鄭州南站清水混凝土雨棚模板體系研究

摘要：鄭州南站清水混凝土雨棚結構造型復雜，質量標準高，根據工程特點，充分利用現場施工條件及相關規范制度要求，制定合理的施工方案，采用犀牛軟件建模、BIM三維模擬、數控下料等技術，通過科學策劃、嚴格控制，完成了清水混凝土雨棚結構施工，實體尺寸精度高，整體觀感滿足設計要求。關鍵詞：清水混凝土；站臺雨棚；模板體系1前言清水混凝土（As-castFinishConcrete）的概念最早始于日本，稱作“表面藝術處理混凝土”，屬于一次澆筑成型，不做任何外裝飾，直接采用現澆混凝土的自然本色和質感作為飾面。清水混凝土表面平整光滑、色澤均勻、無碰損和污染，只在表面涂刷一層或兩層透明的保護劑。其既具備混凝土高強、耐久、耐火等特點，又兼具藝術美感與建筑情感，已越來越多的被世界級建筑設計師應用到各類建筑表現當中。二十世紀七十年代，清水混凝土在我國主要用在外墻板反打方面。隨著我們對環保要求不斷提升，國內的清水混凝土工程不僅僅局限在民用建筑、廠房還有道路橋梁等等方面，在高鐵站房上面也有了一定的應用。隨著我國高鐵的迅猛發展，結合清水混凝土的快速發展，人們青睞于樸實無華、自然成穩的外觀韻味。高鐵車站運用清水混凝土結構形式，極大的推動了我國清水混凝土的發展，也改變了既有高鐵車站站臺雨棚的外觀形式，意義重大。鄭州南站項目無站臺柱雨棚采用清水混凝土結構，是繼重慶西站之后，又一大型清水混凝土站場雨棚，且在結構造型上采用異形柱+聯方網殼肋梁+預制裝配式疊合板+現澆樓板相結合的形式，不但豐富了藝術表達內容，也大大增加了模板體系施工難度，為了更好的實現聯方網殼清水混凝土雨棚設計意圖，在一系列工程實踐應用的基礎上進行研究總結，編制了本施工技術。2工程概況鄭州南站規模為16臺32線，其中鄭萬場5臺10線（含2條正線），鄭阜場5臺9線，鄭萬、鄭阜場共用5站臺，城際場7臺13線。通過聯絡線，鄭州南站、鄭州站與鄭州東站實現了互聯互通。站房采用高架形式，站房總建筑面積約15萬平方米。鄭州南站雨棚建筑面積66420m2，結構形式為預制裝配式疊合板+現澆聯方網殼清水混凝土結構，共兩個片區，分別位于站房南北兩側，屋蓋剖面為波浪形。單片屋蓋順軌方向長98.1m，垂直軌道方向總長370m，拱高4.1m，最高處距離站臺面14.45m，標準跨跨距21.5×22.8。圖1鄭州南站雨棚頂視圖3設計概況鄭州南站雨棚柱截面形狀分為鋼骨混凝土六邊形、八邊形柱和普通混凝土六邊形、八邊形柱，外觀尺寸為1000×1000mm、1100×1100mm、900×1200mm、1000×1200mm；網格混凝土梁為200×600/700mm；順軌向鋼骨混凝土框架縱梁規格為600×1600mm，內部設置H型鋼1000×300×20×36mm；預制裝配式混凝土板厚度為60mm；預制頂板上面現澆混凝土厚度為60mm。4材料選型根據鄭州南站清水混凝土雨棚設計特點進行分析，最大的挑戰在于網格肋梁模板體系的設計與選型。通過對國內成功清水混凝土案例進行調研，目前國內主要應用于清水混凝土結構的模板體系主要有鋼模板體系、木模板體系、鋁模板體系、木塑模板體系、紙模板體系等等。在調研過程中，鄭州南站清水混凝土雨棚研究小組接觸了一家玻璃鋼廠商，通過對廠家生產線的參觀學習，和對玻璃鋼特性的研究，決定將玻璃鋼模板體系納入清水混凝土雨棚模板體系參考范疇。在毫無前例經驗可循的基礎上，鄭州南站清水混凝土雨棚研究小組通過一系列的對比分析，最終擬定通過樣板試驗來確定最終的模板體系。5樣板施工針對網格肋梁施工的重難點，選定五個樣板（三種模板）進行施工：三個木模板、一個鋁模板、一個玻璃鋼模板。其中，雨棚異形柱分別選取鋼模、木模、木塑三種模板體系分別進行樣板施工。雨棚網格肋梁分別選取鋁模、玻璃鋼模、木模三種模板體系分別進行樣板施工。具體樣板設計如下：樣板A：雨棚柱采用木模板，網格肋梁采用全木模散支散拼，梁底沿網格梁弧形支撐。網格肋梁采用二次澆筑工藝，即首次澆筑到板底標高，疊合板放置在梁網格梁澆筑面上，綁扎板面筋后進行二次澆筑。圖2模板體系示意圖樣板B：雨棚柱采用鋼模板，網格肋梁采用鋁模板，主梁模板采用全木模散支散拼，鋁模板底部直接采用鋼管支撐。網格肋梁采用二次澆筑工藝。圖3模板體系示意圖樣板C：雨棚柱采用木模板，網格肋梁模板采用全木模散支散拼，板底拱形通過垂軌方向弧面主龍骨+木方次龍骨作為支撐轉換層，底部用鋼管支撐。網格肋梁采用一次澆筑工藝。圖4模板體系示意圖樣板D：雨棚柱采用木塑模板，網格肋梁模板采用鋼框木模散支散拼，模板底部直接采用鋼管支撐。網格肋梁采用一次性澆筑工藝。圖5模板體系示意圖樣板E：雨棚柱采用木塑模板，網格梁采用玻璃鋼模板，主梁模板采用全木模散支散拼，模板底部直接采用鋼管支撐。網格肋梁采用一次性澆筑工藝。圖6模板體系示意圖五個樣板同步施工，在施工完成后，對五個樣板實體進行綜合對比，編制分析對比表如下：表1雨棚柱模板分析對比表方案模板體系施工方式優點分析缺點分析雨棚樣板A、C木模板僅施工直線段（1）棱角順直，精準度較高；（2）使用靈活，出現破損可靈活更換；（3）安裝無需垂運機械設備輔助。（1）可實現變截面段施工，但板材消耗較大，功效較低，精度較難保證；（2）棱角接縫處失水率較大，易產生色差；（3）模板均為一次性投入，材料損耗率高；（4）模板散拼散支，拼縫過多，需要較多的處理措施；（5）需要現場加工，需要投入加工場地、人員及安全文明保證措施；（6）總成本較高。雨棚樣板B鋼模板直線段與變截面段一次成型（1）柱面平整度好，表面拼縫少，顏色均勻，觀感較好；（2）直線段與變截面段可一次成型，且精度較高；（3）棱角順直，且呈微小圓弧，易于棱角的成品保護；（4）可多次周轉使用。（1）需要垂直運輸機械輔助安裝；（2）鋼模板每次使用前需打磨除銹；（3）拆模時，易與柱身發生磕碰，造成柱體表面損傷。雨棚樣板D、E木塑模板僅施工直線段（1）模板構件較輕便，安裝無需垂運機械設備輔助，功效較高；（2）構件種類較少，節約場地，安裝方便；（3）可周轉使用。（1）易變形，構件尺寸不精準；（2）弧面部分與平面部分失水率不同，易產生色差；（3）無法實現變截面段施工；（4）拆模后模板表面易掛漿，周轉率不高；（5）成本高。表2雨棚梁板模板分析對比表方案模板體系施工方式優點分析缺點分析雨棚樣板A木模板梁板分次澆筑（1）棱角順直，表面觀感較好；（2）無需垂運機械輔助，工效較高；（3）相對其他四個樣板，成本較低。（1）依靠扣件和鋼管進行梁底模定位，拱形精確度較低；（2）夾角模板難以拆除；跨邊疊合板預留筋無法錨固；（3）表面有色差，拼縫位置明顯；（4）梁板二次施工，疊合板與一次澆筑梁上沿存在較大縫隙，且增加人工和時間。雨棚樣板B鋁模板梁板分次澆筑（1）觀感較好，表面缺陷少，棱角順直；（2）可多次周轉使用。（1）網格梁需要以直代曲，梁梁相交節點處存在明顯錯臺；（2）跨邊疊合板預留筋采用預埋插筋的方式；（3）定型化鋼模易對混凝土表面造成磕碰損壞；（4）鋁模板上沿精度低，易導致疊合板翹曲，易出現板底開裂現象。雨棚樣板C木模板梁板一次澆筑（1）通過弧形龍骨將空間三維定位轉換為二維測量放線，便于工人操作，減少人為因素帶來的影響，適合大規模展開施工；（2）適用于盤扣式腳手架體系；（3）梁底順直，柱棱角順直，無明顯錯臺。（1）較其他方案，多設置兩道龍骨，成本較高。雨棚樣板D鋼框木模板梁板一次澆筑（1）支撐簡單，加固方便；（2）鋼框可周轉使用。（1）鋼框木模較重，散支散拼及拆除功效低，人工用工量較大，效率低；（2）梁底模板拼接處存在拼縫偏差；（3）梁色差明顯。雨棚樣板E玻璃鋼模板梁板一次澆筑（1）支撐簡單，加固方便，模板體系拼裝便捷；（2）可周轉使用。（1）玻璃鋼模板受沖壓模具影響，易造成拼縫的偏差；（2）玻璃鋼模板拼縫處需二次處理，用原子灰封堵拼縫，易污染混凝土表面；（3）拼縫處現澆混凝土色差較大。經綜合對比，最終確定柱模板采用鋼模板，網格肋梁采用木模板，采用樣板C，即板底拱形通過垂軌方向弧形主龍骨+木方次龍骨作為支撐轉換層的方案。5施工工藝鄭州南站雨棚施工工藝流程圖如下：圖7施工工藝流程圖5.1支模架工程5.1.1支模架選型本工程雨棚區梁板支模體系采用M60盤扣式腳手架搭設滿堂架進行施工。5.1.2支模架搭設方案立桿縱向（順軌向）間距1.8m，橫向（垂軌向）間距1.2m，步距1.5m。圖8盤扣架布置平面圖圖9盤扣架布置剖面圖5.2模板工程5.2.1清水混凝土模板設計選型（1）異形柱鋼模板設計選型本工程雨棚柱截面形狀為鋼骨混凝土六邊形、八邊形柱和普通混凝土六邊形、八邊形柱，外觀尺寸分別為1000*1000mm、1100*1100mm、900*1200mm、1000*1200mm。柱凈高9.45m、11.55m，其中凈高11.55m柱分為等截面柱身及變截面柱頭，其中柱身高10.15m，變截面柱頭高1.4m。由于柱截面形式較多，為了消除常規混凝土結構施工易出現的漏漿、錯臺，跑模等質量通病，需對柱模板體系進行專業性深化設計，經過分析比較，選取實力強、專業水平高的專業廠家定制輕質鋼模板。本工程有柱頭柱分兩段進行施工，第一次施工高度為9.15m，鋼模板分為三段，每段長3.05m；第二次施工為直線段剩余的1m及擴大段，鋼模長度為2.46m。截面1100*1100mm無柱頭柱鋼模分為四段，每段長2.355m。圖10輕質鋼模深化圖（2）框架梁板模板設計選型梁模板采用15mm厚優質覆膜清水模板，龍骨采用50×100mm木方，現場安裝頂板梁不設置明縫，僅在模板拼縫處設置蟬縫。清水混凝土梁截面規格主要有200*600mm、200*700mm、200*600/700mm、400*1000mm、600*1600mm，梁側模與梁底模的關系為側模包底模，即梁底模寬度同梁寬，梁側模寬度為梁高減去樓板厚。5.2.2模板加工制作本工程雨棚梁模板形式多變，加工制作均由專門班組在單獨設置的模板加工廠內采用數字雕刻機進行加工，包括三維放樣、數字切割、刨邊等。5.2.3模板的安裝、拆除（1）模板的定位在站臺面和承軌層建立定位軸網，將架體每根立桿精準定位，并計算出搭設高度，通過精調頂托來確保Z軸定位精準；安裝次龍骨后，通過主梁控制軸線測設X軸和Y軸定位網格，在次龍骨上測放出網格肋梁梁底邊線。圖11模板放線定位圖（2）柱模板的安裝涂刷脫模劑→鋼模板組合→板面清理→塔吊吊裝→微調就位→固定螺栓→安裝柱箍帶→設置鋼管頂托斜撐及纜風繩鋼模吊裝前應提前清理鋼模內側表面擦拭干凈，涂刷油性脫模劑。將柱鋼模板按照順序組合好，固定螺栓，柱下部6米柱箍帶采用雙螺母固定。安裝柱模板前，底部板面應平整，用水沖洗干凈。柱模板施工采用盤扣式腳手架，由柱身1m處開始每隔3米設置斜撐加固，四個角設置中上兩道纜風繩。（3）主梁模板的安裝主梁梁側模加固次背楞為45×90mm@200mm木方，主背楞為40×80×2.5mm@630mm雙矩管。設置φ16的對拉螺桿：首排距離梁底215mm、沿高度間距630mm、縱向間距630mm設置。圖12梁模板安裝加固示意圖底模板采用15mm厚膠合板，梁底次梁采用38×88mm木方，方向平行于梁跨度方向；分布梁采用38×88mm@700mm木方，方向垂直于梁跨度方向；主梁為50×100×3.0mm矩管，托梁為雙拼[10槽鋼。圖13梁底支撐示意圖（4）網格梁模板安裝網架梁的模板采用2500×1250×15mm的覆膜清水專用模板，側模板加固龍骨采用統一規格的45×45mm的木方，不設螺栓孔。梁底沿順軌向鋪設90×90mm木方和雙拼[10槽鋼或單根10#工字鋼作為主龍骨，沿垂軌向鋪設45×125mm@500mm圓弧帶轉換龍骨，沿順梁方向鋪設38×88mm@300mm木方次龍骨。由次龍骨組合成圓弧表面，在該圓弧面上通過已做的梁底展開圖進行放線定位，找到梁底所在的位置，鋪設梁底。圖14梁底模板支撐形式梁底模板安裝通過放線定位找到梁梁相交位置，依次安裝菱形小塊，底模15mm厚60mm寬襯板板帶,網格梁底模，確定好位置后通過氣釘槍將梁底模板與底部次龍骨進行固定。圖15梁底菱形小塊、襯板板帶及底模安裝梁側模板安裝網格梁梁側模板端部采用45°倒角方式進行拼接。將加工好的弧形梁側模板緊緊貼合在梁底模外側并與梁底模對齊，確定好位置后使用氣釘槍將梁側模板進行臨時固定，再進行下一塊梁側模板的安裝。梁側模加固主背楞為45×45mm@300木方，次背楞45×45mm@200mm木方及45×90mm斜撐木方，不設螺栓孔。因網格梁帶弧度，為使疊合板與側模緊密貼合有效防止漏漿，故使用15mm厚60mm寬板帶壓側模頂邊。完成一個菱形單元板塊的模板安裝后，繼續下一個菱形單元板塊的模板安裝，直至網格模板安裝成型。圖16梁側模安裝圖17梁側模端部45°倒角拼接圖18梁側模板帶安裝及加固（5）板模板的安裝本工程雨棚存在隨軌道彎曲的異形跨、非標準尺寸構件及因臨營施工塔吊無法覆蓋的區域，雨棚板需采用整體現澆進行施工。將板模板按照菱形版塊尺寸以對角線分解為四塊板模，板底采用30mm厚100mm寬板帶及45×90mm@300木方進行支撐，使用氣釘槍將板模板固定在梁側模與板底木方上。圖19板模板安裝（6）模板拆除當同條件混凝土試塊強度達到拆模之后，開始拆除模板；第一