天津博物館的建筑造型如展翅飛翔的白天鵝，是鋼 —混凝土空間組合結(jié)構(gòu)。它的前廳內(nèi)設(shè)置的 10組變截面 v 型混凝土柱，不做任何修飾，以體現(xiàn)混凝土自身的質(zhì)感。普通的模板和混凝土工藝很難達(dá)到設(shè)計要求，必須進(jìn)行特殊混凝土的工藝研究。在施工過程中，承建單位進(jìn)行了模板類型的優(yōu)選、鋼模內(nèi)表面的噴塑處理以及混凝土配合比及外加劑的分析和試配，并解決了工程中遇到的一些問題，最終一次成功，達(dá)到了設(shè)計要求的效果。
接連兩年帶領(lǐng)工業(yè)與民用建筑專業(yè)的學(xué)生進(jìn)行畢業(yè)實習(xí)，參觀了天津博物館的建造和裝修過程，一方面看到了國內(nèi)最為先進(jìn)、現(xiàn)代化的建筑，開闊了眼界，同時也增長了不少見識，了解了一些新技術(shù)、新工藝，受益匪淺。在此，主要是結(jié)合工程實例，對工程中空間異型清水混凝土柱的設(shè)計及施工技術(shù)作一探討。
1 工程概況
天津博物館座落于河西區(qū)友誼路與平江道交口處，毗鄰天津市政治文化中心天津大禮堂國展中心，該館占地 5. 02 公頃，總建筑面積35000m2，建筑造型如展翅飛翔的白天鵝。由陳列展覽區(qū)、藏品庫房區(qū)、圖書資料中心、辦公與技術(shù)用房和設(shè)備用房五大部分組成。該建筑物為鋼—混凝土空間組合結(jié)構(gòu)， 地上三層， 檐高33.4m，首層和二層為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，層高分別為 5.6 米和 13. 7 米。頂層為大跨度螺栓球網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，由 64 根鋼柱支撐，覆蓋至首層，屋面為彩色壓型鋼板保溫防水層和鍍瓷鋁板裝飾層組成，屋頂平面呈月牙形如同天鵝展翅，正立面及首層外檐均為鋼結(jié)構(gòu)玻璃幕墻，由正立面中央玻璃幕墻和兩側(cè)玻璃幕墻組成，中央幕墻承重結(jié)構(gòu)為 10 根空間變截面箱型曲梁組成，由傘形鋼支撐向外延伸至室外，兩側(cè)玻璃幕墻承重結(jié)構(gòu)為空間管桁架斜支撐。本館造型如展翅飛翔天鵝，線條簡潔生動，在突出仿生建筑設(shè)計理念的同時，充分體現(xiàn)出極強的視覺感染力和獨特的藝術(shù)生命力。該館建成后能夠充分反映天津特有的城市風(fēng)貌和文化底蘊，成為天津市標(biāo)志性的建筑和人文景觀。
2 空間異型清水混凝土柱的設(shè)計
為了達(dá)到返璞歸真的效果，設(shè)計在前廳內(nèi)設(shè)置了10 組變截面 v 型混凝土柱，截面由 800 × 800mm 變至 500 ×500mm，高度為 18m，不做任何修飾，以體現(xiàn)混凝土自身的質(zhì)感。目前國內(nèi)所做的清水混凝土絕大多數(shù)為構(gòu)筑物，本工程作為室內(nèi)露明結(jié)構(gòu)則要求混凝土表面達(dá)到無明顯氣泡，既平整更要光滑，色澤一致的標(biāo)準(zhǔn)，普通的模板和混凝土工藝很難做到，必須進(jìn)行特殊混凝土的工藝研究。
3 空間異型混凝土柱的施工工藝及技術(shù)
3.1 設(shè)計給異型清水柱體施工帶來的困難
異型柱體空間兩次變截面且各組柱軸與地面傾角均不相等，使得如何保證柱體表面平整度及無裝飾清水混凝土表面的顏色均勻性成為困擾施工的兩大難題。
3.2 技術(shù)方案的制定
3.2.1 模板類型選擇
?、龠x用普通鋼模板優(yōu)點在于規(guī)格尺寸一致便于材料的集中管理、使用時無需編號分類、周轉(zhuǎn)性強利用率高。但缺點同樣突出，統(tǒng)一的規(guī)格無法實現(xiàn)第二次變截面后的梯形效果，加之混凝土澆注后板縫較多將嚴(yán)重影響觀感。
?、谥衲０?考慮到柱矢高為 8～12m 不等，竹膠模板通?？捎行p少模板拼縫。但材質(zhì)剛度差，導(dǎo)致柱體對地傾斜的情況下，模板內(nèi)混凝土自重將全部落于朝向水平面的兩個面層上，極易漲模。表面紋理分布不均勻，易造成澆筑后表面觀感不佳。
③定型鋼模板:模板尺寸要依 v 型柱幾何模型定型制作。根據(jù)分層澆注須對鋼模分段加工，模板接縫減少。經(jīng)過對比分析，實際工程中選擇了定型鋼模板。
3.2.2 鋼模內(nèi)表面處理方案選擇
①將纖維隔離層貼于鋼模內(nèi)側(cè)，消除混凝土表面氣孔，并有助于脫模如紋理較密，則易造成拆模后混凝土觀感不佳。
?、谕鈱油克⑸?，增強混凝土表面光潔度澆筑時易將油層掛落，影響混凝土表面顏色均勻性。
?、垆撃?nèi)表面噴塑處理，增加混凝土表面平整度，保證顏色均勻性。經(jīng)過對比，實際工程中選定了第三種方案。
3.2.3 混凝土配合比及外加劑摻入量的控制
施工時，將粗細(xì)骨料清洗、晾干，確保骨料含泥量滿足規(guī)范及清水混凝土施工要求，然后按配合比過泵稱量。由于此方案配合比要求時間短、技術(shù)性能高，要求試驗中心組織技術(shù)能手進(jìn)行分析、調(diào)研。在分析多種外加劑的基礎(chǔ)上，認(rèn)為unf - 5 高級混凝土減水劑最適合本項目清水混凝土柱技術(shù)要求。根據(jù) unf - 5 特點，制定了三種配合比方法。采用同摻法，在骨料相同的情況下，對 unf -5 減水劑加入量進(jìn)行了調(diào)整: ①摻 1 % ②摻 0.75 % ③摻 0.3 %。
試配過程中，嚴(yán)格規(guī)范每道工序，對每一配合比都成型 3 組，待成型、拆模后，通過對比綜合參數(shù)，認(rèn)為摻 0. 75 %最適宜，能在確保不損失混凝土強度的前提下，確保無裝飾清水混凝土的表面觀感。
3.3 工程實施
3.3.1 腳手架體系配合模板支設(shè)
根據(jù)場地實際狀況，按柱體傾斜趨勢搭設(shè)施工腳手架，在確保施工安全和施工方便的基礎(chǔ)上力求省空間、無干涉。
首先，依據(jù)事先彈在墊層上的柱軸和各柱角投影，用塑料泡沫大致還原出異型柱體的空間模型。將塑料泡沫假想為與水平面距離最近的柱體底模，待其固定后，使腳手管緊緊貼于泡沫底側(cè)，以支撐模板體系下部。再將鋼模板與塑料泡沫代換，并對應(yīng)墊層墨線反復(fù)微調(diào)，直至線墜與投影點完全重合。依此法對其他三面進(jìn)行還原定位。架體搭設(shè)過程中，預(yù)留混凝土垂直運輸通道和振搗操作平臺。這樣便在完成腳手架搭設(shè)的同時，高精度完成模板支設(shè)工作。
3.3.2 冬季施工期改善作業(yè)環(huán)境
柱體澆筑正值冬季施工期，保溫棚的搭設(shè)不允許泵送澆筑。只能依靠施工隊伍人工完成上料與傾倒過程。從模板配筋的實際狀況出發(fā)，發(fā)現(xiàn)其主筋外徑較大，箍筋“相對較密”是造成混凝土傾倒過程中發(fā)生離析的最主要原因。因此，只能從下料方式和下料位置方面入手，對粗細(xì)骨料的離析現(xiàn)象進(jìn)行控制。施工過程中本著“分節(jié)支模、逐層澆筑”的原則并參照相關(guān)施工規(guī)范采取如下措施:
?、?nbsp;搭設(shè)保溫棚
為提高混凝土入模溫度，并為后期養(yǎng)護(hù)工作打好基礎(chǔ)，需搭設(shè)保溫棚。搭設(shè)時，既要保證棚內(nèi)溫度滿足澆注及養(yǎng)護(hù)條件又要避免由于占地面積過大而影響其它分項工程的實施，達(dá)到棚內(nèi)無風(fēng)、恒溫、無結(jié)露。
?、谔岣呋炷寥肽囟?
預(yù)先對砂子進(jìn)行熱炒，并用熱水進(jìn)行攪拌做好出盤后的測溫工作，切實提高混凝土入模溫度。
③對混凝土離析進(jìn)行控制
為保證混凝土不出現(xiàn)離析情況，采用分節(jié)澆筑的方法:即在澆筑前在模板體系不會出現(xiàn)位移的情況下，將支好后模板中間部位的某一節(jié)（其位置由模板實際尺寸和規(guī)范要求確定）取下，準(zhǔn)備澆筑。為保證倒入過程順利，混凝土不離散飛濺，必須在倒入口下串簡。
3.3.3 澆筑過程注意事項
結(jié)合現(xiàn)場施工作業(yè)面的實際情況以及柱體空間幾何位置，發(fā)現(xiàn)在澆筑和振搗過程中，要集中精力解決以下幾個問題:
?、俳鉀Q卡棒問題預(yù)制柱振搗過程中常常遇到振搗棒被箍筋彎鉤卡住的問題。爭得設(shè)計同意后現(xiàn)將 135°彎鉤變更為 180°彎鉤，避免卡棒其他個別情況可通過焊接處理。
?、诙沤^漏振現(xiàn)象
由于柱體為“v”字型，在混凝土振搗過程中易出現(xiàn)漏振現(xiàn)象，則采取確定具體的棒數(shù)及振搗位置的方法，對易漏振或截面突變的局部位置進(jìn)行內(nèi)外共振?？紤]到混凝土中砂、石比重不同，下落過程中不可避免地會出現(xiàn)微量離析。因此傾倒混凝土前，事先將砂漿倒入模板底部，注意內(nèi)外振搗。
4 結(jié)語
通過對研究方案的實施，空間異型清水混凝土柱一次澆筑成功，表面平整度控制在 0. 5mm，無任何外裝飾混凝土面的觀感完全達(dá)到可與裝飾石材媲美的效果。而僅以定型鋼模替代以往的竹膠模板這一項，就節(jié)約了模板費用 18. 47 萬元，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。
在各級領(lǐng)導(dǎo)的支持下，經(jīng)過項目全體工程技術(shù)人員的努力工作，全面完成了天津博物館工程這一難度大，要求高、工藝新的全部施工任務(wù)，并通過了天津市科委、建委的科技成果鑒定，達(dá)到了國際先進(jìn)水平，獲得了建設(shè)部鋼結(jié)構(gòu)學(xué)會頒發(fā)的鋼結(jié)構(gòu)金獎，以及天津市建筑界的最高榮譽——海河杯，目前正在申報“魯班獎”。
從工程質(zhì)量創(chuàng)優(yōu)目標(biāo)、成本分析目標(biāo)與實際效果的對比可以發(fā)現(xiàn)，新工藝、新技術(shù)的推廣運用是節(jié)約成本、工程創(chuàng)優(yōu)的前提，對高速優(yōu)質(zhì)完成項目施工起著至關(guān)重要的作用，為工程按期竣工奠定了良好的基礎(chǔ)。
接連兩年帶領(lǐng)工業(yè)與民用建筑專業(yè)的學(xué)生進(jìn)行畢業(yè)實習(xí)，參觀了天津博物館的建造和裝修過程，一方面看到了國內(nèi)最為先進(jìn)、現(xiàn)代化的建筑，開闊了眼界，同時也增長了不少見識，了解了一些新技術(shù)、新工藝，受益匪淺。在此，主要是結(jié)合工程實例，對工程中空間異型清水混凝土柱的設(shè)計及施工技術(shù)作一探討。
1 工程概況
天津博物館座落于河西區(qū)友誼路與平江道交口處，毗鄰天津市政治文化中心天津大禮堂國展中心，該館占地 5. 02 公頃，總建筑面積35000m2，建筑造型如展翅飛翔的白天鵝。由陳列展覽區(qū)、藏品庫房區(qū)、圖書資料中心、辦公與技術(shù)用房和設(shè)備用房五大部分組成。該建筑物為鋼—混凝土空間組合結(jié)構(gòu)， 地上三層， 檐高33.4m，首層和二層為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，層高分別為 5.6 米和 13. 7 米。頂層為大跨度螺栓球網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，由 64 根鋼柱支撐，覆蓋至首層，屋面為彩色壓型鋼板保溫防水層和鍍瓷鋁板裝飾層組成，屋頂平面呈月牙形如同天鵝展翅，正立面及首層外檐均為鋼結(jié)構(gòu)玻璃幕墻，由正立面中央玻璃幕墻和兩側(cè)玻璃幕墻組成，中央幕墻承重結(jié)構(gòu)為 10 根空間變截面箱型曲梁組成，由傘形鋼支撐向外延伸至室外，兩側(cè)玻璃幕墻承重結(jié)構(gòu)為空間管桁架斜支撐。本館造型如展翅飛翔天鵝，線條簡潔生動，在突出仿生建筑設(shè)計理念的同時，充分體現(xiàn)出極強的視覺感染力和獨特的藝術(shù)生命力。該館建成后能夠充分反映天津特有的城市風(fēng)貌和文化底蘊，成為天津市標(biāo)志性的建筑和人文景觀。
2 空間異型清水混凝土柱的設(shè)計
為了達(dá)到返璞歸真的效果，設(shè)計在前廳內(nèi)設(shè)置了10 組變截面 v 型混凝土柱，截面由 800 × 800mm 變至 500 ×500mm，高度為 18m，不做任何修飾，以體現(xiàn)混凝土自身的質(zhì)感。目前國內(nèi)所做的清水混凝土絕大多數(shù)為構(gòu)筑物，本工程作為室內(nèi)露明結(jié)構(gòu)則要求混凝土表面達(dá)到無明顯氣泡，既平整更要光滑，色澤一致的標(biāo)準(zhǔn)，普通的模板和混凝土工藝很難做到，必須進(jìn)行特殊混凝土的工藝研究。
3 空間異型混凝土柱的施工工藝及技術(shù)
3.1 設(shè)計給異型清水柱體施工帶來的困難
異型柱體空間兩次變截面且各組柱軸與地面傾角均不相等，使得如何保證柱體表面平整度及無裝飾清水混凝土表面的顏色均勻性成為困擾施工的兩大難題。
3.2 技術(shù)方案的制定
3.2.1 模板類型選擇
?、龠x用普通鋼模板優(yōu)點在于規(guī)格尺寸一致便于材料的集中管理、使用時無需編號分類、周轉(zhuǎn)性強利用率高。但缺點同樣突出，統(tǒng)一的規(guī)格無法實現(xiàn)第二次變截面后的梯形效果，加之混凝土澆注后板縫較多將嚴(yán)重影響觀感。
?、谥衲０?考慮到柱矢高為 8～12m 不等，竹膠模板通?？捎行p少模板拼縫。但材質(zhì)剛度差，導(dǎo)致柱體對地傾斜的情況下，模板內(nèi)混凝土自重將全部落于朝向水平面的兩個面層上，極易漲模。表面紋理分布不均勻，易造成澆筑后表面觀感不佳。
③定型鋼模板:模板尺寸要依 v 型柱幾何模型定型制作。根據(jù)分層澆注須對鋼模分段加工，模板接縫減少。經(jīng)過對比分析，實際工程中選擇了定型鋼模板。
3.2.2 鋼模內(nèi)表面處理方案選擇
①將纖維隔離層貼于鋼模內(nèi)側(cè)，消除混凝土表面氣孔，并有助于脫模如紋理較密，則易造成拆模后混凝土觀感不佳。
?、谕鈱油克⑸?，增強混凝土表面光潔度澆筑時易將油層掛落，影響混凝土表面顏色均勻性。
?、垆撃?nèi)表面噴塑處理，增加混凝土表面平整度，保證顏色均勻性。經(jīng)過對比，實際工程中選定了第三種方案。
3.2.3 混凝土配合比及外加劑摻入量的控制
施工時，將粗細(xì)骨料清洗、晾干，確保骨料含泥量滿足規(guī)范及清水混凝土施工要求，然后按配合比過泵稱量。由于此方案配合比要求時間短、技術(shù)性能高，要求試驗中心組織技術(shù)能手進(jìn)行分析、調(diào)研。在分析多種外加劑的基礎(chǔ)上，認(rèn)為unf - 5 高級混凝土減水劑最適合本項目清水混凝土柱技術(shù)要求。根據(jù) unf - 5 特點，制定了三種配合比方法。采用同摻法，在骨料相同的情況下，對 unf -5 減水劑加入量進(jìn)行了調(diào)整: ①摻 1 % ②摻 0.75 % ③摻 0.3 %。
試配過程中，嚴(yán)格規(guī)范每道工序，對每一配合比都成型 3 組，待成型、拆模后，通過對比綜合參數(shù)，認(rèn)為摻 0. 75 %最適宜，能在確保不損失混凝土強度的前提下，確保無裝飾清水混凝土的表面觀感。
3.3 工程實施
3.3.1 腳手架體系配合模板支設(shè)
根據(jù)場地實際狀況，按柱體傾斜趨勢搭設(shè)施工腳手架，在確保施工安全和施工方便的基礎(chǔ)上力求省空間、無干涉。
首先，依據(jù)事先彈在墊層上的柱軸和各柱角投影，用塑料泡沫大致還原出異型柱體的空間模型。將塑料泡沫假想為與水平面距離最近的柱體底模，待其固定后，使腳手管緊緊貼于泡沫底側(cè)，以支撐模板體系下部。再將鋼模板與塑料泡沫代換，并對應(yīng)墊層墨線反復(fù)微調(diào)，直至線墜與投影點完全重合。依此法對其他三面進(jìn)行還原定位。架體搭設(shè)過程中，預(yù)留混凝土垂直運輸通道和振搗操作平臺。這樣便在完成腳手架搭設(shè)的同時，高精度完成模板支設(shè)工作。
3.3.2 冬季施工期改善作業(yè)環(huán)境
柱體澆筑正值冬季施工期，保溫棚的搭設(shè)不允許泵送澆筑。只能依靠施工隊伍人工完成上料與傾倒過程。從模板配筋的實際狀況出發(fā)，發(fā)現(xiàn)其主筋外徑較大，箍筋“相對較密”是造成混凝土傾倒過程中發(fā)生離析的最主要原因。因此，只能從下料方式和下料位置方面入手，對粗細(xì)骨料的離析現(xiàn)象進(jìn)行控制。施工過程中本著“分節(jié)支模、逐層澆筑”的原則并參照相關(guān)施工規(guī)范采取如下措施:
?、?nbsp;搭設(shè)保溫棚
為提高混凝土入模溫度，并為后期養(yǎng)護(hù)工作打好基礎(chǔ)，需搭設(shè)保溫棚。搭設(shè)時，既要保證棚內(nèi)溫度滿足澆注及養(yǎng)護(hù)條件又要避免由于占地面積過大而影響其它分項工程的實施，達(dá)到棚內(nèi)無風(fēng)、恒溫、無結(jié)露。
?、谔岣呋炷寥肽囟?
預(yù)先對砂子進(jìn)行熱炒，并用熱水進(jìn)行攪拌做好出盤后的測溫工作，切實提高混凝土入模溫度。
③對混凝土離析進(jìn)行控制
為保證混凝土不出現(xiàn)離析情況，采用分節(jié)澆筑的方法:即在澆筑前在模板體系不會出現(xiàn)位移的情況下，將支好后模板中間部位的某一節(jié)（其位置由模板實際尺寸和規(guī)范要求確定）取下，準(zhǔn)備澆筑。為保證倒入過程順利，混凝土不離散飛濺，必須在倒入口下串簡。
3.3.3 澆筑過程注意事項
結(jié)合現(xiàn)場施工作業(yè)面的實際情況以及柱體空間幾何位置，發(fā)現(xiàn)在澆筑和振搗過程中，要集中精力解決以下幾個問題:
?、俳鉀Q卡棒問題預(yù)制柱振搗過程中常常遇到振搗棒被箍筋彎鉤卡住的問題。爭得設(shè)計同意后現(xiàn)將 135°彎鉤變更為 180°彎鉤，避免卡棒其他個別情況可通過焊接處理。
?、诙沤^漏振現(xiàn)象
由于柱體為“v”字型，在混凝土振搗過程中易出現(xiàn)漏振現(xiàn)象，則采取確定具體的棒數(shù)及振搗位置的方法，對易漏振或截面突變的局部位置進(jìn)行內(nèi)外共振?？紤]到混凝土中砂、石比重不同，下落過程中不可避免地會出現(xiàn)微量離析。因此傾倒混凝土前，事先將砂漿倒入模板底部，注意內(nèi)外振搗。
4 結(jié)語
通過對研究方案的實施，空間異型清水混凝土柱一次澆筑成功，表面平整度控制在 0. 5mm，無任何外裝飾混凝土面的觀感完全達(dá)到可與裝飾石材媲美的效果。而僅以定型鋼模替代以往的竹膠模板這一項，就節(jié)約了模板費用 18. 47 萬元，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。
在各級領(lǐng)導(dǎo)的支持下，經(jīng)過項目全體工程技術(shù)人員的努力工作，全面完成了天津博物館工程這一難度大，要求高、工藝新的全部施工任務(wù)，并通過了天津市科委、建委的科技成果鑒定，達(dá)到了國際先進(jìn)水平，獲得了建設(shè)部鋼結(jié)構(gòu)學(xué)會頒發(fā)的鋼結(jié)構(gòu)金獎，以及天津市建筑界的最高榮譽——海河杯，目前正在申報“魯班獎”。
從工程質(zhì)量創(chuàng)優(yōu)目標(biāo)、成本分析目標(biāo)與實際效果的對比可以發(fā)現(xiàn)，新工藝、新技術(shù)的推廣運用是節(jié)約成本、工程創(chuàng)優(yōu)的前提，對高速優(yōu)質(zhì)完成項目施工起著至關(guān)重要的作用，為工程按期竣工奠定了良好的基礎(chǔ)。
