广西建工集团第一建筑工程有限责任公司5300031
摘要：漏斗状钢筋混凝土结构体系立面及空间曲线复杂、曲面相互联系、结构布置非常规化等均给结构施工提出了新的要求，特别由于结构轴线复杂且为立体曲线造型，内部结构标高高低不一，对工程施工放样、测量定位、轴线标高控制、模板支架搭设、钢筋绑扎定位、混凝土浇筑等施工带来一定难度，针对以上问题我们通过优化创新、方案改革施工方案、提出了新的施工工艺，研究成果达到国内领先水平。
关键词：漏斗状弧形柱环形梁双曲面二次深化设计三维坐标空间测放
0.引言
随着经济建设的快速增长以及大众精神文明的提高，人们对建筑的要求不仅仅停留在实用层次，对建筑外观和内部使用等审美要求也逐步提高，因此近年来造型奇特、外观精美的新型建筑、结构也层出不穷。这些建筑的外形奇特、结构布置非常规化等导致结构传力复杂，这就给结构施工提出了新的要求，漏斗状结构的屋面就是其中一种，它综合了弧形柱、环形梁、双曲面等曲线优美、造型奇特的特征。敦煌莫高窟保护利用工程——游客服务设施建安工程中的采光井就采用了这种特殊结构。
敦煌莫高窟保护利用工程——游客服务设施建筑的餐厅与办公用房之间天井，由底部生根上升的30根按平面椭圆形均匀布置的钢筋混凝土矩形柱围成，柱沿高度方向，按从曲线到双曲抛物线变化上升，至屋面处又高度不一但自然顺滑地外翻与屋面融为一体。柱之间有11条钢筋混凝土矩形环梁把柱连成一体，成为梁柱网格体系结构。矩形环梁随柱竖向的曲线变化而逐渐变化，始终与柱相正交，在+5.000高度以上，环梁呈斜环状，恰似沙丘中的漏斗，又如激流中的漩涡。
1、工艺技术难点
（1）根据测量定位工作的难点，采取“先控制后细部，从整体到局部”的原则，将测设工作分解为平面定位控制与构件造型控制。因此施工过程中的测设归根结底是对模板“钢筋”安装的定位控制，具体操作过程遵循“从空间转平面，控制安装节点”的思路。
（2）弧形柱模板制作时，利用弧形柱轴线的水平投影和弧形柱底模三维坐标来确定主楞(钢管小横杆)的搭设位置与搭设高度，随后现场制作两条随弧形柱空间变化的弯曲通长定位钢筋，次楞按定位钢筋的曲率与主楞绑扎，底模板钉在次楞上形成相应的曲面；环形梁模板依据环形梁轴线的水平投影和环形梁底模三维坐标确定环形梁的弧度和搭设高度；曲面板的模板成型是利用曲面板下方的井字梁侧板的木楞高度来控制曲面板高度，保证曲面板成型。
（3）利用自密实混凝土进行构件混凝土的浇筑，以解决因构件钢筋密集、难以振捣的课题，保证各异形构件混凝土的质量。
2、施工工艺流程
考虑到漏斗状钢筋混凝土结构体系弧形柱模板支架的搭设和测设的困难，自弧段拐点处(B点处)进行分段施工，先施工AB段范围内构件，再施工BC段范围内构件。则漩涡沙漏状钢筋混凝土结构体系的弧形柱、环形梁及双曲面屋面板的工艺流程如下所示。
图纸深化设计与提取控制点三维坐标→测量放样→满堂钢管脚手架搭设→分段弧形柱模板安装→分段环形梁模板安装→分段弧形柱、环形梁模板安装→L6-L11之间双曲面屋面施工→混凝土浇筑
3、操作要点
3.1深化设计与提取控制点三维坐标
（1）先利用CASS成图软件对漩涡沙漏状钢筋混凝土结构体系的弧形柱与环形梁CAD电子版图纸进行二次深化设计，根据漏斗状采光井钢筋混凝土结构体系曲面顶板标高图，提取弧形柱与环形梁节点轴线相交的中心控制点在地面的投影三维坐标。
（2）在提取三维坐标的同时，需通过曲面顶板标高经换算得出弧形柱在环形梁L1～L11之间的梁底轴线控制标高及间距并列表。
3.2测量放样
根据二次深化设计的投影三维坐标图纸，在采光井地坪垫层上测放出弧形柱与环形梁轴线地面投影坐标点。采取“先控制后细部，从整体到局部”的原则，将测设工作分解为平面定位控制与构件造型控制。
在施工现场埋设若干个测量控制点，组成一个完全能满足平面放样、高程传递和沉降观测需要的平面控制网。按照“先整体后局部”的原则，将“柱网轴线”确定为主要测设对象，对钢筋混凝土弧形柱进行定位，精确控制弧形混凝土柱的控制点。同时，环形梁作为影响建筑物造型的主要因素之一，“环形梁的梁底外边线”也作为主要测设对象之一，从而形成内控网平面布置图。
1）柱根部测量
通过平面控制坐标网，将漏状采光井结构体系范围内的基础混凝土表面用三维坐标放出椭圆圆心及周边各柱子根部边线，放测出的柱根部的点均用油漆做好明确标志，形成楼面上弹测的“柱网轴线”
2)柱弯曲段及环形梁水平投影测量
弧形柱轴线的水平投影测量直接用轴线三维坐标进行放线。而环形梁横断面均倾斜于地面，为了便于控制环形梁的水平投影位置，在计算机上用CAD制图软件通过计算画出每个弧形柱与环形梁交点的剖面图，由环形梁室外边中线画出室内梁底外边线，由此得出环形梁室内梁底外边线的三维坐标，进而放出环形梁水平投影位置。
3)弧形柱及环形梁的立面测量
柱立面测量：根据弧形柱轴线的水平投影线和三维坐标，求出柱底模的三维坐标，然后在现场利用卷尺、铅垂仪测量出对应位置的高度，以此作为柱底模钢管搭设的高度，并根据弧形柱的轴线投影和标高变化绑扎通长弯曲钢筋作定位，并在钢筋下搭设与柱弯曲幅度一致的小横杆作主楞，在小横杆上按弯曲钢筋曲率捆绑方木作次楞，柱底模在楞木上钉牢成弧。
环形梁测量：根据环形梁室内下边线的水平投影线和三维坐标搭设环梁底模支撑架，在支撑架上安装梁底模(梁底模垂直于柱底模)。
3.3满堂钢管脚手架搭设
根据柱、梁布置在椭圆光井内、外搭设满堂脚手架，椭圆外围脚手架为支撑脚手架，椭圆脚手架为操作、固定脚手架。
1)、弧形柱支架搭设：搭设满堂脚手架后，根据柱子轴线与梁线交点的水平投影点和标高，在脚手架上定出各点的空间位置，用钢筋连成定位线，在定位线下按受力计算要求搭设钢管小横杆。由于立杆均为对接，柱子相应位置的立杆顶端均超过小横杆，在安装柱底模之前须用电焊机将超出部分截断。
2)、梁支架的搭设：由于相邻两条梁的标高差不大，光井下部大部分梁支架单独搭设在下梁上，并与满堂脚手架顶撑牢固。光井上部梁的支架由光井内外满堂脚手架另加横杆搭设而成。各柱子之间立杆顶端超过梁板支架的部分在装模前须用电焊机截断。
3)、由于弧形柱与环形梁的标高主要是通过立杆来控制，为了便于弧形柱与环形梁面标高的控制，满堂架立杆布置在弧形柱与环形梁地面投影轴线的交叉点两侧；粱跨方向立杆间距为500mm，垂直粱跨方向立杆间距为200mm，步距为900mm，钢管主楞垂直于粱跨方向。
3.4分段模板安装
通过现场放样分段搭设以解决环形梁和斜柱形成复杂的节点及梁、柱间曲率不一的双曲面屋面板的难题，具体的方法分两步：①对于L1～L6段，利用三维模型在水平面上的投影，在梁、柱节点下方已完工的基础板面上，测量节点的投影线，利用线锤向上引测，控制模板支设。②对于L7～L11段，因控制节点距下层楼面过高，无法利用平面投影向上投测，可先根据已连成整体的L1～L6段初步支设模板，然后在模板上按一定标高统一抄出水平线，利用三维模型切面，得到L7～L11混凝土4个角点坐标，再利用全站仪对弧形柱进行复核。
（1）弧形柱底模板安装
A、底模定位钢筋的成型：取柱子轴线与梁线交点的水平投影点和标高，在脚手架上定出各点的空间位置，用直径18的螺纹钢沿各空间点进行绑扎电焊，以此作为柱子底模的定位线。
根据弧形柱的轴线投影和标高变化绑扎通长弯曲钢筋做柱子底模弧形定位，并在钢筋下搭设与柱幅度一致的钢管小横杆作主楞。在小横杆上按弯曲钢筋曲率用铁线捆绑方木成弧作次楞，安装弯曲面柱全长底模。
B、拼装
弧形钢筋混凝土柱底部根据楼面上弹测的“柱网轴线”进行定位，并沿柱截面内侧设置模板固定点。以往常规斜柱做法是在地面上设置抗推点，采用斜向支撑固定，只要定位斜柱上端与底端位置即可完成造型控制。本工程弧形钢筋混凝土柱以安装完成的定位钢筋为依托，通过在定位钢筋上焊接定位箍来控制。按大样图在模板上标记出定位箍的焊接位置，定位箍采用角钢制作，根据标记将定位箍定位固定牢固后，与定位钢筋焊接，定位箍外包尺寸同柱截面尺寸。模板根据大样图预制，包模时模板与定位箍紧贴，采用槽钢抱紧，并附加支撑体系。
柱底模的拼装在柱筋绑扎前完成，拼装前先用小直径钢筋按柱子受力计算要求将方木沿着定位钢筋在小横杆上焊牢成弧，再将加工好的柱底模从下往上在方木上钉紧成弧进行拼装。全部柱子底模拼装完成后仍须做适当调整，使柱底模所在椭圆的顺滑。
C、侧向模板安装
弧形柱子其他侧面模板的拼装在钢筋绑扎完成后拼装，柱模楞方间距100mm，钢管柱箍间距300mm安装组合套箍进行加固，每个套箍在柱子长边对拉一根φ14的高强螺杆。在模板拼装之前须按间距要求放置钢筋内衬以保证柱子的截面尺寸，要求每根对拉螺杆对应一根φ18的钢筋内衬。模板拼缝要求不大于2mm。
（2）环形梁模板安装
环形梁分为独立梁和与板相连的梁。环形梁施工大样图为梁底平面尺寸，同时包含梁顶外侧线定位尺寸，梁底模按施工大样图在制作区1：1放样，分段拼接加工。
对于独立环形梁，以板底模平面为施测工作面弹出梁顶内边线，，梁内侧模板安装时，通过铅垂仪"线锤等工具将已测设的梁顶内边线引至施工面标高。
对于与板相连的环形梁，其梁顶内边线在板边界线内侧，而梁顶外边线在梁底模范围内，使用梁板交界线作为环形梁侧模的造型控制线。以板底模平面为施测工作面，测设梁板交界线，坐标获取方法与平面定位相同，同时考虑预留模板拼缝所需尺寸。
梁底模在梁筋绑扎前进行拼装，先在支架横杆上面满铺方木，在方木上面钉弧形梁底模。单条梁全部梁段底模拼装完成后形成倾斜扭曲的椭圆环，须做适当调整使各个梁段底模的整体顺滑。
环形梁其他侧面模板的拼装在梁钢筋绑扎完成后拼装，拼装后在模板外侧按300mm的间距设置弧形钢筋背肋，每道钢筋背肋内外侧均为两根φ18，用φ14的高强螺杆按照间距400对梁侧模进行加固。在模板拼装之前须按间距要求放置钢筋内衬以保证梁的截面尺寸，要求每根对拉螺杆对应一根φ18的钢筋内衬。模板拼缝要求不大于2mm。
3.5弧形柱、环形梁钢筋绑扎
弧形柱、环形梁截面的倾斜度在不同部位均不相同，梁、柱钢筋均利用AutoCAD空间放测技术测放出截面尺寸进行现场加工。弧形柱均为大直径钢筋，无法在加工厂加工成型，采取人工弯曲的方式。梁钢筋安装定位控制方法如下：将已经安装固定好的梁底模作为施测工作面，弹出梁顶外侧线，以此线作为控制线控制上排钢筋的定位，同时用此线复核梁底模板的安装精度。
3.6、L6-L11之间双曲面屋面施工
支撑架搭设→环形梁侧模加固封闭→屋面方格网标高投测→反算曲面板底模标高→板底模支撑横杆搭设→纵向弧形横杆搭设→绑梁底短方木龙骨（横向）→安装板底模→板筋绑扎→封上、下环形梁及之间的双曲面屋面板模板（在曲面板顶部预留100mm宽的环形板槽，柱子部分做好定性模板、待砼振捣后再封死。）安装对拉螺栓→锁紧对拉螺栓（调整模板弧度）→检查验收→浇筑砼→拆模→清理、进行下段施工。
3.7混凝土浇筑
本工程钢筋密集，难以使用振动棒进行振捣的异形构件，只能选用具有自流平和自密实性能的自密实混凝土进行浇筑。
环形L6-L11梁及双曲面屋面的浇筑顺序为：弧形柱砼振捣→封弧形柱部位的模板→通过环形板槽浇捣环形梁及双曲面屋面砼。
1、结构体系中的梁、柱构件配筋表现为主筋多、箍筋密，且每个箍筋均设置拉钩，加上加固模板所用的钢筋内衬和对拉螺杆。混凝土施工每次只能浇筑两条环形梁所夹范围内的梁、板及柱构件，应先浇筑柱混凝土构件，然后再浇筑梁、板混凝土构件。
2、浇筑时，泵口应距柱口有一定距离，应使混凝土拌合物沿柱模板侧壁流向柱底，以避免柱内形成“空气包”影响混凝土浇筑质量。应先浇捣柱头处C40混凝土，混凝土浇筑高度略大于设计标高，振实后的标高应是设计标高，振捣密实后再浇筑与柱头相连接梁、板的C30低标号混凝土。在距柱边300mm处设快易收口网。
3、由于环形梁四周不规则、弧度难于控制，双曲面板的内外均为曲面，同时由于弧形柱的弯曲角度较大(即大角度)，从原来垂直地面成90度角，到最后与地面成负20度角，弧形柱直接弯曲了290度。为了弧形柱、环形梁L6-L11与双曲面板的砼成型，弧形柱、环形梁与双曲面板的模板采用全封闭式。待弧形柱的砼浇筑完成后，进行环形梁与双曲面板的顶板的封闭，只在双曲面板的中间部位预留100mm宽的环形板带，用于环形梁与双曲面板的砼浇筑。
4、浇筑完成后立即对混凝土构件进行养护，养护要求按相关规范进行。
结论
该技术解决了以下结构体系：每根柱的曲线变化均不相同，屋面为无规则斜交网状井字梁双曲面，它综合了井字梁结构合理的受力特点和独特的结构布置方式以及双曲面结构造型、跨度大的屋面的难题，填补了同类双曲屋面结构综合施工技术的空白。