圓拱混凝土結構在建筑外立面裝飾中的應用及質量管理對策

程 毅 顧明巖 葉 強 廖澤順 鐘 劍 吳 凱

1 引言

改革開放以來，我國的城建水平取得了長足的發展，城市建筑的高度逐年增加，建筑物的數量亦出現井噴的趨勢。進入21 世紀，隨著建造速度逐漸放緩，全國各城市從粗放型的建造方式逐步向更環保、更綠色的方向發展，城市的建筑造型不再一味追求高、大，而是更注重建筑的細節及立面的裝飾，不僅需要滿足居民的生活需求，還需要適合城市的面貌。如何將建筑師紙面上的構想轉化到現實的建筑物中，對建筑施工企業的施工技術亦提出了較高的要求。

拱形結構具有受力合理、造型優美且自重較輕的優點，是建筑外立面裝飾中應用較為廣泛的結構形式之一，也可應用于各種管道工程、地下工程、橋梁工程及建筑工程領域[1]，國內學者對拱形結構的研究成果已較多。甕雪冬[2]等結合哈爾濱站大跨度混凝土拱形屋面結構的施工項目，對拱形混凝土結構施工中的難點進行了剖析，并總結出一套大跨度拱形混凝土的施工工藝；關吉平[3]通過某博物館拱形入口結構設計，從靜力分析、強度驗算、穩定性分析等方面比較了混凝土拱結構與鋼桁架拱結構的受力特點；從國內學者的研究成果來看，拱形結構施工難點主要如下，一是對大跨度混凝土拱結構，混凝土澆筑困難；二是拱形結構對模板的要求較高。

圓拱混凝土結構的優點是跨越能力較大[4，5]，與鋼橋及鋼筋砼梁橋相比，可以節省大量鋼材和水泥，圓拱混凝土結構能耐久，且養護、維修費用少，外型美觀，構造較簡單[6]；但傳統的模板支撐結構具有自重較大、架體穩定性差、易變形及不可循環適用的缺點，本文通過總結圓拱混凝土結構施工經驗及查閱相關文獻的基礎上，提出了一種輕型可循環圓拱混凝土結構的施工方案。

2 圓拱混凝土結構施工技術

2.1 技術方案

隨著綠色施工技術在工程項目上的推廣，將原來粗放型的施工方案采用創新的思維方式轉變為更加綠色環保性及集約性，是建筑工程施工企業亟待解決的問題。傳統的模板支撐結構自重大、穩定性差、易變形且無法循環利用，給圓拱結構混凝土施工造成了較大的浪費。因此在總結圓拱混凝土施工經驗的基礎上，通過鋼管架支架、剪刀撐桿及套扣架底框的設置，解決了拱架笨重且不可重復使用的缺點。輕型可循環圓拱混凝土結構的示意圖及現場實施圖如圖1、圖2 所示。

圖1 輕型可循環圓拱混凝土結構示意圖（來源：來源網絡）

圖2 圓拱混凝土結構現場實施圖（來源：作者自攝）

鋼管架支架包含了支撐立桿和支撐橫桿，兩者之間通過連接扣件實現連結，連接扣件采用螺母連結，如圖3 所示；支撐橫桿及支撐立桿均采用45 x 3.5 鋼管，每道支撐立桿間的距離為950 mm，支模的最大高度為4 766 mm，采用4 根支撐橫桿，支撐橫桿的間距自上而下分別為900 mm、1 400 mm 和1 400 mm，支架體系采用的材料均為施工現場極易獲得的輕型支撐立桿及橫桿，具備現場易加工的特點，可實現支架結構的快速安裝及施工。

圖3 支撐橫桿及支撐立桿的連接（來源：作者自繪）

圓拱混凝土結構因其特殊的截面形式，易變形。因此對支撐結構的穩定性要求較高，在支撐立桿及橫桿體系上，布置加強體系牢固性的剪刀撐桿，剪刀撐桿的搭設高度不大于鋼管架支架，并連續豎向搭設于鋼管架支架上，采用螺栓連接，詳見圖1。

整個支撐結構的底部為套扣架底框，底框與上部支撐立桿及橫桿通過扣件連接管相連，套扣架底框主要包含頂托桿、連接卡塊、連接桿及連接橫桿。套扣架底框的高度一般為800 mm，每道頂托桿間的間距為1 050 mm，頂托桿下部與連接桿間通過連接卡塊相接，連接桿距離地面為350 mm；頂托桿上部通過固定螺栓與連接橫桿固定，連接橫桿通過連接扣件與連接管扣接，底部套扣架底框的主要構造方式詳見圖4、圖5 及圖6。

圖4 鋼管架支架（支撐立桿）與扣件連接管的連接（來源：作者自繪）

圖5 頂托桿、連接橫桿及扣件連接管的連接（來源：作者自繪）

圖6 底部套扣架底框的主要構造方式（來源：作者自繪）

支模架體的次楞采用木制材料，通過鋼絲網綁扎及管鋼筋焊接的方式固定于鋼管（主楞）上；最大程度保證圓拱架體的穩定性，減小澆筑帶來的荷載變形。

從整體支模架體的結構來看，主要分成了三個部分。第一，上部次楞及主楞。第二，中部的支撐橫桿、支撐立桿及剪刀撐桿；第三，下部套扣架底框。支模架體材料均為施工現場易于制備的材料，且部分構件可提前預制，上部與中部的連接采用焊接或鋼絲綁扎的方式連接，可根據圓拱結構的弧度及半徑調節；中部與下部的連接采用扣件連接管的連接方式，可根據圓拱結構的標高調節高低，從而實現支模架體材料的再次循環利用。

由于圓拱結構截面的特殊性，混凝土澆筑時易出現不均勻的變形，因此混凝土澆筑問題是圓拱結構的另一個難題。在此整體支模架體基礎上，采用鋼絲網將圓拱兩側的支模架分成若干施工段，由圓拱兩側向中間同時對稱進行分段澆筑，可大大減小澆筑時由于模板的受力不均而導致的混凝土不均勻變形，從而確保圓拱混凝土結構的弧度及成形觀感。

2.2 施工步驟

本圓拱混凝土結構支模架體構件間的連接方式主要為扣件連接及螺栓連接，現場易于操作且可大部分構件可循環使用。支模架體的實施步驟主要為4 點。

（1）套扣架底框搭設：套扣架底框是整個支模架體的基礎，首先將托頂桿及連接桿采用連接卡塊相連，同時通過固定螺栓將連接橫桿安裝在托頂桿上，將扣件連接管通過連接扣件連接于連接橫桿一側，調整好各桿件間的連接剛度，搭設完成套扣架底框。

（2）支撐體系搭設：在完成套扣架底框的基礎上，搭設支撐立桿及支撐橫桿，橫桿及立桿通過扣件連接，并分別在頂部及底部橫桿間設置剪刀撐桿，剪刀撐桿的搭設可以根據圓拱結構的半徑及弧度調節搭接長度，但剪刀撐桿在橫向及豎向的設置不宜大于4 跨，剪刀撐桿的設置起到了加固支撐立桿及橫桿的作用。

（3）模板體系搭設：底框及支撐體系主要起來承擔上部荷載、減小混凝土凝固過程中的不均勻變形的作用；在此基礎上，于支撐體系上部一定距離（建議20 cm）沿長向布置木枋擱柵，木枋擱柵通過鋼絲綁扎或短鋼筋焊接的方式與支撐體系連接，并對模板標高進行調平，并對模板的拼縫進行檢查。

（4）混凝土澆筑：圓拱混凝土結構支模架體搭建完成后，采用鋼絲網將圓拱兩側的支模架分成若干施工段，確保混凝土結構的密實性。

2.3 技術優勢

本文提出的輕型可循環圓拱混凝土支模架體施工工藝，相比于傳統的施工方法，具備以下的創新點。

（1）通過鋼管架支架、剪刀撐桿和套扣架底框的設置，使該裝置的鋼管架支架具備現場易加工，又不易變形的優點，再通過連接扣件的設置，可以使該裝置采用的輕型支撐立桿和支撐橫桿根據圓拱混凝土結構的直徑及高度改造成對應尺寸，實現循環利用。

（2）支模架體的次楞（木方）通過鐵絲網綁扎及短鋼筋焊接固定在主楞（鋼管）上，最大程度保證圓拱架體的穩定，極大地減小了澆筑帶來的荷載變形。

（3）采用鋼絲網將圓拱兩側的支模架分成若干個施工段，由圓拱兩側向中心，同時對稱進行分段澆筑，大大減小澆筑時模板因受力不均勻導致的變形，保證圓拱混凝土結構的弧度及成型觀感。

3 PDCA 循環質量管理

保證圓拱混凝土結構的施工質量，滿足設計師對異性結構的弧度及感觀要求，實現對人工、材料、設備、外部環境及現場監管等因素的精準化管理，減少返工處理，提高經濟效益，在此提出引入計劃、實施、檢查和處理（planning-docheck-action，PDCA）循環的管理模式。

3.1 PDCA 循環質量目的與意義

PDCA 循環管理體系廣泛應用于我國的醫藥衛生、企業管理、產品研發領域，近年來逐步引入至建設領域。PDCA 循環管理體系又稱為戴明環[9，10]，即施工前制定質量計劃并組織實現的全過程，其包含了四個部分，即策劃（Planing）、實施（Do）、檢查（Check）和處置（Act），通過這4 步的循環運行來解決實際問題，使圓拱混凝土的澆筑質量呈現出階梯式上升的狀態。

由于影響圓拱混凝土結構工程質量的因素較多，對于該分部分項工程可成立專門的質量小組，進行PDCA 循環，發現施工過程中的質量問題，從而采取相應的補救措施，確保圓拱結構混凝土結構澆筑質量。

3.2 PDCA 循環質量管理的運轉

施工管理過程中需要大量的數據和信息來支撐PDAC 循環質量管理工作；以提高工作效率，有效地控制質量目標，并通過各種圖表工具收集和整理實時數據，對目標的控制提出科學的判斷[11]。圓拱混凝土結構施工過程中的PDCA 循環質量管理流程可按下文所示。

（1）對施工現場存在的工期、質量、成本及索賠等方面的問題，應通過對現場情況的分析，采用控制圖、排列圖等數據圖表加以說明。

（2）對于引起問題的各種因素進行詳細的探究，可以從人員、材料、方法、機械、周邊環境等方面入手，常用的方法為因果圖，同時找出引起問題出現的主要因素。

（3）針對主要問題制定解決方案。對制定的計劃及所要達到的目標，應以責任到人的方式，這些問題均需要在施工技術方案中有所體現，并按既定計劃執行。

（4）根據制定的解決方案，按制定的計劃執行，并對實施結果進行檢查。針對實施的結果與既定的目標進行比對，看是否達到既定目標。

（5）根據檢查的結果進行總結，必要時可召開各參建方現場協調會。總結經驗，鞏固成績，繼續改進。

（6）對本輪PDCA 循環未解決的問題進行總結，轉入下一輪的PDCA 循環。

（7）根據總結結果，對已解決的問題進行閉環處理并汲取施工經驗，而對未解決的問題重新回到第（2）步，如此反復直至問題得到妥善解決。

4 結論

圓拱混凝土結構是建筑外立面裝飾中廣泛使用的建筑造型之一，具有建筑造型優美、受力合理、養護、維修費用少、構造較簡單等優點。本文在總結圓拱混凝土結構施工經驗和調查研究圓拱混凝土結構相關文獻的基礎上，為解決施工過程中支模及混凝土澆筑難度大的特點，提出了一種輕型可循環圓拱混凝土結構的施工方案，具有現場施工簡單易行、鋼管配件可循環使用、模板澆筑變形小、支模成本較低、自重較輕及混凝土澆筑質量好的優點，并針對該分部分項工程采用PDCA（planning-do-check-action）循環質量管理方案的運轉過程進行了闡述，對類似項目有一定的借鑒意義。