上海自然博物館創(chuàng)新施工技術(shù)研究

王 維，嚴(yán) 凱，周石磊（上海建工集團(tuán)股份有限公司， 上海 200080）

1 自然博物館概況

上海自然博物館坐落于上海市靜安雕塑公園內(nèi)，建筑面積 45257 m2，展覽教育服務(wù)面積 32200 m2。其設(shè)計(jì)靈感來源于“螺”的殼體結(jié)構(gòu)，盤旋而上的綠植屋面從公園內(nèi)冉冉升起，靜動有致的建筑宛如一只“綠螺”。建筑秉承“以人為本”的設(shè)計(jì)理念，融合“山水花園”的設(shè)計(jì)風(fēng)格，采用“自然生態(tài)”的設(shè)計(jì)手法。通過其施工過程中的技術(shù)創(chuàng)新，最終完美呈現(xiàn)了“綠色生態(tài)建筑”的設(shè)計(jì)理念。項(xiàng)目效果圖如圖 1 所示。

圖1 項(xiàng)目效果圖

2 項(xiàng)目特點(diǎn)

上海自然博物館在自身場館建設(shè)過程中充分結(jié)合“自然”相關(guān)綠色生態(tài)技術(shù)，為節(jié)能、環(huán)保、生態(tài)的智能建筑。項(xiàng)目通過十二大生態(tài)節(jié)能技術(shù)體系實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，即：建筑節(jié)能幕墻、綠化隔熱外墻及綠化屋面一體化、地源熱泵技術(shù)、熱回收技術(shù)、太陽能綜合利用、自然通風(fēng)策略、自然光導(dǎo)光技術(shù)、雨水回收系統(tǒng)、綠色照明、綠色建材、生態(tài)節(jié)能集控管理平臺、全壽命研究平臺。

在建設(shè)過程中，施工總承包單位針對技術(shù)難題進(jìn)行了創(chuàng)新性研究，包括復(fù)合群坑施工成套技術(shù)、大面積異形清水混凝土技術(shù)、高精度異形網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)成套建造技術(shù)等。最大限度減小了地下工程建造過程中對城市帶來的不利影響，詮釋了清水混凝土的“美”與“簡”，亦將建筑最具特色的“細(xì)胞壁”以最完美的效果展現(xiàn)在大眾眼前。

3 技術(shù)創(chuàng)新

3.1 復(fù)合群坑施工成套技術(shù)創(chuàng)新

自然博物館由于其特殊的地理位置，與市政地鐵站、商務(wù)綜合體 2 個大型工程形成了一個緊密相連的綜合體。軌道交通 13 號線區(qū)間標(biāo)準(zhǔn)段下臥貫穿其中，將基坑分割為數(shù)個大小不一的異形坑段，而博物館基坑與相鄰在建的 60 號地塊基坑有著相互影響的關(guān)系。如此，共形成 7 個深度超過17 m 的基坑工程，地下施工周期長達(dá) 4 a。由于工程地點(diǎn)為市區(qū)核心部位，周邊管線復(fù)雜，保護(hù)建筑多，居民多，地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，群坑工程為自然博物館的建設(shè)帶來了巨大的挑戰(zhàn)。群坑示意圖如圖 2 所示。

圖2 群坑示意圖

在組合群坑施工中，項(xiàng)目以解決現(xiàn)場實(shí)際問題作為基礎(chǔ)，對工程從理論到細(xì)部節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了深入的研究。工程應(yīng)用中的主要創(chuàng)新包括：與軌交共建多重組合式深大異形基坑群合理籌劃、復(fù)雜環(huán)境條件下的交通改遷策劃技術(shù)、群坑設(shè)計(jì)合理優(yōu)化、高效施工技術(shù)研究、復(fù)合基坑大面積降水研究等，形成了一系列關(guān)鍵的施工技術(shù)。

3.1.1 籌劃多重組合式深大異形基坑群

在博物館、商務(wù)綜合體基坑為主體、疊加地鐵站基坑的組合重疊式深大異形基坑群工程中，結(jié)合工程水文地質(zhì)條件、周邊環(huán)境及工期要求，對群坑進(jìn)行了總體策劃，有效合理地開展施工組織，確保各工序合理搭接。通過策劃，將基坑分為若干個大小不一的分區(qū)，并對每一個分區(qū)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)、支撐布置等重新優(yōu)化。為了確保土方順利開挖，對局部地基進(jìn)行加固，增加了基坑監(jiān)測密度，秉持“以空間換時(shí)間”的原則，保證了群坑安全、高效地完成。群坑工程劃分圖如圖 3 所示。

圖3 群坑工程劃分圖

3.1.2 合理優(yōu)化群坑設(shè)計(jì)

在群坑施工過程中，結(jié)合周邊各區(qū)域的基坑圍護(hù)、支撐形式，動態(tài)調(diào)整方案進(jìn)行施工，確?；觾?nèi)外的安全，提高施工效率，實(shí)現(xiàn)了節(jié)約資源、降本增效的目標(biāo)。

自然博物館基坑與車站區(qū)間段在自然博物館坑底以上同步開挖。在自然博物館坑底以上范圍區(qū)間段內(nèi)，通過計(jì)算，取消了圍護(hù)地墻結(jié)構(gòu)配筋，在滿足構(gòu)造成型要求的基礎(chǔ)上，完成了圍護(hù)結(jié)構(gòu)。同時(shí)對支撐進(jìn)行了統(tǒng)籌優(yōu)化，將 2 個基坑的開挖受力情況結(jié)合考慮，車站區(qū)間支撐僅需按自然博物館基坑底以下范圍，設(shè)置一道混凝土支撐（支撐面與自然博物館底板底標(biāo)高相同）、一道鋼支撐。適當(dāng)調(diào)整自然博物館取土棧橋位置，確保取土點(diǎn)可滿足兩個工程的取土要求。博物館與車站南段封堵墻兩側(cè)開挖示意圖如圖 4 所示。

圖4 博物館與車站南段封堵墻兩側(cè)開挖示意圖

3.1.3 復(fù)雜基坑大面積降水

對于核心區(qū)的大型基坑而言，降水工程一直是一個風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)很大的難點(diǎn)。處理此復(fù)雜基坑的大面積降水施工時(shí)，施工方采用了“內(nèi)外結(jié)合、按需降水、隨挖隨降、動態(tài)反饋”的超深降水技術(shù)。通過實(shí)踐及監(jiān)測數(shù)據(jù)，明確了圍護(hù)結(jié)構(gòu)隔斷作用時(shí)地下水的滲流規(guī)律，從而使得每一分塊的開挖與局部降壓相結(jié)合，既能確保群坑的安全，又將降水對周邊環(huán)境的影響降到最低。

3.2 大面積異形清水混凝土施工措施創(chuàng)新

圍繞自然博物館外圍一圈的每個立面都不一樣，而西面的清水混凝土墻體，則是這座“綠色建筑”的重要標(biāo)志之一。博物館大面積采用了清水混凝土作為裝飾面，通過對其模板系統(tǒng)及線條排布工藝、施工縫節(jié)點(diǎn)處理等各方面細(xì)節(jié)處理得研究，最終展現(xiàn)出這一富有特色的建筑造型及裝飾效果。

3.2.1 模板體系及線條排布

由于建筑造型多為異形，選用多層覆膜板及木方、槽鋼、對拉螺桿散拼合模體系。通過可調(diào)對拉螺栓以及形狀定制的槽鋼對模板的拼接進(jìn)行控制，為建筑“量體裁衣”，以達(dá)到最佳成型效果。

不同于普通建筑外立面裝飾方正對稱，自然博物館外立面由不同形狀的墻體交匯形成。為滿足線條統(tǒng)一美觀的要求，需對水平向、豎向施工縫及明縫提前規(guī)劃排布。同時(shí)，根據(jù)承重要求等篩選擬用模板的規(guī)格，并采用 BIM 技術(shù)進(jìn)行排版，以精準(zhǔn)計(jì)算模板用量、提高模板周轉(zhuǎn)率、避免缺錯碰缺，最終做到效果最佳、損耗最小。

圓弧墻、西立面斜墻根據(jù)明縫與建筑外輪廓的尺寸，經(jīng)計(jì)算排布，按標(biāo)準(zhǔn)模板板塊 1220 mm × 2440 mm 大小，適當(dāng)加工，損耗最?。〒p耗率約 0.16，已按 80.2° 角換算高度）。其中 1 層、5 層采用一套模板體系（按 5 層配備），2、3、4 層 采用一套模板體系，斜角部位獨(dú)立配置。

3.2.2 明縫、施工縫節(jié)點(diǎn)特殊處理

清水混凝土墻的施工縫在保證建筑防水功能的同時(shí)，弱化視覺的存在感。墻體施工過程中，在其底部實(shí)施了凹凸槽導(dǎo)墻做法。外墻插筋施工完成后，以外墻、內(nèi)外排鋼筋為限位，在內(nèi)側(cè)按設(shè)計(jì)高度設(shè)置導(dǎo)墻模板，模板與外側(cè)鋼筋采取臨時(shí)固定，導(dǎo)墻中部設(shè)置止水鋼板，導(dǎo)墻與結(jié)構(gòu)樓層同步澆搗混凝土。在下一階段墻板施工中，按墻板定位要求，直接在樓板設(shè)置墻模限位，進(jìn)行墻板施工。由于前期導(dǎo)墻模板處于結(jié)構(gòu)內(nèi)部，對外觀及定位要求不高，大幅降低施工難度。其次，內(nèi)導(dǎo)墻外表面與止水鋼板共同作用，延長滲漏路徑。墻體立面不同于一般外露導(dǎo)墻部位需設(shè)置吊模施工，從而大幅減少模板固定與定位難度。這項(xiàng)舉措使外露施工縫可隱藏于陰角部位，確保了清水混凝土的觀感效果。

同時(shí)，在墻面施工縫位置有意識的設(shè)置 PVC 分隔縫，偽裝成裝飾條?；炷敛鹉：螅谑┕たp位置，切割 1 cm左右槽口，人工鑿除施工縫外側(cè)表層 1 cm 左右混凝土。相鄰段混凝土結(jié)構(gòu)施工階段，在凹槽原位設(shè)置相同分隔條，再進(jìn)行混凝土澆筑。清水混凝土立面成型后，分隔條在視覺上形成凹槽式的裝飾線條，觀感上施工縫隱藏于凹槽內(nèi)。

3.3 高精度異形網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的成套建造技術(shù)

建筑核心區(qū)域的“細(xì)胞壁”鋼結(jié)構(gòu)將結(jié)構(gòu)力學(xué)特性和建筑藝術(shù)造型結(jié)合在一起，是博物館最大的特色之一。結(jié)構(gòu)體系為空間異形不規(guī)則單層網(wǎng)架，網(wǎng)架由五邊形和六邊形網(wǎng)格組成。整個建筑造型呈半橢圓形螺旋上升，結(jié)構(gòu)形態(tài)垂直豎立于地面，弧形中部向橢圓內(nèi)傾斜（最大內(nèi)傾約 5 m）。細(xì)胞壁底部坐落于 －16.100 m 大底板上，作為承重結(jié)構(gòu)支撐著整個螺旋式屋面，結(jié)構(gòu)兩側(cè)邊緣分別與混凝土結(jié)構(gòu)墻體和索結(jié)構(gòu)幕墻相連。細(xì)胞壁高度最高處為 32.5 m，橢圓長軸為 68.800 m，短軸為 46.800 m，墻體厚度約 1 m，弧線長度約 160 m，投影面積 2966 m2，展開面積 8426 m2。

3.3.1 多桿空間任意匯交節(jié)點(diǎn)的深化設(shè)計(jì)、制作技術(shù)

異形鋼結(jié)構(gòu)外形縱橫交錯、無律可循，連接節(jié)點(diǎn)不固定，人工深化難度大、周期長，且難以保證準(zhǔn)確性，無法貼合現(xiàn)場施工安排。但采用計(jì)算機(jī)軟件對設(shè)計(jì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行導(dǎo)入、分析處理，自動三維建模并采集結(jié)構(gòu)參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)全過程可視化復(fù)核，大幅提高了深化效率。人工復(fù)核修改深化出圖后，采用計(jì)算機(jī)控制精準(zhǔn)加工設(shè)備進(jìn)行加工制作。全程無紙化施工，提高了構(gòu)件深化及加工的準(zhǔn)確性，避免人工失誤帶來的影響。此類異形鋼結(jié)構(gòu)連接節(jié)點(diǎn)模式不同于普通鋼結(jié)構(gòu)，加工制作容錯率很低，如采用傳統(tǒng)鑄造金工工藝進(jìn)行制作，加工精度無法滿足安裝及裝飾要求。采用計(jì)算機(jī)輔助智能加工技術(shù)，大幅提升加工精度，不合格率低于 2%，且偏差值極小，現(xiàn)場安裝更精準(zhǔn)、便捷，從而更貼合設(shè)計(jì)和裝飾效果。無論從受力性能還是裝飾效果來說，計(jì)算機(jī)輔助智能加工技術(shù)都更有優(yōu)勢。

3.3.2 有限元分析在異形豎向承重鋼網(wǎng)架中的創(chuàng)新應(yīng)用

異形豎向承重鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架，受力體系相當(dāng)復(fù)雜，國內(nèi)相同案例較少。因此，采用有限元對在異形豎向承重鋼網(wǎng)架進(jìn)行分析，不但論證了鋼結(jié)構(gòu)施工方案的合理性，而且對結(jié)構(gòu)施工過程中的逐環(huán)無支撐自穩(wěn)定安裝、結(jié)構(gòu)變形控制等提供了理論支撐。施工工況與設(shè)計(jì)理論計(jì)算對比表如圖 5 所示。

圖5 施工工況與設(shè)計(jì)理論計(jì)算對比表

3.3.3 復(fù)雜異形網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)現(xiàn)場安裝工藝

采用“主體鋼結(jié)構(gòu)自下而上逐環(huán)散裝”的方法。安裝過程中利用結(jié)構(gòu)自身特點(diǎn)，采用逐環(huán)自穩(wěn)定的方法，避免了增設(shè)側(cè)向穩(wěn)定支撐，提高了施工功效。同時(shí)，節(jié)點(diǎn)與桿件組合安裝的方法解決了結(jié)構(gòu)多桿件對位難的問題。設(shè)計(jì)的臨時(shí)連接節(jié)點(diǎn)構(gòu)造、可調(diào)撐桿解決了結(jié)構(gòu)快速安裝定位、現(xiàn)場校正的問題。實(shí)時(shí)測量監(jiān)控并反饋鋼結(jié)構(gòu)吊裝、焊接和溫度等變形數(shù)據(jù)，對于摸索異形鋼結(jié)構(gòu)施工變形規(guī)律、指導(dǎo)現(xiàn)場動態(tài)調(diào)整施工工藝及異形網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的最終安裝成型質(zhì)量至關(guān)重要。

4 技術(shù)創(chuàng)新成果

（1）在基坑開挖階段的環(huán)境保護(hù)方面，自然博物館基于共建模式，通過群坑成套技術(shù)的創(chuàng)新，大幅降低項(xiàng)目建造過程中對城市正常運(yùn)轉(zhuǎn)帶來的封路施工、道路翻澆、管線改造、路面沉降等不利影響。同時(shí)，在節(jié)約建造成本、時(shí)間成本的同時(shí)，實(shí)現(xiàn) “綠色”建造和城市生活的“和諧”發(fā)展。

（2）通過對清水混凝土施工工藝的創(chuàng)新優(yōu)化，現(xiàn)澆清水混凝土墻面表面成型效果光潔瑩潤、質(zhì)感樸素，縱橫縫及線條流暢。轉(zhuǎn)角部位 30° 銳角清水結(jié)構(gòu)一次成型。室內(nèi) 30 m高弧形清水內(nèi)墻，弧度準(zhǔn)確，無折痕。獨(dú)立清水圓柱垂直度達(dá)標(biāo)，平面位置精確，與清水墻面形成一直線。將清水混凝土的“簡”與“美”表現(xiàn)得淋漓盡致，同時(shí)豐富了清水混凝土的施工工藝，有助于進(jìn)一步推廣清水混凝土這一綠色節(jié)能裝飾的應(yīng)用。

（3）通過對“細(xì)胞壁”鋼結(jié)構(gòu)從深化設(shè)計(jì)到加工制作，最后到現(xiàn)場安裝的建造成套技術(shù)創(chuàng)新研究，解決了大量非正交桿件組成的異形豎向網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的一系列技術(shù)難題，掌握了此類復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)的深化、加工、安裝施工的全過程技術(shù)要點(diǎn)。此類工藝可為后續(xù)國內(nèi)此類高精度異形鋼結(jié)構(gòu)的施工提供經(jīng)驗(yàn)和借鑒。

5 結(jié) 語

面對建筑業(yè)的轉(zhuǎn)型升級，越來越多的施工企業(yè)加大研發(fā)的投入，而基于項(xiàng)目的技術(shù)創(chuàng)新，則是企業(yè)研發(fā)最大的孵化器。唯有不斷的技術(shù)創(chuàng)新，才能獲得高質(zhì)量的發(fā)展，從而進(jìn)一步提升產(chǎn)業(yè)能效。唯有不斷的技術(shù)創(chuàng)新，才能不斷推進(jìn)“綠色”建造和城市生活的“和諧”發(fā)展。上海自然博物館作為一個工程技術(shù)創(chuàng)新的優(yōu)秀載體，在建造過程中形成了一系列科技成果、優(yōu)秀工法、專利技術(shù)等，在建成后亦成為市民科普旅游、休閑社交、體驗(yàn)自然的城市中新型公共場所，為創(chuàng)建人與自然和諧共生的美好未來做出了貢獻(xiàn)。