混凝土壳体的新生
原创作者：吴族平
在上世纪五六十年代，混凝土薄壳曾风靡全球，成为许多结构大师肆意挥洒想象力的载体。
▲ 墨西哥的霍奇米洛克餐厅/坎德拉
但是，混凝土薄壳的施工有两个问题。一方面，混凝土薄壳结构外形复杂多变，极大的增加了模板施工的难度，模板施工造价高；另一方面，施工后拆除的模板很难再重新利用，既耗费大量的人力物力，又对环境造成了一定的损害，经济效益不明显。因此，随着钢结构网架和桁架体系的应用，现在已经很少看到在新建的混凝土薄壳结构了。
混凝土薄壳至此，会消亡吗？今天小i 给大家介绍一种特殊的混凝土薄壳建造方式——气膜钢筋混凝土壳体。希望这个技术能让结构工程师在确定结构体系时，更多一种选择的思路。
气膜钢筋混凝土壳体简介
以性能优良的柔软织物（通常为PVC膜材）为外膜，将其固定在环型的混凝土基础上；再向膜内充气并保持膜内恒压状态，作为施工荷载支撑；随后依次在膜内喷涂隔离层、聚氨酯泡沫层、分层绑扎结构钢筋、逐层喷射混凝土，最终形成一个外观美观、结构坚固、空间覆盖率大的壳体结构。
▲ 气膜钢筋混凝土壳体球仓 剖面图
▲ 壳体结构构造层
气膜钢筋混凝土壳体建筑的施工过程
简单来说，气膜钢筋混凝土结构分为两个部分：气膜模板和混凝土壳体。气膜模板的施工主要分为三个部分：施工基础环梁、充气膜固定及充气、聚氨酯喷涂；混凝土壳体施工分为：钢筋混凝土结构和门洞开孔。
1）基础环梁施工
气膜钢筋混凝土壳体一般采用环形条基，在基础上设置环梁。一方面便于固定膜材，一方面也可以平衡壳体产生的水平推力。此外，环形基础既要承受上部壳体荷载，又要在充气过程中作为气膜的配重，抵抗向上的作用力。
▲ 基础环梁的施工
2）充气膜固定
▲ 展开气膜
▲ 气膜铺平
▲ 气膜固定
▲ 气膜固定完成
气膜固定好之后就可以进行充气了，充气采用风机鼓风，直到气膜内部气压达到一定的设计值，一般500~600Pa。
▲ 充气膜充气成型过程
这种壳体模板的构建方式施工速度很快，而且绿色环保，所需要的材料和人工很少（大型的壳体可能就30人左右，主要的用处就在展开气膜阶段保证气膜铺平）。
此外，一旦气膜充气成型后，后续的整个施工过程全部在室内完成，不受外部环境的影响，保证了施工的稳定和效率。
3）聚氨酯喷射
为保证充气膜和聚氨酯的良好粘结，需在内表面涂上一层渐变剂，再喷射聚氨酯。聚氨酯分多层喷射，第一层完成喷射后，插上钢筋标签。标签类似于“猫爪”，能提供较大的抓持力。“猫爪”的作用主要方便定位，为后续钢筋绑扎提供固定点。
▲ 钢筋标签
聚氨酯喷射完成后，气膜模板最终成型，形成具有一定刚度的模板。
▲ 聚氨酯喷射完成
4）钢筋混凝土结构
聚氨酯喷射完成后，进行钢筋的绑扎，在内部喷射混凝土。
▲ 钢筋绑扎
钢筋混凝土从外到内依次分为两层：构造层和结构层。
构造层包含一层间距600mm的构造钢筋和约3cm厚的混凝土。经过计算和实践发现，构造层完成施工后，气膜模板已经具有较大的刚度；待构造层混凝土硬化后，根据“猫爪”标签定位和绑扎结构层钢筋，完成后开始结构层混凝土的喷射。
▲ 混凝土喷射
▲ 构造层施工过程示意图
▲ 结构层施工过程示意图
5）壳体开洞处理
气膜钢筋混凝土壳体的洞口处理有两种方式。一种是针对窗口和采光洞口等不大的洞口，可以事先在气膜模板上放置环箍，在混凝土喷射时避开洞口区域；另一种是大型的洞口，需要在施工过程中参与受力，壳体成型后再进行切除开洞。
▲ 壳体开洞前
▲ 大型板壳开洞后
气膜钢筋混凝土壳体案例
自上世纪40年代，开始了应用气膜膜板进行混凝土壳体施工的技术研究，分为气膜内模式和气膜外模式两种。
其中，气膜内模式在气膜外表面进行混凝土的浇筑，但考虑到混凝土开裂以及气膜模板承重等问题，现在采用这种方式的混凝土壳体案例已经很少。而气膜外模式是将气膜膜板外置，在气膜内表面进行混凝土喷射施工，优势明显。
▲ 美国国家航天中心
1942年，Wallace Neff采用气压膜法充气形成模板，在气膜外表面布置钢筋形成钢筋混凝土结构。随后，DanteBini 、Lloyd Turner、 David 和Barry South等人采用气膜为模板建立了不同大小、不同结构形式的混凝土圆顶结构。
据MonolithicDome Institute 估计，过去的30年中，至少已经建成2000多个混凝土气膜钢筋混凝土球顶，主要分布在北美以及欧洲。其中，大部分气膜钢筋混凝土壳体结构主要用于工业储煤仓，其储煤量均在5万吨以上。建造完成的气膜球形储煤仓具有仓储空间利用率高，安全性能好，外形美观的特点。此外，在公共建筑和民用建筑上应用也很广泛，如办公楼、体育馆、艺术中心、住宅别墅等。
▲ 兰伯顿ISD美术中心
▲ 民用建筑
在工业上，传统的混凝土储煤仓多采用滑模施工工艺。但是这种结构的仓储利用空间不高、施工成本较高。
2012年，国内最早由华北电力院引进气膜球形薄壳钢筋混凝土结构，并应用于保定清苑热电厂储煤岛工程球形储煤仓。该球形仓直径为65m，高度40.5m，1号球于历经4个月完成混凝土仓体的施工。该工程由美国Dome technology公司设计和指导施工，但由于国内设计和施工水平有限，加上该技术的专利问题，此后未深入研究。
▲ 大唐保定清苑热电厂储煤仓
2014年，中煤建安集团引进气膜钢筋混凝土球形仓结构，应用于葫芦素煤矿和门克庆选煤厂。总计6个直径54m、高度59m的球形储煤仓，历时5个月完成了气膜钢筋混凝土壳体的施工，现已投入使用。
▲ 葫芦素气膜穹顶储煤仓
2015年，中煤建安集团与上海交通大学合作，研发建造了中煤建安集团研发中心体育馆、展览馆和办公楼。该项目系国内自主研发、设计和建造的第一个气膜钢筋混凝土民用建筑，已于2016年全部完成了气膜钢筋混凝土壳体的建造。
▲ 中煤建筑安装集团有限公司研发中心
内蒙古地区最高的营盘壕矿井，井塔上部屋面临时改为气膜钢筋混凝土穹顶结构。设计时在PVC膜面喷上绘图，加上了蒙古帽冒尖的装饰，形成具有蒙古特色的集工业生产和旅游观光的特色建筑。
▲ 营盘壕矿井主井屋面
结语
壳体结构是力学表达很好的载体，能够很好的完成建筑和结构的力学与美的统一。气膜钢筋混凝土壳体，既能节省大量的人力物力，节能环保，又能建造出各种各样的造型优美的壳体结构，希望这种新型的施工方式能应用得越来越广。
目前，气膜钢筋混凝土壳体主要应用与工业储仓系统。但小编个人认为，这种穹顶结构承载力大，空间效率高。在民用建筑上，依托气膜可以塑造出更加复杂、多样的形态，建筑师追求表现出的壳体美，也能通过这种方式实现。
参考资料
1.气膜钢筋混凝土扁壳结构设计分析，吴族平，邱国志，刘士兴等
2.球形薄壳结构混凝土结构技术的施工应用，邓锋，东武军，李洪基.
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