地下室外墻新型工具式單側支模體系設計及應用

劉 偉,劉繼凱,郝 寧,孫 燊,黃明慧,謝向陽

(中國建筑工程(澳門)有限公司,澳門 999078)

0 引言

隨著城市用地資源日益稀缺,設計超高層建筑及深層地下室以提高空間利用率成為一種普遍趨勢。在工程實踐中,較多地下室外墻與基坑支護結構間距較小,因此外側直接以基坑支護結構作為胎模、內側采用建筑模板的單側支模方式成為一種重要的工程解決方案。

較早期的地下室外墻單側支模體系通常采用對拉螺桿式木模方式(見圖1),利用圍護樁+對拉螺桿作為主要支撐體系。該體系受力原理與傳統雙側支模接近,受力性能好,但現場需開展焊接止水片和植筋等工序,整體耗時長,且預埋對拉螺桿需穿破防水層,對地下室整體防水效果影響較大[1]。

圖1 對拉螺桿式木模Fig.1 Split bolting wooden formwork

20世紀80年代,我國開始引進和推廣鋼模技術,地下室墻體施工嘗試采用單側鋼模,但鋼模自重大,需吊運配合,定制成本高,未廣泛應用于地下室外墻施工。近20年,地下室防水施工質量要求逐步提高,三角桁架單側支模體系應用較廣(見圖2),該體系取消預埋對拉螺桿,可較好地保證地庫防水質量,改用由型鋼制作的三角桁架作為主要支撐體系,整體剛度大、受力可靠,但也存在拼裝復雜、造價偏高弊端。文獻[2]對此類單側模板進行設計。

圖2 三角桁架單側支模示意Fig.2 Triangular truss single-sided formwork

近年來,隨著施工技術發展,陸續出現一些創新型單側模板,如埃及CBD 項目自穩定裝配式三角桁架單側模板[3]。但此類單側模板仍主要沿用三角桁架模式,針對單一工程進行設計,多為散件拼裝,且往往需要外墻與梁板分開澆筑,施工工期長,整體施工便捷性、經濟性仍有待提升。

除建筑工程外,在橋梁、隧道、地下管廊等工程中也有大量單側支模的應用,但此類工程普遍層高>5m或施工情況較復雜。對于常規3m左右層高的地下室外墻而言,大型模板經濟性、適用性不強。因此,研發一款能快速裝拆且適用于常規地下室外墻的新型工具式單側模板,具有廣泛適用前景和良好應用價值。

1 新型工具式單側模板優化設計

1.1 設計目標及初步選擇

1)采用無對拉螺桿受力方式 新方案必須選用無對拉螺桿受力方式,保證支模階段不會因植筋而破壞已完工圍護結構及防水層,同時避免大量預埋螺桿帶來的滲漏風險,從而保證地下室外墻防水性能。

2)工具化便于運輸拆裝 常見的三角桁架單側支模方案可保證防水施工質量,但普遍存在裝拆耗時長、吊運量大問題,因此新型單側模板應將降低構件質量、減少吊運量、將部件工具化及優化拼裝方式作為改進的重點。

3)良好通用性及周轉率 目前大部分單側支模方案仍主要針對單一工程進行一次性設計分析,適用性不強,模板周轉率不足,最終經濟效益不顯著。因此,新型單側模板將模板通用性及周轉率作為重要改進目標之一。

4)采用鋼木結合方案 文獻[4]中提出采用鋁模替換木模的優勢。但經測算,由于地下室層數相對有限,地下室外墻鋁模的技術經濟性遠達不到塔樓結構鋁模。因此,以鋼木結合方式提升技術經濟性。

1.2 模板主要構成

新型工具式單側模板采用鋼木組合形式,模板體系由一定數量單元模板連接而成,標準單元模板(2 440mm×1 220mm)主要由面板組件、頂部配板、楞組件、框架組件、斜撐及預埋可調螺桿構成(見圖3)。其中面板采用市場通用規格(2 440mm×1 220mm×18mm)覆膜復合木模板(簡稱“菲林板”),無須進一步裁切。模板頂部加設1塊同寬度并可根據混凝土澆筑高度調整的頂部配板,兩者組合使用。菲林板周轉次數達10次以上,可較好地滿足工程需要。

圖3 標準模板單元示意Fig.3 Standard formwork unit

楞組件、框架組件、斜撐則由不同規格槽鐵、方通、角鐵等組成(見表1)。預埋可調螺桿作為體系關鍵受力構件,一端預埋于結構樓板內,另一端通過螺栓固定于框架組件。

表1 標準模板單元部件Table 1 Standard formwork unit parts

1.3 工具式快速裝拆設計

通過對模板體系各部件進行功能分析及歸類整合,工具式單側模板采用在工廠預制3種標準單元組件(包括楞組件及面板組件、框架組件、斜撐),現場再以組件拼裝方式完成模板體系組裝。組件間采用螺栓連接(見圖4a),模板單元間則通過釘片式插銷緊固件(即鋁模拼接常用工具,簡稱“緊固件”)連接(見圖4b)。各單元組件在工廠預制時,已預設好緊固件安裝孔位,現場只需校核定位后依次裝入相應緊固件即能連接固定。此外,通過對部件進行工具式輕量化設計,大部分部件均控制在可一人搬運的重量內,最重的主面板自重≤65kg,僅需2名工人即可搬運。在拆除模板時,腳手架僅需局部拆除橫桿,留出施工過道(與傳統施工拆除模板時一致)提供足夠周轉運輸空間。施工過程可一次性吊運所需模板單元組件至安裝點附近,使用時由工人正常搬運即可,二次搬運、裝拆過程無需使用吊運機械,提高了效率。

圖4 緊固件及螺栓連接大樣Fig.4 Fasteners and bolted connections

1.4 通用性及周轉性設計

參考文獻[5]可知,鋼木組合模板(不含面板)周轉次數>50次。對于一般中小型項目,地下室外墻混凝土澆筑量普遍不大,單個項目預制的標準模板單元周轉次數通常僅在10次左右,因此需設計為可在多個項目周轉使用,故本設計通過采用標準通用木模板、頂部增加1塊高度可調的配板組合使用方式解決以上問題,頂部配板寬度與通用單元一致,高度可調,通常為300～800mm,確保單側模板可適用于絕大部分2.7～3.3m層高的常規建筑地下室[6]。

預制標準單元組件頂部以橫向角鐵作為收口(見圖5),便于頂部配板定位及安裝,裝入配板后以木方加以固定。

圖5 預制標準單元組件頂部示意Fig.5 Details of the prefabricated standard unit component top

2 工具式單側模板結構分析驗證及優化

2.1 有限元分析

單側模板體系承受的力主要是未完成硬化狀態的混凝土產生側壓力及澆筑振搗過程中產生的水平推力。受力路徑由面板傳至楞組件,再傳至與楞組件相連的框架組件,最后通過預埋可調螺桿抵抗水平及垂直方向壓力,從而保證模板體系安全、穩定。

單側模板實際力學狀態相對復雜,常規分析只能根據實際工況及受力效果進行分階段簡化分析。采用ETABS 軟件進行全結構建模分析(見圖6),計算細致度及準確度大幅提高,為后續優化構件質量、經濟性設計提供準確依據。在力學建模后,著重進行以下設定及分析。

圖6 單側模板建模分析Fig.6 Modeling analysis of single-sided formwork

1)面板 受力形式為以次楞為支撐的多跨連續梁,建模驗算跨中和懸臂端最不利抗彎強度及撓度。

2)對主梁、立柱、斜撐及底部橫桿等主要構件進行抗彎、抗剪及變形驗算,重點關注變形情況。

3)進行模板體系抗傾覆驗算,分析單側模板體系在水平荷載作用下,底部抬升脫離地面的風險可能。

根據建模計算情況,調整優化并確定各構件截面數據。

2.2 輕量化優化設計

參考文獻[7]對單側模板經濟性進行設計,可發現按工程經驗進行構件布距和尺寸規格的設計,存在進一步優化空間。

通過不斷調整構件縱向和橫向步距及截面尺寸數據,利用軟件進行試算和對比分析,在保證受力、變形等條件的前提下,不斷逼近綜合最優狀態。最終方案模板單元組件的鐵件質量減小了約24%(見表2)。此優化方案既降低了模板預制成本,又確保了最大構件單體質量≤65kg,從而減少了現場吊運需求,有助于提高拼裝效率。

表2 模板單元輕量化優化Table 2 Formwork unit lightweight optimization

2.3 原型應力變形測試試驗

為更好地驗證單側模板優化設計方案的可行性,對比實際變形及應力情況與模型計算差異,并預先發現改進過程可能存在的問題,選取3組標準模板單元進行原型應力變形測試試驗。

利用ETABS軟件建模分析可得出應力、變形理論參考數值,并預估需重點關注變形位置,合理設置電子位移計進行實時監測(見圖7)。

圖7 電子位移計布置Fig.7 Arrangement of electronic displacement meters

通過對6組表面電子位移計24h讀數記錄情況進行整理分析(見圖8),試驗情況與模型計算大致相符,但局部變形值比預期略微偏大,如模板頂部邊框中段與最大受力豎楞處的最終變形數據(見表3)。原因為模板體系整體性不足,導致部分螺栓虛位比計算值略微偏大,且施工階段模板間拼縫不如理論狀態嚴密,故后續針對模板體系整體性進行了優化設計。此外選取的邊緣拼接豎楞角鐵符合理論整體抗彎要求,但試驗中拼接處有局部變形,后期已調整截面冗余度規避局部形變風險。

表3 變形試驗值與理論值對比Table 3 Comparison of deformation experimental and theoretical value mm

圖8 D1～D6電子位移計讀數記錄Fig.8 Record of the D1～D6 electronic displacement meters

拆模后,根據GB 50204—2015《混凝土結構工程施工質量驗收規范》[8]規定,試驗澆筑的混凝土表面觀感質量良好,墻身垂直度、截面尺寸偏差均小于規范規定各項指標,故本次試驗完成的混凝土澆筑可達常規工程驗收標準,也進一步驗證了單側模板力學設計的可行性。

2.4 單側模板整體性改進設計

在單側模板試驗中發現,不同模板組件豎向拼縫位置變形比預期略微偏大,也存在一定的拼縫口混凝土成型質量不理想,局部甚至有少量漏漿現象。考慮工程實際情況遠比試驗設置復雜,且試驗僅為3組標準模板單元拼裝,實際外墻混凝土一次澆筑長度通常為20～30m,結果相對不可控,必須進一步增強模板體系整體性。因此,利用在框架組件上預制2組L形卡槽,并增設木方解決以上問題。卡槽用于加設2組通長設置的橫向木方(見圖9),橫向木方可與此前用于固定頂部配板的木方及單側模板體系形成較好的整體。

圖9 單側模板優化設計Fig.9 Optimized design of single-sided formwork

3 工程應用

3.1 工程概況

項目位于澳門建筑密集的老舊城區,設計為地上31層(高度約102m)、地下5層(開挖深度約19m)框架-剪力墻結構,項目用地面積約 1 200m2, 5層地下室層高3.2m,屬常規層高施工范疇,地下室外墻總面積約2 000m2。

3.2 工程應用情況

在制定項目地下室外墻施工方案時,考慮地下室開挖深度達19m,整體水文地質條件相對復雜,項目對地下室防水質量要求較高。如采用傳統預埋對拉螺桿方案存在較大防水質量隱患,同時由于施工場地過于狹小,如采用三角桁架單側支模體系,墻體與樓板較難同時澆筑,因此必須選用新方案。

最終除局部樓梯位置外,絕大部分地下室外墻采用新型工具式單側模板完成混凝土澆筑工作。按實際流水施工分倉情況,項目生產約55件單元模板,最終單件模板周轉使用近10次。完工后絕大部分模板組件完整度較好,仍可繼續用于其他項目。采用此模板體系整體施工工序少、裝拆便捷、補板便利、廢料較少、混凝土成型質量優良(見圖10),有效保證了地下室防水質量,達到預期目標。

圖10 單側模板施工效果Fig.10 Effect of the single-sided formwork

3.3 工程經濟效益分析

按市場價格水平及相關計價原則,對單側模板進行價格分析,其綜合單價主要由人工費及材料費構成。

1)人工費 工具式單側模板因易裝拆、少吊運,無需焊接、防水修補等工序,可用普通工替代部分單價較高的模板工、焊工,因此優勢明顯。

2)材料費 由于工具式單側模板構件大都采用鐵件制作,前期一次性投入高,預制鐵件攤銷成本是影響綜合單價的關鍵因素,而此項成本與模板周轉次數密切相關。

利用經濟學盈虧平衡分析原理,將單側模板總成本拆為可變成本及固定成本。假定當預埋對拉螺桿模式與工具式單側模板綜合單價相等,得出模板周轉次數的經濟性臨界值。澳門地區綜合單價中人工費占比相對較高,經濟性臨界值為8.7次,而按內地工程經驗及相關定額測算,周轉次數經濟性臨界值約為12.5次。在人力成本持續上升的情況下,此工具式單側模板應用價值亦會繼續提升。根據澳門地區單價,分別按周轉使用10,20,30,40 次進行價格測算(見表4)。

通過測算可見,周轉40次后單側模板綜合成本降幅可達43%,經濟效益顯著,推廣應用將帶來較好的社會、經濟效益。

4 結語

1)通過對建筑業常用單側支模體系歷史沿革進行梳理分析,明確改進目標,對現有單側模板進行迭代優化,形成一款新型工具式單側模板,并對研制過程的優化設計、力學建模、試驗驗證等進行總結。

2)工具式單側模板經工程應用實踐表明,該單側支模體系有助于提升地下室外墻防水施工質量,具有通用性強、裝拆快速、運輸便捷、施工高效等特點。

3)通過運用盈虧平衡分析原理,得出工具式單側模板周轉次數臨界值,為后續方案選擇提供參考。一般周轉10次以上即可產生較好經濟效益,如在澳門地區通過提高周轉次數,綜合單價降幅可達43%,具有較大推廣應用價值。