1 工程概况

　　以武汉市琴台美术馆项目为依托，其整个屋面面积约22 000m²，要求天花为清水混凝土效果。设计结构形式为大跨度自由双曲面壳体结构，任何一块区域的曲率均不一致，形态高低起伏类似于山体，坡度5%～60%，并有间距950mm×1 100mm密肋梁及厚600mm实心板。通过BIM应用及模板背楞施工技术的创新有效解决了清水混凝土曲面造型成型精度的难题。

　　该项目总建筑面积约4.3万m²，其中地上建筑面积约2.08万m²，地下建筑面积约2.22万m²，地下1层，地上2层(局部夹层)，包括古代展厅、现代展厅、当代展厅、特殊展厅等。

　　美术馆造型起伏多变、若隐若现，建筑仿佛从土里长出，与周边景观自然融入，形成极具互动性、体验性的大地景观建筑，犹如一幅精美的画卷，堪称艺术精品(见图1)。

　　图1 琴台美术馆项目效果  

　　2 自由双曲面屋盖施工技术重、难点分析

　　2.1 支撑体系设计难度大，施工精度高

　　屋盖结构为不规则的自由双曲面，每个区域的曲率和标高都不一致，平面图纸不能满足对标高数据的提取和采集要求。

　　支撑架的每根立杆高度均不一致，其长度的精准控制难度大。

　　壳体结构板厚>600mm，最大架体高度为23.8m，部分区域采用普通钢管满堂支撑架，计算立杆间距<500mm×500mm，在支撑方案的选择上，要满足安全性、可操作性及经济性。

　　2.2 屋盖双曲面观感质量要求高

　　屋盖为自由双曲面，天花效果要求清水混凝土一次成型无任何装饰面层。屋盖最大跨度约28.8m，最大悬挑约10.5m，最大高度23m，实心板厚600mm，密肋梁截面尺寸为200mm×600mm，间距为950mm/1 050mm，对模板的拼缝及材料选择要求极高，背楞要满足其自由双曲面曲率要求，模板拼缝必须顺滑，其难点在于密肋梁区域的模板方案。模板材料的气泡、光洁度、色差、平整度合格率必须达到95%以上。

　　3 施工方案分析与设计

　　3.1 支撑体系的选择分析

　　基于双曲面屋盖结构净空大、板厚大、标高不规则的3个特点，通过方案比选分析最优的支撑方案。

　　1)扣件式钢管满堂架传统的扣件式钢管满堂架采用48.3×3.6钢管，承受荷载的有扣件和钢管等构成的支撑架，高23.8m、板厚600mm，通过承载力、刚度、稳定性验算，立杆水平纵、横向间距为500mm×500mm，操作空间小、材料投入大。

　　2)定型式钢管满堂架定型式钢管满堂架有轮扣式、盘扣式、碗扣式钢管架，其优势在于搭拆速度较快，结构少，搭建及拆卸方便，基本结构及专用部件，立杆、横杆和斜拉杆全部在工厂内制成;承载力大于传统普通钢管架。其缺点在于此类钢管长度均为定制600,1 200,1 800mm等，适用于标高变化较小的楼板结构，因此不适合标高变化复杂的自由双曲面壳体结构。

　　3)贝雷架+扣件式钢管满堂架贝雷架少支点支撑体系，构件较大且数量少，施工安全易保证，机械使用程度高，结构形式刚柔结合，抗冲击性强。通过贝雷架形成硬质封闭平台，使得上部的扣件式钢管架搭设高度<6 000mm，通过计算立杆水平纵、横向间距700mm×700mm可满足承载力、刚度及稳定性要求。

　　因此，支撑架体选择贝雷架+扣件式钢管满堂架的支撑体系。

　　3.2 双曲面模板背楞选型分析

　　为保证自由双曲面屋盖结构的成型效果，背楞及模板的曲面控制与模板选型是重点。对各类方案进行分析比选。

　　1)定制铝模板体系铝模板全称为建筑用铝合金模板，是继木模板、钢模板之后出现的新一代模板系统，其优势在于刚度大不易变形，金属模板可任意曲率定制加工;其缺点是造价高、自重大，模板拼装全程需塔式起重机配合，施工效率低。经混凝土模具试验，金属模板因透气性较差，混凝土浇筑完成后表面会形成5～30mm不规则气泡，不能满足清水混凝土的观感要求。

　　2)钢结构网壳背楞+木模板体系钢结构网壳背楞是通过主背楞槽钢+次背楞方钢形成骨架，通过数控机床加工出满足设计自由双曲面的背楞体系，表面安装模板形成曲面。该方案通过现场样板实施，优点是可满足自由双曲面清水混凝土成型观感质量的要求;缺点是钢结构自重大，焊接量大，施工效率极低，对钢结构加工精度要求较高，造价高，不能满足大面积展开施工的要求。

　　3)定制弧形双钢管+弧形方木+木模板体系双钢管为主背楞，50mm×100mm方木为次背楞，是目前最成熟的模板背楞体系，其优势在于施工速度快、可操作性强。通过BIM模型生成对应每根立杆位置的板底标高计算立杆顶托高度，调节完成后采用普通双钢管弯曲与顶托贴合置于顶托之上，按以直代曲的思路使用短方木通过钢丝在钢管固定，因不规则区域导致方木在顶托搭接处会形成错台，通过定制变截面方木使方木形成局部梯形，以保证曲面的自然平顺。该方案施工效率高，成本及工期可控，成型效果可满足清水混凝土天花的观感要求。

　　因此，采用定制弧形双钢管+弧形方木+木模板体系。

　　4 施工关键技术

　　4.1 基于BIM的高精度模板支撑体系

　　1)屋盖施工前用Rhino软件进行屋面三维模型创建，通过屋面模型和结构模型的整合，实现任意部位的标高信息提取及贝雷架的三维排版工作(见图2,3)。

　　图2 壳体屋盖结构Rhino模型  

　　图3 贝雷架BIM排版模型 

　　2)取项目最不利架体高度23.2m处进行架体安全性验算，通过MIDAS进行有限元分析。分析结果表明设计满足安全性要求(见图4)。

　　图4 贝雷片与钢立柱应力安全验算  

　　3)贝雷架平台上部为普通钢管架，立杆间距700mm×700mm，施工前通过Rhino软件对屋面模型结构空间进行三维坐标的数据采集，将采集的三维坐标数据输出每根立杆处的结构板底标高CAD平面图，将每根立杆编号形成Excel表格，指导现场立杆高度调节。现场将根据满堂架体立杆排布，提前在分配梁I16上端焊接20钢筋头，保证满堂架体搭设定位，同时限制立杆侧向位移，钢筋定位通过BIM模型导出。

　　4.2 自由双曲面清水混凝土模板施工技术

　　通过方案比选采用定制弧形双钢管+弧形方木+木模板体系。屋盖结构为密肋梁和实心板2种形式，密肋梁区域为双层模板(见图5,6)。

　　通过BIM模型生成对应每根立杆位置的板底标高计算立杆顶托高度，调节完成后采用48.3×3.6普通双钢管弯曲与顶托贴合置于顶托之上。

　　使用短方木通过钢丝在钢管固定，因不规则区域导致方木在顶托搭接处会形成错台，通过平刨机将方木错台部位刨平，最后铺设清水模板形成顺滑曲面。

　　因屋盖为不规则曲面，密肋梁区域梁腹板四边形高度随曲率变化均不一致，根据屋盖3d模型完成对密肋梁梁腹板高度的数据采集。

　　图5 密肋梁区域模板背楞加固大样  

　　图6 实心板区域模板背楞大样 

　　通过采集截面信息由精密加工车床对梁侧模板进行精准加工。将梁腹板进行编号逐一安装，完成双曲面密肋梁模板施工。

　　5 结语

　　支撑体系和模板背楞方案的选择是混凝土结构成型质量的关键因素，琴台美术馆通过对其施工技术的研究设计及应用取得良好效果，在安全性、经济性方面都有出色成绩，质量控制达到清水混凝土的设计要求。