海南框剪结构高层文化艺术中心高大曲面墙信息化施工工法

'高大曲面墙信息化施工工法1江苏省XX建设股份有限公司；2江苏XX集团有限公司1.前言随着时代的进步，人们对于公共建筑造型、空间提出了越来越高的要求。建筑结构理论的不断发展和大型工程实践的积累，使混凝土结构型式由平面规则、空间平直向空间异形、造型美观、高净空发展。曲面墙是其中的一种型式，具有造型美观、空间线性流畅的特点。施工中既要保证其线性光滑，又要确保节点精度，满足与其它结构的准确连接，对施工单位提出了很大的挑战。江苏省XX建设股份有限公司与江苏XX集团有限公司在高大曲面墙施工中，通过聘请专家论证，组织施工技术攻关，形成并逐渐完善了一套《高大曲面墙信息化施工工法》。信息化施工就是融施工、监测和设计于一体的施工方法，即在施工过程中加强施工监测，根据实测数据通过反演、正演分析，评价结构体系的稳定性和节点精度，确定是否调整施工参数与施工对策。信息化施工的理论核心是反分析方法的运用，它包括结构模型的假定，控制节点目标参数值的赋予，以及施工过程中应力、应变和位移等数据信息的量测和反馈数值分析等内容。江苏省XX建设股份有限公司与江苏XX集团有限公司采用高大曲面墙施工工法的项目有：海南省xx文化艺术中心工程，获2008年度“海南省优质结构工程”、“海南省安全文明工地”；海南xxx花园8#、9#综合楼工程，获得2006年度“全国用户满意工程”和2005年度“海南省优质样板工程”；扬州市“XX馆”工程，获得江苏省“扬子杯”优质工程和“江苏省安全文明工地”。该工法在上述工程施工应用中取得了令人满意的结果。2.工法特点1通过计算机软件建立曲面墙立体模型，并在模型中定出控制点目标参数值，施工中采用自制弧形定位钢管及组合弧形模板，确保曲面墙墙体的三维空间精确度；17 2预弯粗直径竖向钢筋，避免钢筋工程施工时产生附加应力，保证施工过程的安全性；3模板工程施工中采取有效的接缝密封措施，减少混凝土浆液的外渗，能很好的保护现场环境；4在每一段施工过程中，对控制点的参数进行监测、数据采集，及时分析数据判断施工精度和安全性，并作出对应的响应措施，实时修正施工参数，实现动态信息化施工。通过反分析方法计算和修正模板支撑体系力学参数，预测下续施工中可能出现的新行为、新动态，为施工期间进行设计优化和合理组织施工提供可靠的信息。5采用信息化施工工法可保证质量，缩短工期，减少能源消耗量，节约成本，减少混凝土浆液外渗量，保护现场环境，节能环保效果明显。3.适用范围本工法适用于于剧场、艺术中心、展览厅、高层建筑等大型公共及民用建筑混凝土空间异形结构墙体的施工。4.工艺原理曲面墙是指：其轮廓面是由平面曲线绕定轴旋转或平移得到的轨迹组成，在空间成异形结构的混凝土墙体。曲面墙信息化施工是指以计算机软件建立曲面墙模型，在模型中定出控制点并测设目标参数值，用专门仪器监测控制点三维空间参数进行数据采集，对数据进行归类、分析并与模型中控制点目标参数比较，进行曲线分析,修正实际值与模型目标值之间的偏差，动态反馈于施工过程中,指导下续施工。5.施工工艺流程及操作要点5.1曲面墙构造海南省xx文化艺术中心工程曲面墙内轮廓面在水平面的投影由三条600的圆弧17 图5.1-1曲面墙构造平面图图5.1-29-9轴剖面图5.1-3外墙轮廓面立体图17 组成（以后称之为组合圆弧），中间圆弧半径为两侧圆弧的两倍，曲面墙与其连接的柱、梁、板构造系统平面图如图5.1-1所示。曲面墙在空间上为组合圆弧绕圆心在9轴上，半径为48m的竖向圆弧平移的轨迹，其沿9轴的剖面图及外轮廓面立体图分别如图5.1-2、5.1-3所示。5.2信息化施工5.2.1信息化施工流程信息化施工主要包括以下三个方面的内容:1现场监测现场监测是获得输入信息的基础和手段。内容包括:制定监测方案，确定监测内容，选择测试手段以及实施监测计划等。2数据分析和处理对监测所得到的初始数据进行数据处理，如剔除一些量测误差，绘制量测曲线，并对其进行数学拟合，提出拟合检验后对反分析结果的评价。3信息反馈信息反馈是指对原设计或修改后的设计通过计算分析加以验证，以了解设计参数情况下由力学分析得到的位移和应力是否和实测数据相符合，两者的距离有多大，是否满足结构安全稳定的判据标准，从而决定是否制定新的设计参数，或者是否要调整施工方案等，以指导下一阶段的施工。同时，经过分析，对下一阶段施工可能遇到的问题做出预测，以保证施工安全和施工进度及质量。计算机模型定出控制点设定控制点目标参数值监测仪器对控制点参数进行数据采集数据归类、分析并与目标值对比判断是否符合进入下一步施工调整施工参数或设计参数YESNO图5.2.1-1信息化施工流程17 5.2.2信息化施工要点1控制点的确定模板安装的质量决定了混凝土曲面墙的成型质量，因此，选择模板控制点（即圆形定位钢管控制点）和支撑脚手架控制点为主控制点，选择竖向受力主筋控制点为次控制点。圆形钢管控制点定在每次混凝土浇筑高度Hi的1/2处，控制点的三维空间参数为角度坐标和相对高程；支撑脚手架控制点定在本次混凝土浇筑高度的下一步水平杆，控制点参数为水平杆的挠度；受力主筋控制点定Hi/4和3Hi/4处，控制点参数为主筋间距和排距。2建立控制点目标参数以图5.1-2中的04位置高程+6300处为角度坐标的原点，将确定的每个控制点的角度坐标和相对高程目标参数值输入计算机模型中。3监测仪器与数据采集在图5.1-2中的04位置上架设LT200激光电子经纬仪，对各个控制点进行测量，实现测量过程的高精度、方便性及自动化，采用光栅增量式数字角度测量系统，使用计算机技术进行测量、计算、显示、存储。LT200激光电子经纬仪与计算机保持实时连接。在脚手架搭设、模板铺设、钢筋绑扎、混凝土浇筑等工序中，用激光电子经纬仪进行数据采集，作为分析、判断的依据及指导下续施工。施工监测的作用如下：1）通过监控量测了解支护结构的受力和变位状态，并对其安全稳定性进行评价。    2)通过监控量测精确定位各个主控点的三维空间位置。    3)通过监控量测了解混凝土浇筑对模板结构的受力和变位状态。    4)通过监控量测收集数据，为以后的类似工程设计、施工及规范修改提供参考和积累经验。5）通过监控量测收集数据，做到险情预报，险情报警后，应马上调整施工方案，采取必要的补救或其他应急措施，及时排除险情。4数据分析与判断17 将采集到的数据进行归类分析，与计算机模型中的目标值进行比较，符合要求时，经专职质检员及监理工程师见证后进行下道工序施工；如不符合要求，若是混凝土浇筑前，则对施工参数进行调整；若是混凝土浇筑后，则应分析原因，及时采取应对措施，杜绝安全隐患，然后进行监测、判断、分析，直至符合要求。5.3施工工艺流程曲面墙施工工艺流程如图5.3-1所示。墙底、楼面清理测量放线搭设脚手架放置定位弯管制作弧型模板内层模板安装与固定钢筋绑扎制作弧形钢管内层模板接缝处理外层模板接缝处理外层模板安装与固定混凝土浇筑、振捣下一段墙体施工脚手架垫板铺设……模板拆除建立计算机模型、输入目标值监测判断监测判断监测判断监测判断图5.3-1曲面墙施工工艺流程17 5.4施工要点5.4.1建立施工现场信息化系统在施工现场建立两个信息化系统：数据采集监视系统、施工分析系统。数据采集系统的主要功能：利用LT200激光电子经纬仪获取实时的施工数据。数据采集计算机和另一台装有施工分析系统的计算机通过HUB相联，组成了一个对等网，实现施工数据的共享。施工分析系统主要功能：对现场数据和施工情况进行自动分析，提出施工参数的控制方案。系统的数据来源可分为两个部分：一部分是LT200激光电子经纬仪测量参数,另一部分则是人工定期输入的量测数据﹑情况记录等数据。前者数据要求很强的实时性，而后者的数据只需要定期更新即可。因此对这两类数据采用了不同的数据传送方法。对于实时施工数据，通过一个Read程序，依据为每个控制点度身定做的一个数据结构对照表，将采集系统获取的数据转换到施工现场的标准数据库中，在数据传递的过程中，采用了双向FTP不间断进行片段数据传输，采用这种方式的原因在于实施非常灵活，可靠性和安全性都比较高。信息化施工系统除了能为技术人员同步提供详尽、准确的施工数据以外，施工数据的分析也是一个非常重要的方面。施工数据的分析分为两个方面：一个方面是在施工现场提供快速有效的支撑体系位移的预测和施工参数的设定建议，另一方面，是对各工程历史数据进行分析计算，找出规律。5.4.2施工准备在施工前必须积极做好施工准备工作，其主要内容有：1熟悉审查施工图纸和有关的设计资料和设计依据，施工验收规范和有关技术规定。2通过上述对施工图纸的熟悉和现场的复测，将可能存在的问题在各个工序施工前得到更正，为施工提供一份准确、齐全的图纸。3施工人员在进场前，必须进行技术、安全交底。4建立各项管理制度，如：施工质量检查和验收制度、工程技术档案管理制度、技术责任制度、职工考核制度、安全操作制度等，认真熟悉施工图纸和有关设计资料，严格执行国家行业标准。5、配备信息化人员，建立曲面墙计算机模型，输入控制点目标值。5.4.3墙底楼面处理17 在曲面墙施工前，要把欲搭设脚手架的楼面清理干净，应保证脚手架垫板下面平整，使楼面受力均匀。5.4.4测量放线弹出标高为+8.334m及+11.2m内墙轮廓线在一层楼面上的投影线，按弧长为450mm分割组合弧线段并过分割点做9-9轴的平行线。在各平行线与弧线段交点处标出弧形定位钢管落地位置（留出模板间距）。采用以LT200激光电子经纬仪进行精确测量。5.4.5搭设脚手架内排架为沿弧线段搭设，第一排脚手架距离+4.85m内墙轮廓线外300mm，各列为沿9-9轴平行线布置，搭设五排。由于曲面墙和直墙交界附近（如图5.4.4-1中A区）450mm弧长对应的纵向距离（甲-甲轴向）较小，因此此区域脚手架搭设宜近似沿小圆弧轴向布置，并要考虑与9-9轴向立杆的结合。脚手架搭设如图5.4.5-1所示。按照计算机模型中位置定出控制点，并在控制点上做上标记，以方便LT200激光电子经纬仪进行数据采集。图5.4.5-1脚手架搭设示意图5.4.6弧形定位钢管制作与安装将脚手架用钢管完成半径为48m的圆弧，选用的钢管要直，弯折后钢管轴线要在一个平面内。根据放线测设出的标高+4.85m和+11.82m内墙轮廓线投影点，将弧形管放置准确并固定。由于定位管间距小，为便于施工操作，定位管可先按间距900安装，待内模板铺设完成后再安装剩余定位管。定位钢管安装时，使用LT200激光电子经纬仪进行测量，实时与计算机模型中的数据进行比对，以校准定位钢管的空间位置。17 5.4.7内层模板安装将3～5块模板拼接，并用钉子加固，按曲面墙弧度弯折后放置于定位钢管上固定。曲面墙愈往上，墙体倾斜度越大，因此在铺设模板时，在首层曲面墙，模板沿高度方向连接，在二、三层曲面墙，模板沿宽度方向连接。由于墙体在水平和竖向均呈弧形，模板在两个方向搭接时都会有较大的缝隙，需采用胶条封闭，以防后续混凝土浇筑形成缺陷。5.4.8钢筋制作与安装曲面墙墙体受力筋最大直径为Φ28，墙柱最大为Φ32，直接弯曲较困难，因此竖向受力筋可按以下方法绑扎：直径大于25mm的钢筋，先按设计弯成弧形后再与下部筋连接；直径小于25mm的，先连接后弯曲成弧形并固定。主筋就位时，使用LT200激光电子经纬仪进行测量，实时与计算机模型中的数据进行比对，以校准主要受力钢筋的空间位置。5.4.9混凝土浇筑待外层模板铺设完成后，对控制点相关参数再次进行监测判断，与计算机模型中的目标值进行比对，分析判断符合要求后，应由现场技术负责人、质检员、监理工程师及其他相关技术人员对模板质量进行检查验收，模板间接缝、板与楼面接缝、钢筋保护层厚度等满足要求后方可浇筑混凝土。首层曲面墙每次浇筑高度不大于2.5m，二层不大于1.5m，三层每次浇筑高度为模板宽为宜。混凝土浇筑后，对定位钢管及脚手架参数做1～2次监测，通过监测获得准确数据之后，根据收集的数据反分析支撑构件的受力特征，判断支撑系统的可靠性，如必要时对模型参数进行修正，以指导下续施工。这一阶段要及时进行险情预报，提出合理化措施与建议，并进一步检验加固处理后的效果，直至解决问题。5.4.10模板拆除曲面墙模板支撑体系的拆除，应在整个墙体浇筑完成后，待混凝土同条件养护试块强度达到设计强度的85%时，会同监理单位复检合格后方可进行。5.5劳动力组织曲面墙施工《劳动力组织计划》如表5.5-1所示。17 表5.5-1劳动力组织工种人数备注焊工5各工种进场前必须进行安全教育，施工前对工人做好技术交底，特殊工种必须持证上岗。钢筋工50木工50架子工24混凝土工10杂工56．材料与设备6.1主要材料1钢筋墙体垂直钢筋直径为16~28mm，水平分布筋直径20mm；墙柱受力筋直径为22~25mm，连梁纵向受力筋直径25mm，钢筋型号均为Q345。2混凝土墙体混凝土型号，一、二层为C40，三层以上为C30。3模板模板采用木质胶合板，尺寸为1830×915×12mm。4钢管墙体定位用钢管，φ48×3.5，应有良好的抗弯性能，使用前宜做抗弯试验，在材料员、质检员和监理工程师检查后方可使用。5穿墙螺栓模板拉杆，根据计算结果选用。6.2主要机具设备曲面墙施工主要施工机具如表6.2-1所示：17 表6.2-1主要施工机具序号机具名称型号数量备注1插入式振动器ZX50C10所有机具均应有出厂合格证，且在年检合格期内。2钢筋调直机GT3/923钢筋弯曲机GW4024钢筋切断机QJ4045交流电焊机BX3-200-256滚压直螺纹机GHB4027木工圆锯MJ10488木工平刨床MB503A49激光电子经纬仪LT20017.质量控制7.1工法执行的有关标准和规范1、《混凝土结构工程施工质量验收规范》（GB5009-2001）2、《建筑施工高处作业安全技术规范》（JGJ80-91）3、《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范》（JGJ130-2001）4、《建筑工程施工质量评价标准》GB/T50375-20067.2各分项工程质量检验标准表7.2-1钢筋工程安装允许偏差及检查方法项次项目允许偏差值（mm）检查方法1绑扎骨架宽、高±5尺量长±102受力主筋间距±10激光电子经纬仪排距±53箍筋间距±20尺量网格尺寸±204保护层厚度墙、柱、连梁±3尺量17 5钢筋电弧焊连接焊缝宽度不小于0.7d——量规或尺量厚度不小于0.3——长度——表7.2-2模板安装允许偏差及检查方法项次项目允许偏差值(mm)检查方法1轴线位移5激光电子经纬仪2标高±53相邻两板表面高底差2尺量4预留孔洞中心线位移+10拉线、尺量尺寸+10、05插筋中心线位移5尺量外露长度+10、0表7.2-3混凝土工程允许偏差及检查方法项次项目允许偏差值（mm）检查方法1标高层高±10激光电子经纬仪全高±302截面尺寸+8、-5尺量3预留空洞中心线位置15尺量7.3工法的补充质量要求1曲面墙一般有较大的倾斜度，在施工中，应每天对墙顶进行监测，发现异常应及时通知建设单位、监理单位、项目部技术负责人。2曲面墙墙顶标高要求严格，在测量放线时应确保测量精度。每段墙体混凝土浇筑前，应在监理工程师和质检员复检合格后方能进行，浇筑后，进行复检，根据结果采取对应的措施。3对于墙柱内粗直径螺纹钢筋，在绑扎前，宜按设计的竖向弧度弯折，以防现场弯折产生过大的应力，给模板安装带来安全隐患。17 8．安全措施8.1机械使用安全措施1所有的机械设备均不得“带病”作业，上班前应经试运转，各装置需灵敏可靠。2所有电动机械设备必须通过单一开关控制，手持电动工具必须装有漏电保护器。3所有电动工具旋转部分的护罩应完整可靠。4电焊机等设施露天放置时应有防止太阳暴晒和防止雨淋的措施。5对施工机械和电动工具经常性进行检查和维修。8.2吊装作业安全措施施工前检查所有的工机具、索吊具，处于完好工作状态，有缺陷或状态不明者禁止使用，吊装作业时须有专人负责。8.3高空作业安全措施1高空作业必须系好安全带、戴好安全帽。2施工前检查脚手架的可靠程度，由专职安全员验收后挂牌使用。按规范张挂安全网。3小件物品如扳手、榔头、螺栓等必须放在工具袋内，防止坠落。禁止上、下抛物件。4拧紧螺栓时禁止使用活扳手，须使用套筒扳手或安全扳手。5接好临时避雷设施。6在需要的场所设安全扶手、围栏等安全设施。8.4消防安全措施1电焊工必须持有焊工上岗证，无上岗操作证者不准从事电焊作业。2现场必须配备符合要求数量的消防器材，消防器材要随作业点移动。3电焊机和切割机施工下方和飞溅物下落方向不得堆积易燃易爆物品，下方要有专人监护。17 4氧气瓶、乙炔瓶按规定的安全距离放置，气瓶要有防止太阳暴晒的措施，乙炔瓶上应装有回火逆止器。5坚持实行“动火审批制度”。施工班组需要动火前，必须按动火审批程序，先由施工班组长对施工现场进行考察，符合动火条件后，由施工班组长按规定填写动火申请表，再由施工员和项目经理签名审批。动火证有效期最长不能超过一个星期，对于超过一个星期以上的动火点，要重新办理动火证。6所有用电设施的连接头必须安全可靠，电气设施和线路绝缘良好。8.5用电安全措施1严格遵照《施工现场临时用电安全技术规范》(JGJ46)和当地有关规定执行，现场设有专职电工全面负责施工用电的管理。2全面推行TN-S系统，即实现施工现场临时用电采用三相五线制。3现场用电必须注意事项：1）电工应有实际操作经验，并持有劳动局核发的操作证上岗，无电工操作证者不准从事电工作业。2）施工现场的所有施工机械和电动工具必须配置漏电保护装置，并且做到安装正确，灵敏有效。对潮湿场合使用的手持电动工具等必须有二级漏电开关保护。3）施工现场的配电箱，施工机械必须有良好的接地性能。4）碘钨灯(小太阳)不能作移动照明工具，只能作固定照明使用。手持移动照明，必须采用36V低压。5）室外临时用电必须用橡皮电缆供电，不能采用灯头线、胶质线。6）线路、各种电箱和设备电源线的截面必须符合安全截流量要求。7）使用电箱要一机、一闸、一漏、一箱，60A以下不准使用铜质熔丝，必须使用铝熔丝。8）配电箱内各种电器零件完整、良好。开关箱、移动电具、机具插头、插座必须完整无损。9）现场值班电工每天要做到巡视检查，对各种漏电开关作试验，发现损坏的应立即更换。设备上的控制开关严禁使用“倒顺”开关。8.6施工现场安全检查制度17 定员、定期检查现场安全生产状况，对不安全因素和安全隐患及时作出整改。对逾期不整改或整改不力的，将视情节轻重对责任者予以严厉受处罚。9．环保措施1建立文明施工管理小组，加强对员工的环保教育，提高环保自觉性。2在施工现场，主要的污染源包括噪声、扬尘、污水和其他建筑垃圾。从保护周边环境的角度来说，应尽量减少这些污染的产生。1）噪音控制。除了从机具和施工方法上考虑外，可以使用隔声屏障、使用机械隔声罩等，确保外界噪声等效声级达到环保相关要求；所有施工机械、车辆必须定期保养维修，并于闲置时关机以免发出噪声。2）施工扬尘控制。可以在现场采用设置围挡，覆盖易生尘埃物料；洒水降尘，场内道路硬化，垃圾封闭；施工车辆出人施工现场必须采取措施防止泥土带出现场。同时，施工过程堆放的渣土必须有防尘措施并及时清运，工程竣工后要及时清理和平整场地。3）污水控制。施工现场产生的污水主要包括雨水、污水(又分为生活和施工污水)两类。在施工过程中产生的的大量污水，如没有经过适当处理就排放，便会污染周边环境，直接、间接危害水中生物，严重还会造成大面积中毒。因此，应设置污水处理装置，减小施工过程对周边水体的污染，4）对于建筑垃圾的处理，尽可能防止和减少垃圾的产生；对产生的垃圾应尽可能通过回收和资源化利用，减少垃圾处理处置；对垃圾的流向进行有效控制，严禁垃圾无序倾倒，防止二次污染。这样，才能实现建筑垃圾的减量化、资源化和无害化目标。5）最后，在施工方法的选择上，应要合理安排进度，尽量排除夜间连续施工；将产生噪声的设备和活动远离人群，避免干扰他人正常工作、学习、生活。在技术措施方面，多采用环保节能的新工艺、新技术，以提高劳动生产率，降低资源消耗，同时减小施工过程对周边环境的影响。10．效益分析本工法已在海南省xx文化艺术中心、海南XXXX花园8#、9#综合楼、扬州市“XX馆”等工程的曲面墙施工中得到应用，取得了良好的社会效益和经济效益。针对上述三项工程，本工法信息化施工与常规施工比较如表10-1、表10-2及10-3所示。17 表10-1海南省xx文化艺术中心效益分析项目常规施工信息化施工节约值节约率工期（天）136123139.6%综合造价（万元）174.6162.312.37.0%节能减排（耗电量）12683度11257度1426度11.2%说明采用信息化施工可节省工期13天，减少成本12.3万元，节约耗电量1426度，混凝土浆液外渗量得到很好的控制。表10-2海南XXXX花园8#、9#综合楼工程效益分析项目常规施工信息化施工节约值节约率工期（天）979077.2%综合造价（万元）114.4107.86.65.8%节能减排（耗电量）9869度9100度769度7.8%说明采用信息化施工可节省工期7天；能节约成本6.6万；耗电量能节约769度。表10-3扬州市XX馆工程效益分析项目常规施工信息化施工节约值节约率工期（天）948688.5%综合造价（万元）81.278.42.83.5%节能减排（耗电量）9237度8639度598度6.4%说明采用信息化施工可节省工期8天；能节约造价2.8万；耗电量可节约598度。11．应用实例本工法先后在海南XXXX花园8#、9#综合楼、扬州市“XX馆”及海南省xx文化艺术中心等工程的曲面墙施工中应用，三个工程的应用情况如表11-1所示。表11-1工法应用实例17 项目名称海南XXXX花园8#、9#综合楼扬州市XX馆海南省xx文化艺术中心地点海南省海口市XX中路江苏省扬州市XX西路XX湖畔海南省海口市XX大道68号墙厚（mm）400500600外墙面积（m2）1126.71638.31220.3质量全国用户满意工程、海南省优质样板工程江苏省“扬子杯”优质工程海南省优质结构工程、拟申报“鲁班奖”提前工期（天）7813安全环保海南省安全文明工地无环境投诉江苏省安全文明工地无环境投诉海南省安全文明工地无环境投诉经济效益（万元）6.62.812.3应用时间2003年8月5日～2003年11月5日2004年5月16日～2004年8月13日2008年6月11日~2008年10月14日应用效果良好良好良好17'