悬空大倾斜结构模架设计与应用

悬空大倾斜结构模架设计与应用

[摘要]陕西法门寺合十舍利塔主塔施工中，上部悬空大倾斜结构的模架方案设计与应用为整个工程施工的关键技术之一。针对工程的特点，集合了各种模架技术的优点，通过设计计算和现场试验，大胆创新，采用“自升大模板施工工艺，连续错台分步悬挑架防护体系”的方法，安全高效地完成了该异形结构的钢筋混凝土主体工程。

【关键词】悬空倾斜结构自升式大模板错台分步悬挑架

法门寺合十舍利塔工程，是一个以现代技术融合古今中外建筑精华，传承佛教特色，为佛指舍利安奉供养和瞻礼中心及二十一世纪世界佛教文化中心的大型建筑。总建筑面积为76690m2，地下一层，地上十一层，工程总高147 m。主塔为双手合十的特殊造型，气势恢宏，造型新颖，为近年国内设计标准较高的大型建筑。

1.工程结构概况

主塔双手合十造型由下往上分为手腕：由一层24 m高的框筒直墙与其上外墙向内收缩的台形框筒（高20m，两层）组成，合计高度44m；手掌：各有平面为54m×19m的筒状结构，倾角为54。向外倾斜至标高74ｍ处。该结构施工段完全呈悬挑状态，外墙面最大水平悬挑跨度达21.72ｍ；手指：由标高74ｍ处又向内倾角为54。倾斜至标高127ｍ。该前段施工亦呈悬挑状态，后在双手内侧指间由许愿台和牟尼珠将其连接成拱形结构。各施工段均各有其施工关键技术特点和难点，本文所叙述的内容，主要指标高44ｍ以上在悬挑倾斜结构，尤其是针对44～74ｍ阶段外墙中的凌空模架设计与应用，成为整个主体工程施工的关键技术之一。见图一所示。

图一主塔正立剖面示意图

由工程概况得知，主塔上部的模架工艺设计面对的是国内罕见的结构类型，它不同于一般的高耸构筑物，也不同于墙桅结构。其难点主要表现在以下几个方面：

⑴主体工程为型钢—钢筋混凝土组合结构，其钢骨含量尚不足10℅，仅依靠钢结构还不足以承载工程自身及施工荷载的要求。主体施工方案要求钢结构施工最大超前钢筋混凝土施工两层，形成多工序立体交叉作业，对模板及外架工程的施工环境有着非常大的影响。

⑵结构件均显现高、大、厚、重的特征。标准层高10ｍ，夹层高5ｍ，一次施工高度5ｍ，斜高超过6.1ｍ，外墙厚度700ｍｍ，墙与楼板一次施工。钢结构、钢筋和混凝土分别同步施工，垂直作业面超过20ｍ，外墙面悬挑水平投影跨度超过20ｍ，无法利用塔吊吊运大模板。对空中高大模板强度、运输及其支撑防护体系的可靠性设计都存在着极大困难。

⑶工程设计中为减轻上部荷载，在手掌内外中部部分设计为空腔墙体和指缝处有留洞造型，对于在此预埋承重铁件将是非常困难的。

⑷工期紧。建设单位要求主体工程在六个月内施工完。对于巨大的工程量来说，在一般的工程中完成都是非常紧张的，何况这是一项超常规设计的复杂工程。国内没有成熟的模架技术。

⑸大面积、大体积、大流动性混凝土产生的侧压力存在着对施工环境的安全威胁，以及作业面上大量施工人员的安全防护，也是模架设计中对科学合理性要解决的技术难题。

2.模架方案选择

综合工程特点和施工条件，对模板及支撑体系和防护体系的设计要求须遵循三个原则：①为保证百年工程的质量要求，必须采用大模板施工工艺进行设计；②大模板施工过程中的支撑体系和运输问题要通过自身系统来解决；③外架防护体系在确保施工人员安全的前提下，要最大限度地覆盖整个施工面，并对模板的临时支撑给予辅助支持。根据以上三项原则，从当前国内外应用的模架技术中初步筛选出液压爬模、爬架提模、落地满堂架支模和悬挑架支模等作为设计和应用的备选方案。

通过在市场上对备选方案进行技术调研，如对CCTV新台址、西安产灞生态区行政中心、宝鸡代家湾渭河大桥斜桅塔、杨浦大桥悬拉索主塔等有关带有高大倾斜结构工程的考察研究后发现，这几项工程所采用的模架工艺在本工程应用中均有不同程度的缺陷。如目前技术应用较为先进的液压爬模，已施工过许多斜面工程。但在本工程中，其操作架上部悬臂架的覆盖高度却远不能达到施工要求，附着预埋铁件在空腔墙体处固定形式也存在重大的安全隐患，且不能应用于后续外装饰工程；爬架提模遇到的问题与液压爬模类似；满堂架支模方案理应可行，架体材料选用安得固脚手架完全能满足74ｍ高的支撑需要，但不足之处是工程总体进度要求裙房施工（局部24ｍ高建筑面积超过一万平方米）与主塔同步施工，满堂落地架影响着裙房正常施工，工序间存在着无法协调的矛盾；悬挑架支模方案中的防护体系可以满足施工的需要，但由于悬挑跨度过大，不宜悬挑大型钢梁。加之传统的架体附着形式不利于大模板的安装运输。

根据市场调研结果，对各种模架工艺中的利弊特点进行归纳整理，创新改造。在“小布局流水施工工艺”思想的启发下，以大模板施工作为工程质量保障的必要条件，通过科学改造来扩展外脚手架的结构性能，协调好与大模板的联系为充分条件，将施工面划分成是由若干个小单元的组合，再分析模架设置之间的相互关系后发现，若以悬挑架技术为基础，将外架设计为步步支撑的错台悬挑架，即采用一步一挑，悬挑钢梁生根于钢骨柱上，上下架体通过斜杆件连系起来，就可达到既大幅度缩短悬挑钢梁的长度和重量，减少设施料用量，又解决了架体的附着支撑可随钢结构施工及时跟进，形成基本覆盖整个施工面的防护问题。并通过技术措施适当加大悬挑钢梁间距，就可以满足大模板提升宽度的要求。利用设置附着钢梁密度较大的特点，在架体里侧设置滑道，借助小型提升工具，人工就能实现模板垂直运输和

临时支撑的要求。据此形成了“自升大模板施工工艺，连续逐步错台悬挑架防护体系”的方案，被确定为本工程施工用模架的设计方案。

3. 模板设计与施工

根据模架总体方案的设计原则，对大模板结构的设计及应用，从减轻模板结构荷载、模拟试验与工艺编制、安装及拆除提升等三个方面展开工作。

⑴在减轻模板结构荷载方面，采取的措施为：一是采用木制大模板，即用质量较好的镜面胶合板做面板，木龙骨做竖向内楞；二是模板主次楞采用分开安装，即由木龙骨和面板制成基本模板，仅需满足首次起吊安装时的抗弯刚度即可。在模板安装及临时支撑后，再通过对拉螺栓安装型钢横梁，钢梁不随模板一起吊运。达到在尽可能减轻模板重量的前提下，又要保证组装模板后的整体刚度。近似大模板施工结合散支模的方法；三是在保证模板施工高度的前提下，尽量缩小宽度，以悬挑钢梁跨距（按4.5m设计）的一半设计，即不大于2.25m （实际为2.15m），可方便通过架体。

⑵经过采用PKPM软件的设计计算结果，模板材料选用20mm厚木胶合板做面板，80×120木龙骨内楞（间距250mm，竖向布置），外横梁采用2［10槽钢，M20快装高强穿墙螺栓（间距650×750）。

为验证设计计算的效果，现场将组装好的一块试验模板架空放在混凝土地坪上，依据计算参数，包括混凝土重力在斜面上对模板的法向效应，采用等效沙袋进行承压测试。测试结果显示，模板局部变形超标。经过分析后，认为木龙骨及其连接节点稍显薄弱。采取措施为：在木龙骨侧面帮衬一道等高20mm厚胶合板，模板上下端用木龙骨挡头连接，并在角部连接处用胶合板增强加固。加固后的模板强度和刚度有了明显提高，可以满足施工的要求。

⑶在编制施工工艺所采取的技术措施中，对模板的接缝处理，采取模板边木龙骨错台2cm与邻接模板面板宽出2cm形成企口，合缝后用销栓连接固定；悬挑钢梁处采用散模板拼接，木龙骨压缝。拐角处也采用企口接缝，在钢梁端部设斜向对拉螺栓固定；下掩口采用贴密封海棉条封堵；为防止混凝土浇筑过程中产生的重力和浮力影响到模板移动变形，将部分对拉螺栓和定位筋预先焊接到钢骨梁柱上，对模板进行定位控制；模板提升过程中，逐块进行拆除、提升，不得连续拆除后再去提升，为提升时确保模板两侧留有足够的站人空间，这是对人员和架体必要的安全保护措施。

⑷模板安装、拆除与提升。利用模板高度跨越架体上下三层附着钢梁的特点，在架体内侧安装工具式简易滑道，借助钢骨梁柱做支点，采用倒链在滑道上人工提升模板。模板采取整层配置，外大模板首次安装采用塔吊从地面提起。在每块模板对应的架体上安装两条滑道，滑道由5号槽钢或40钢管制作（本工程用钢管），将滑道下部焊制的短钢管用扣件固定在悬挑架内侧的大横杆上。由外架上部与钢骨梁空隙之间吊入到滑道上，进行临时固定。按照预先弹出的模板标高控制线，借助下部的穿墙螺栓孔，将木方固定在墙面上作为支点。利用倒链和人工辅助将模板支放到木方上，并通过穿墙螺栓将下部临时固定。室内模板采用散模板与局部预拼大模板配置，塔吊吊入，穿墙螺栓将内外模板及钢横梁连接固定。支设完成后，梁板模板采用满堂架支撑体系，钢木主次梁上散拼胶合板方法支模。当墙面混凝土强度达到C10以上后，松开对拉螺栓，同时拆除模板外钢梁。把2t倒链挂在上层的钢骨梁柱上，下钩通过钢丝绳吊住模板两侧木龙骨设置的吊环。收紧链条，待模板脱离墙面后，退出适当数量的穿墙螺栓，此时模板的下部就会落到滑道上（预先放置一道木方作为缓冲）。通过拉动链条，模板被提升到上一层。待墙内的模板到位后，再将模板扶正，并连接固定。模板提升原理如图二所示。