模板及支撑体系技术研究 随着国民经济的稳健发展 展现个性化 风格化造型设计的大型公共 建筑与日俱增 为保证建筑物使用功能及满足视觉 听觉效果要求 其构 件设计呈由方形向圆弧形 异形曲线形发展趋势 国家大剧院建筑设计具有显著的上述特征 对异型模板及支撑体系技 术的研究对今后类似施工有很大的借鉴和指导意义 4 2 3 大体积底板及超长外墙混凝土自防水施工技术研究 随着施工技术的发展和新材料的应用 在当代建筑施工中 混凝土应用 技术与施工工艺已有很大的提高与改进 但混凝土裂缝现象和渗漏问题依旧 困扰着设计 施工与用户 尤其是在地下室结构底板和外墙部位 或多或 少都存在着混凝土结构裂缝和渗水现象 严重影响了结构的使用功能 使用 寿命和安全性 对 大 体 积 底 板 及 超 长 外 墙 混 凝 土 自 防 水 施 工 技 术 的 研 究 有 助 于 解 决 混 凝 土 裂 缝 问 题 5 经济效益和社会效益分析 5 1 经济效益分析 5 1 1 复杂曲线测量技术研究 1 在内业计算上我们采用自主编制的针对性程序 与传统手工计 算相比大大提高了计算效率 质量 2 在外业测放上我们针对国家大剧院工程的结构特点 采用了先 进的全站仪 与传统测放仪器相比效率 质量高且受现场障碍影响小 3 从以上对比可以看出新技术主要节约了工期 进而间接节约了 机械 材料租赁费 工作人员工资等 4 由于我们针对国家大剧院这种超大规模弧形结构工程的特点采 用了针对性的内 外业方案 直接节约工期约 25 30 55 天 间接为本工 程节约成本 407 5 489 896 5 万元人民币 因此我们可以看到我们采用的 高效测量内外业措施不仅为工程按时完工打下了坚实的基础 并且为工程 的成本控制做出了重大贡献 5 1 2 异型模板及支撑体系技术研究 工程共使用背部紧伸式可调曲率模板 4010m2 背楔式可调曲率模板 3850m2 玻璃钢圆柱模板 300m2 钢制活动角模 1140 个 在以直代曲方 案无法保证施工精度及工期要求的前提下 同定型钢模板作经济技术对比 经综合成本分析 异形模板累计节约资金达 395 69 万元 且大部分模板及 支撑体系经改造后可继续应用于其他工程 5 1 3 大体积底板及超长外墙混凝土自防水施工技术研究 纤维抗渗防裂混凝土采用国产改性聚丙烯纤维 它比国外同种纤维具 有分散性能好 价格低等优势 单方混凝土造价比基准混凝土增加 32 元 与掺加膨胀剂或防水剂的混凝土造价基本接近 不须额外增加费用 但防 裂效果 适用范围明显改善和增加 施工养护中可节省人工费 3 5 元 m3 因此具有明显的技术经济效益 5 2 社会效益分析 5 2 1 复杂曲线测量技术研究 对国家大剧院复杂曲线测量技术的研究 使我们总结出了一套科学实 用的工程曲线放样方法 使我们能够针对不同的实际情况灵活运用先进的 测量技术 使我们能够将高新科技运用到测量施工中 5 2 2 异型模板及支撑体系技术研究 1 研究 总结出一整套适用于大型剧场工程施工的异形模板施工 技术 对今后类似工程具有广泛的 可靠的指导作用和参考价值 2 加速国外先进技术的引进 吸收 使之国产化 从而为降低异 形构件模架施工成本提供了可以借鉴的经验 5 2 3 大体积底板及超长外墙混凝土自防水施工技术研究 通过该项研究 不但为我们今后类似的施工提供了成功有效的经验 同时也为我们今后进一步开展混凝土自防水领域的研究奠定了坚实的基础 国产改性聚丙烯纤维在纤维抗渗防裂混凝土中的成功应用 体现了国 产化道路的优势所在 6 项目研究总结 国家大剧院结构工程施工技术研究自 2000 年 4 月开始立项 组织实 施研究以来 经过多种方案的比选 确定 并经多次专家论证会进行论证 完善 确定了最优的测量控制方案 异形多曲面模板支撑体系方案 大体 积底板及超长外墙混凝土自防水施工方案 经过现场进行测量放线 异形多曲面模板支撑体系 特种混凝土的试 验 确定适合施工现场的施工仪器设备和合理施工工艺方法 进行了实际 工程的实施 经过现场进行测量放线 异形多曲面模板支撑体系 特种混凝土的试 验 确定适合施工现场的施工仪器设备和合理施工工艺方法 进行了实际 工程的实施 保证了放样的精确性 混凝土曲线构件的成型质量以及混凝 土外墙及底板的抗渗性 可以看出 通过对国家大剧院结构工程施工技术研究成果的成功应用 使和结构工程施工得以顺利实施 保证了周围重要建 构 筑物的安全及 质量 填补了国内在复杂曲线测量技术研究 异型模板及支撑体系技术研 究 大体积底板及超长外墙混凝土自防水施工技术研究等方面的空白 形 成了一整套该种场区条件下成熟的施工工艺 使中国在该项施工技术方面 能够达到国外同行的先进水平 由此可见国家大剧院结构工程施工技术的研究是成功的 效果是显著 的