金 振，何 勇，潘國華

JIN Zhen，HE Yong，PAN Guohua

(廣廈建設集團有限責任公司，浙江 杭州310012)

1 拱殼結構的發(fā)展

1.1 拱結構

拱結構是一種主要承受軸向壓力并由兩端推力維持平衡的曲線構件。東西方古國很早就產生了拱結構，如趙州橋、君士坦丁凱旋門、圣彼得大教堂、巴黎圣母院等。其中趙州橋是當今世界上現存最早、保存最完善的古代敞肩石拱橋(圖1);君士坦丁凱旋門有3 個拱門，是羅馬現存的凱旋門中最新的一座(圖2);圣彼得大教堂呈羅馬式建筑和巴洛克式建筑風格，屬世界上最大的教堂，教堂正中是圓穹;巴黎圣母院是一座典型的哥特式教堂，全部采用石材建造，耗時近兩個世紀才完工。

圖1 趙州橋

圖2 君士坦丁凱旋門

1.2 殼結構

殼，是一種曲面構件，主要承受各種作用產生的中面內的力。殼體由內、外兩個曲面圍成，是厚度t遠小于中面最小曲率半徑R 和平面尺寸的片狀結構，薄殼是指t/R 小于0.05 的殼體。殼與拱的承載能力的區(qū)別:殼主要承受的是各種作用產生的中面應力，而不是以沿厚度變化的彎曲應力來抵抗外荷載;殼體以曲板承荷傳力，不像拱是單向受荷傳力的平面結構，而是雙向受荷傳力的空間結構，起雙向“頂”的作用。殼體能充分利用材料強度，同時又能將承重與圍護兩種功能融合為一。

殼體結構的強度和剛度主要是利用了其幾何形狀的合理性，以材料直接受壓來代替彎曲內力，從而充分發(fā)揮材料的潛力。因此殼體結構具有十分良好的承載性能，能以很小的厚度承受相當大的荷載，是一種強度高、剛度大、材料省的既經濟又合理的結構形式。

殼體結構經常結合清水混凝土進行設計。清水混凝土是混凝土材料中最高級的表達形式，它顯示的是一種最本質的美感，體現的是“素面朝天”的品位。清水混凝土具有樸實無華、自然沉穩(wěn)的外觀韻味，與生俱來的厚重與清雅是一些現代建筑材料無法效仿和媲美的。材料本身所擁有的柔軟感、剛硬感、溫暖感、冷漠感不僅對人的感官及精神產生影響，而且可以表達出建筑情感。因此建筑師們認為，這是一種高貴的樸素，看似簡單，其實比金碧輝煌更具藝術效果。世界上著名的薄殼結構主要有以下幾個工程:

費利克斯·坎德拉(Felix Candella)是世界上很有名望的殼混凝土(Shell concrete)工程師，他設計的著名建筑是建于1958年位于墨西哥城索奇米爾科(Xochimilco)的洛斯馬納迪阿勒斯餐廳(Los Manatiales restaurant，也叫Mantiales 大飯店)，是由8 個分離的雙曲線形沿著彼此相接的谷線連接而成的清水混凝土薄殼，形狀似八瓣花，殼體橫向跨度超過45 m，卻僅僅40 mm 厚。洛斯馬納迪阿勒斯餐廳的整體圖和局部圖分別見圖3a)、圖3b)。

圖3 洛斯馬納迪阿勒斯餐廳

丹麥著名建筑大師約恩·烏松設計的混凝土薄殼結構的“悉尼歌劇院”，該歌劇院的貝殼狀尖屋頂由預制混凝土后張預應力拱條組成，外表覆蓋著105 萬塊白色或奶油色的瓷磚［1］。其造型“形若潔白蚌殼，宛如出海風帆”，成為全世界公認的藝術杰作，圖4a)和圖4b)分別是澳大利亞悉尼歌劇院正面圖與背面圖。

圖4 澳大利亞悉尼歌劇院

建筑師E·沙里寧設計的紐約肯尼迪國際機場TWA 候機樓(環(huán)球航空公司候機樓)，工程于1962年竣工。見圖5。該候機樓屋面采用混凝土薄殼結構的彎曲屋面，宛如一只展翅欲飛的大鳥，象征自由飛翔，被稱為“世界上最有魅力的候機樓”［2］。

著名的瑞士建筑師海恩茲·伊斯勒(Heinz Isler)設計的瑞士南代廷根服務站(1968年)，該服務站由兩個對稱的自由形清水混凝土薄殼結構組成。見圖6。平面上是三角形，長31 m，高11.5 m，殼體厚僅90 mm。看起來就像兩片織物在空氣中舒卷，并就此凝結。

圖5 美國TWA 候機樓

圖6 瑞士南代廷根服務站

建筑師山崎實(Yamsaki)設計的蘭伯特圣路易市航空港(Lanbert-St. Louis International Airport)候機室，該候機廳由三組115 mm 厚的現澆鋼筋混凝土殼體組成，每組由兩個圓柱形曲面殼體正交，相接處設置采光帶。蘭伯特圣路易市航空港白天與夜晚的情景分別見圖7a)、圖7b)。

圖7 蘭伯特圣路易市航空港

2 清水混凝土結構的發(fā)展與特點

在我國，清水混凝土尚處于發(fā)展階段，屬于新興的施工工藝，真正掌握此類建筑的設計和施工的單位并不多。清水混凝土最終的裝飾效果，70%取決于混凝土的配合比與澆筑質量，30%取決于后期的透明保護噴涂施工，因此，清水混凝土對建筑施工水平是一種極大的挑戰(zhàn)。

2.1 清水混凝土配合比

清水混凝土配合比設計和原材料質量控制非常嚴格，新拌混凝土必須具有極好的工作性和粘聚性，絕對不允許出現分層離析的現象。原材料產地必須統一，所用水泥盡可能是同一廠家同一批次的;砂、石的色澤和顆粒級配均勻。

清水混凝土組合物的配方，組分比例科學合理，其工作性能滿足混凝土泵送與澆筑要求，可達到不泌水、不離析、收縮量小，成型后混凝土密實、質感強。配制大流態(tài)清水混凝土，具有混凝土施工時流動性好、和易性好、保水性好，以及坍落度經時損失小與可泵性強等優(yōu)點，能保證成型后的混凝土強度，表面光澤好，色差滿足飾面清水混凝土的質量要求。

2.2 清水混凝土模板工程

清水混凝土施工用的模板要求十分嚴格，需要根據建筑物進行專門設計，甚至定做，成本較高。模板必須具有足夠的剛度，在混凝土側壓力作用下不允許有一點變形，以保證結構物的幾何尺寸均勻與斷面的一致，防止?jié){體流失［3］;其對模板的材料也有很高的要求，表面要平整光潔，且強度高、耐腐蝕，并具有一定的吸水性;對模板的接縫和固定模板的螺栓等，則要求接縫嚴密，要加密封條防止跑漿;固定模板的拉桿也需要用帶金屬帽或塑料扣，以便拆模時方便，由此減少混凝土表面的破損等。

2.3 清水混凝土的澆筑與養(yǎng)護

清水混凝土應連續(xù)澆筑，確保無冷縫，排除泌水，減少氣泡，確?；炷羶葘嵧夤?。清水混凝土如養(yǎng)護不當，表面極容易因失水而出現微裂縫，影響外觀質量和耐久性。因此，對裸露的混凝土表面，應及時采用黏性薄膜或噴涂型養(yǎng)護膜覆蓋，進行保濕養(yǎng)護。

清水混凝土結構不需要裝飾，即舍去了涂料、飾面等化工產品;清水混凝土結構一次成型，不剔鑿修補、不抹灰，于是減少了大量的建筑垃圾，有利于保護環(huán)境，因此清水混凝土是名副其實的綠色混凝土［4］。

3 大跨度清水混凝土拱殼結構的施工技術

3.1 銀川車站工程

清水混凝土拱殼結構是拱與殼的結合，并采用了清水混凝土的結構。銀川車站站房中部清水混凝土拱殼結構由拱與殼兩部分組成，由3 對連續(xù)的單曲面薄殼、6 根單曲面拱梁和6 根雙曲面拱梁組成。殼板厚度0.45 m，主拱半徑31.787 m，副拱半徑22.667 m，主副殼均屬于薄殼結構［5］。銀川車站效果圖見圖8。

圖8 銀川車站效果圖

銀川車站的造型設計充分汲取地域與民族元素，形成了融地域文化與現代風格為一體的獨特建筑風貌，銀川車站現場雪景見圖9。它結合大跨度、大空間的使用要求，站房中部采用了古老而獨特的拱殼結構體系，在滿足功能與使用要求的同時，為整個建筑帶來了獨特的民族韻味。拱殼結構三維圖見圖10，其中大跨度的尖拱表達出了民族文化與建筑文化的力量，呈現出拱殼結構特有的力度美。

圖9 銀川車站現場雪景

圖10 銀川車站拱殼結構三維圖

3.2 特點與難點

銀川車站工程清水混凝土拱殼結構施工的主要特點與難點:

(1)拱殼結構清水混凝土要求表面為淺白色，具有高空、大跨度、異形等工程特點，實際施工時要采用大流態(tài)淺白色清水混凝土。

(2)高空大跨度清水混凝土拱殼模板承重架施工，模板承重架的搭設高度高，最高點達到38 m，拱殼結構的模板承重架受力復雜，水平桿也承受較大的荷載。雙曲面梁與薄殼結構位置圖見圖11。

圖11 銀川車站雙曲面梁與薄殼結構位置圖

(3)高空大跨度清水混凝土拱殼模板面板施工，既要確保拱形曲面結構模板的強度、剛度與穩(wěn)定性，更要確?；炷廉愋谓Y構的清水效果。

(4)安裝難題是拱殼室內高空燈具、消防暖通等的設計優(yōu)化與安裝技術。

3.3 施工關鍵技術

針對清水混凝土拱殼結構的特點與難點展開了課題攻關，針對大流態(tài)淺白色清水混凝土配合比，高空大跨度清水混凝土拱殼模架與面板施工技術，拱殼結構清水混凝土澆筑養(yǎng)護與修復技術，清水面安裝綜合施工技術等，進行了優(yōu)化總結，申報了浙江省的科研項目“高空大跨度清水混凝土拱殼結構施工技術”，克服了技術難題，成功完成了銀川車站改造工程的施工。銀川車站內部實景見圖12。此工程獲得了2012—2013年度中國建設工程魯班獎，科研項目“高空大跨度清水混凝土拱殼結構施工技術”獲得了浙江省科技廳科學技術獎三等獎。并且，為了攻克清水混凝土顏色、質感較單一的技術難題，申報了兩項發(fā)明專利“制備白色飾面清水混凝土組合物的配方”(ZL201010511486.7)、“摻有礦渣粉的制備白色飾面清水混凝土的組合物”(ZL201210098596.4)，均已獲得國家專利授權。

圖12 銀川車站內部實景

4 結 語

從拱結構到殼結構，從磚石拱結構到清水混凝土薄殼結構(或結合部分拱結構)，從耗時14年竣工的悉尼歌劇院到2年即竣工的銀川車站改造工程，體現了時代的發(fā)展、技術的進步，它是文化的傳承與發(fā)展，從而使拱殼結構得到了更大范圍的應用。

大跨度清水混凝土拱殼結構也充分汲取了地域與民族元素，是一種古老而獨特的結構體系，呈現出拱殼結構特有的力度美。拱殼結構具有殼薄、自重輕、耐火性能好等特點，且清水混凝土的采用減少了裝飾施工對環(huán)境干擾，節(jié)省了裝飾材料與施工的造價，加大了使用空間，從而是今后發(fā)展的一個方向。

［1]張慶歡，徐永模.國內外裝飾混凝土的發(fā)展簡介［J］.建筑裝飾材料世界，2009(1):60 -70.

［2]許乙弘，洪斐莉.淺析當代航站樓建筑設計中的結構因素［J］.新建筑，2007(5):115 -120.

［3]焦挺，饒益民，張霞軍，等.銀川火車站站房大跨度預應力清水混凝土拱殼施工技術［J］.施工技術，2011(22):20 -23.

［4]于東暉，奧曉磊，畢大勇.銀川火車站站房混凝土拱殼結構穩(wěn)定性能分析［J］.建筑結構，2011(9):99 -103.

［5]申金山，劉洪波.記分顯視屏薄殼清水混凝土施工技術［J］.施工技術，2004(2):11.