混凝土壳体的新生

2018.06.30　|　iStructure, 壳体, 混凝土

iStructure

作者：吴族平
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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。