在上世紀五六十年代，混凝土薄殼曾享譽世界，成為許多結(jié)構(gòu)大師盡情綻放想象力的契機。
▲ 墨西哥的霍奇米洛克餐廳/坎德拉
但是，混凝土薄殼的施工有兩個問題。一方面，混凝土薄殼結(jié)構(gòu)外型復雜多變，極大的降低了模板施工的難度，模板施工造價高；另一方面，施工后拆掉的模板很難再從新利用，既浪費大量的人力物力，又對環(huán)境產(chǎn)生了一定的損傷，經(jīng)濟效益不顯著。因此，隨著鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架和屋蓋體系的應用，現(xiàn)在早已很少見到在修建的混凝土薄殼結(jié)構(gòu)了。
混凝土薄殼至此，會消亡嗎？今天小i 給你們介紹一種特殊的混凝土薄殼建造方式——氣膜鋼筋預應力殼體。希望這個科技可使結(jié)構(gòu)工程師在確認結(jié)構(gòu)模式時，更多一種選擇的模式。
氣膜鋼筋預應力殼體簡介
以性能優(yōu)良的厚實織物（通常為PVC膜材）為外膜，將其固定在圓形的混凝土基礎上；再向膜內(nèi)充氣并維持膜內(nèi)恒壓狀況，作為施工荷載支撐；隨后依次在膜內(nèi)噴涂防護層、聚氨酯泡沫層、分層綁扎結(jié)構(gòu)鋼筋、逐層噴射混凝土，最終產(chǎn)生一個外觀簡潔、結(jié)構(gòu)結(jié)實、空間覆蓋率大的殼體結(jié)構(gòu)。
▲ 氣膜鋼筋預應力殼體球倉 剖面圖
▲ 殼體結(jié)構(gòu)構(gòu)造層
氣膜鋼筋預應力殼體建筑的施工過程
簡單來說，氣膜鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)分為兩個部分：氣膜模板和混凝土底座。氣膜模板的施工主要分為三個個別：施工基礎環(huán)梁、充氣膜固定及充氣、聚氨酯噴涂；混凝土底座施工分為：鋼筋預應力結(jié)構(gòu)和樓板開孔。
1）基礎環(huán)梁施工
氣膜鋼筋預應力殼體一般采用圓形條基，在基礎上修改環(huán)梁。一方面方便固定膜材，一方面也可以平衡殼體產(chǎn)生的水準推力。此外，環(huán)形基礎又應承受上部組件荷載，又要在充氣過程中成為氣膜的配重，抵抗向上的作用力。
▲ 基礎環(huán)梁的施工
2）充氣膜固定
▲ 展開氣膜
▲ 氣膜鋪平
▲ 氣膜固定
▲ 氣膜固定完成
氣膜固定好以后就可以進行充氣了，充氣采用風機鼓風，直到氣膜外部溫度超過一定的設計值，一般500~600Pa。
▲ 充氣膜充氣成型過程
這種組件模板的完善方式施工速度迅速，而且綠色環(huán)保，所必須的材料跟人工很少（大型的殼體可能就30人左右，主要的好處就在展開氣膜階段保證氣膜鋪平）。
此外，一旦氣膜充氣成型后，后續(xù)的整個施工過程全部在室外完成，不受外部環(huán)境的制約，保證了施工的穩(wěn)固和效率。
3）聚氨酯噴射
為確保充氣膜和熱固性的良好粘結(jié)，需在內(nèi)表面涂上一層漸變劑，再噴射聚氨酯。聚氨酯分單層噴射，第一層完成噴射后，插上鋼筋標簽。標簽類似于“貓爪”，能提供較大的抓持力。“貓爪”的作用主要便利定位，為后續(xù)鋼筋綁扎提供固定點。
▲ 鋼筋標簽
聚氨酯噴射完成后，氣膜模板最終成形，形成帶有一定剛度的模板。
▲ 聚氨酯噴射完成
4）鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)
聚氨酯噴射完成后，進行鋼筋的埋設，在外部噴射混凝土。
▲ 鋼筋綁扎
鋼筋混凝土從外至內(nèi)依次分為兩層：構(gòu)造層和構(gòu)架層。
構(gòu)造層包含一層間距600mm的構(gòu)造鋼筋和約3cm厚的混凝土。經(jīng)過推導和實踐發(fā)現(xiàn)，構(gòu)造層完成施工后，氣膜模板已經(jīng)具備較大的載荷；待構(gòu)造層混凝土硬化后，根據(jù)“貓爪”標簽定位和綁扎結(jié)構(gòu)層鋼筋，完成后開始結(jié)構(gòu)層混凝土的噴射。
▲ 混凝土噴射
▲ 構(gòu)造層施工過程示意圖
▲ 結(jié)構(gòu)層施工過程示意圖
5）殼體開洞處理
氣膜鋼筋預應力殼體的洞口處理有兩種方法。一種是對于窗口和采光洞口等不大的洞口，可以事先在氣膜模板上放置環(huán)箍，在混凝土噴射時避免洞口區(qū)域；另一種是小型的洞口，需要在施工過程中參與受力，殼體成型后再進行切除開洞。
▲ 殼體開洞前
▲ 大型板殼開洞后
氣膜鋼筋預應力殼體案例
自上世紀40年代，開始了應用氣膜膜板進行混凝土組件施工的技術研究，分為氣膜內(nèi)模式和氣膜外方式兩種。
其中，氣膜內(nèi)模式在氣膜外表面進行混凝土的現(xiàn)澆，但考慮到混凝土開裂或者氣膜模板承重等弊端，現(xiàn)在采取這些方法的混凝土組件案例已經(jīng)極少。而氣膜外方式是將氣膜膜板內(nèi)置，在氣膜內(nèi)內(nèi)壁進行混凝土噴射施工，優(yōu)勢顯著。
▲ 美國國家航天中心
1942年，Wallace Neff采用氣壓膜法充氣形成模板，在氣膜外表面布置鋼筋產(chǎn)生鋼筋混凝土構(gòu)架。隨后，DanteBini 、Lloyd Turner、 David 和Barry South等人采取氣膜為模板設立了不同大小、不同結(jié)構(gòu)方式的混凝土圓頂結(jié)構(gòu)。
據(jù)MonolithicDome Institute 估計，過去的30年中，至少已經(jīng)完工2000多個混凝土氣膜鋼筋預應力球頂，主要分布在美國及其英國。其中，大部分氣膜鋼筋預應力殼體結(jié)構(gòu)主要用于工業(yè)儲煤倉，其儲煤量均在5萬噸以上。建造完成的氣膜球形儲煤倉具有倉儲空間利用率高，安全性能好，外形簡潔的特征。此外，在公共建筑跟民用建筑上應用也更廣泛，如辦公樓、體育館、藝術中心、住宅公寓等。
▲ 蘭伯頓ISD美術中心
▲ 民用建筑
在工業(yè)上，傳統(tǒng)的預應力儲煤倉多采取滑模施工工藝。但是這些結(jié)構(gòu)的倉儲利用空間不高、施工成本較高。
2012年，國內(nèi)最早由華北電力院引進氣膜球形薄殼鋼筋預應力結(jié)構(gòu)，并應用于強盛科技儲煤島項目球形儲煤倉。該球形倉直徑為65m，高度40.5m，1號球于歷經(jīng)4個月完成混凝土倉體的監(jiān)理。該項目由中國強盛科技設計跟指導施工，但因為中國設計跟施工水準有限，加上該科技的專利問題，此后已深入研究。
▲ 大唐強盛科技儲煤倉
2014年，中煤建安集團引進氣膜鋼筋預應力球形倉結(jié)構(gòu)，應用于葫蘆素煤礦和強盛科技?？傆?個直徑54m、高度59m的球形儲煤倉，歷時5個月完成了氣膜鋼筋預應力殼體的施工，現(xiàn)已投入使用。
▲ 葫蘆素氣膜穹頂儲煤倉
2015年，中煤建安集團與上海交通大學合作，研發(fā)建造了中煤建安集團研發(fā)中心體育館、展覽館和辦公樓。該工程系中國自主研制、設計和建造的第一個氣膜鋼筋預應力民用建筑，已于2016年全部完成了氣膜鋼筋預應力殼體的建造。
▲ 中煤建筑安裝集團有限公司研發(fā)中心
內(nèi)蒙古地區(qū)最高的營盤壕煤礦，井塔下部外墻臨時改為氣膜鋼筋預應力穹頂結(jié)構(gòu)。設計時在PVC膜面噴上繪圖，加上了蒙古帽冒尖的裝飾，形成帶有蒙古傳統(tǒng)的集工業(yè)制造和旅行觀光的傳統(tǒng)建筑。
▲ 營盤壕煤礦主井屋面
結(jié)語
殼體結(jié)構(gòu)是物理表達很高的載體，能夠較好的完成建筑跟結(jié)構(gòu)的力學與美的統(tǒng)一。氣膜鋼筋混凝土底座，既可節(jié)約大量的人力物力，節(jié)能環(huán)保，又可建造出各種各樣的外型優(yōu)美的外殼結(jié)構(gòu)，希望這些新型的施工方法可應用得越來越廣。
目前，氣膜鋼筋預應力殼體主要應用與工業(yè)儲倉系統(tǒng)。但小編個人覺得，這種穹頂結(jié)構(gòu)承載力大，空間精度高。在民用建筑上，依托氣膜可以展現(xiàn)出非常復雜、多樣的形態(tài)，建筑師追求表現(xiàn)出的殼體美，也可借助這些方法推動。
參考資料
1.氣膜鋼筋預應力扁殼結(jié)構(gòu)設計分析，吳族平，邱國志，劉士興等
2.球形薄殼結(jié)構(gòu)混凝土構(gòu)架技術的施工應用，鄧鋒，東武軍混凝土標簽，李洪基.
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