大面積地下室建筑結(jié)構(gòu)整體性分形協(xié)同建造關(guān)鍵技術(shù)*

江 筠,方真剛,張 勇,羅先林,羅躍鋒

(武漢建工集團(tuán)股份有限責(zé)任公司,湖北 武漢 430056)

1 工程概況

國(guó)家網(wǎng)絡(luò)安全人才培訓(xùn)中心工程位于武漢市東西湖區(qū)臨空港大道、新徑公路及濱河北路合圍地塊內(nèi)。本項(xiàng)目總建筑面積約33萬m2,包含信息綜合樓、教學(xué)實(shí)驗(yàn)樓、附屬樓、食堂、學(xué)生宿舍(B,C棟)。地下室建筑面積約73 000m2,由信息綜合樓、教學(xué)實(shí)驗(yàn)樓、附屬樓和食堂4個(gè)單體建筑的地下部分組成,南北向約270m,東西向約270m,形成一個(gè)超大的地下室(見圖1)。地下室結(jié)構(gòu)形式為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu),建筑用途為停車及設(shè)備用房。結(jié)構(gòu)底板采用C35防水密實(shí)混凝土,抗?jié)B等級(jí)為P6,厚度500mm,原設(shè)計(jì)有9條不規(guī)則的縱橫向后澆帶,寬800mm,采用高一級(jí)的補(bǔ)償收縮混凝土;建筑地面采用C30細(xì)石混凝土,厚200mm,地下室結(jié)構(gòu)底板和建筑地面均采用跳倉(cāng)法施工。

圖1 國(guó)家網(wǎng)絡(luò)安全人才培訓(xùn)中心地下室

2 大面積地下室分形協(xié)同建造技術(shù)方案

2.1 技術(shù)路徑

地下室建筑結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量影響因素較多,如形態(tài)面積因素、沉降因素、使用功能因素、混凝土收縮因素、施工組織流向因素、排水因素、交接處高低差因素、地下水上浮因素等[1-3],裂縫控制較復(fù)雜,因此必須結(jié)合實(shí)際特點(diǎn)進(jìn)行深入研究。常規(guī)的施工方法是按地下室建筑結(jié)構(gòu)分部分項(xiàng)工程的流水段進(jìn)行定性拆解,推演施工過程,指導(dǎo)項(xiàng)目施工全過程管理,而分形協(xié)同建造方法從定性拆解演進(jìn)到定量拆解,用幾何語言刻畫、分析及指導(dǎo)項(xiàng)目施工過程。分形協(xié)同建造方法是依據(jù)現(xiàn)代分形幾何理論,將分形建筑設(shè)計(jì)方法的優(yōu)勢(shì)與后續(xù)的施工組織設(shè)計(jì)、施工技術(shù)應(yīng)用及項(xiàng)目管理進(jìn)行有機(jī)融合,從而形成的可系統(tǒng)性解決大面積、復(fù)雜地下室的新型施工方法[4]。由此形成了大面積地下室建筑結(jié)構(gòu)分形協(xié)同建造的技術(shù)路徑:一方面,以分形理論為核心,將結(jié)構(gòu)底板、澆筑地面進(jìn)行有序分形,分別對(duì)其關(guān)鍵分形節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)沉降后澆帶、膨脹加強(qiáng)帶、擋水坎+排水溝、伸縮縫、切縫及鋼筋控制定位等技術(shù)進(jìn)行攻關(guān);另一方面,以協(xié)同管理為核心,利用TOPSIS法對(duì)地下室面積均等方案進(jìn)行評(píng)價(jià)優(yōu)選,應(yīng)用后澆帶間距控制原理進(jìn)行跳倉(cāng)塊劃分,從而達(dá)到“裂縫控制裂縫”的目的(見圖2)。

圖2 分形協(xié)同建造技術(shù)路徑

2.2 基于TOPSIS法的地下室建筑結(jié)構(gòu)面積均等劃分

2.2.1基于TOPSIS法的地下室建筑結(jié)構(gòu)指標(biāo)評(píng)價(jià)體系創(chuàng)建

大面積地下室建筑結(jié)構(gòu)的施工過程復(fù)雜、影響因素多,選擇對(duì)地下室建筑結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量有直接影響的單位造價(jià)S1、技術(shù)難易性S2、施工周期S3、排水效率S4、建筑功能與平面布局的匹配性S55個(gè)主要影響因素,創(chuàng)建方案評(píng)價(jià)指標(biāo)體系[5]。其中,S2,S4,S5屬于正指標(biāo),S1,S3屬于逆指標(biāo)[5]。對(duì)S1和S3的定量描述結(jié)合工程施工現(xiàn)場(chǎng)及商務(wù)情況進(jìn)行測(cè)算,S2通過統(tǒng)計(jì)建筑結(jié)構(gòu)等面積劃分后切割設(shè)備房數(shù)量來直觀反映,S4通過不同方案需增加的集水井或排水溝數(shù)量來確定,S5通過不同方案與地下室設(shè)備功能房的交叉性確定(見表1和圖3)。

表1 面積均等劃分方案評(píng)價(jià)

2.2.2基于TOPSIS法的地下室建筑結(jié)構(gòu)面積均等方案優(yōu)選

2.2.2.1不同劃分方案的指標(biāo)轉(zhuǎn)化

表2 方案指標(biāo)轉(zhuǎn)換值

2.2.2.2不同劃分方案的數(shù)據(jù)歸一化處理

(0.48,0.31,0.49,0.41,0.37)。

2.2.2.3不同劃分方案的優(yōu)選排序

(1)

(2)

Ci在0～1取值,Ci越接近1,表示該評(píng)價(jià)對(duì)象越接近最優(yōu)水平;反之則表示該評(píng)價(jià)對(duì)象越接近最劣水平。按式(1)、式(2)計(jì)算3種施工方案的指標(biāo)值、最優(yōu)值,并對(duì)結(jié)果進(jìn)行排序,排序結(jié)果如表3所示。

表3 方案指標(biāo)值與最優(yōu)值及排序結(jié)果

由最終計(jì)算的Ci值大小(越大越接近最優(yōu)方案)來判斷方案的優(yōu)選性可知,九等分>十六等分>四等分。

2.3 大面積地下室結(jié)構(gòu)底板分形協(xié)同建造技術(shù)

2.3.1大面積地下室結(jié)構(gòu)平面分形迭代

由于信息綜合樓、教學(xué)實(shí)驗(yàn)樓、附屬樓和食堂的建筑高度、結(jié)構(gòu)形式不同,各單體建筑不均勻沉降而使地下室結(jié)構(gòu)平面出現(xiàn)裂縫問題。按謝爾賓斯基地毯分形,將整體地下室結(jié)構(gòu)平面①號(hào)自相似塊(270m×270m)進(jìn)行一級(jí)分形迭代,得到②號(hào)自相似塊(90m×90m),在①,②號(hào)自相似塊節(jié)點(diǎn)設(shè)置沉降后澆帶來控制地下室結(jié)構(gòu)平面裂縫。根據(jù) GB 55008—2021《混凝土結(jié)構(gòu)通用規(guī)范》規(guī)定,一次性澆筑長(zhǎng)度宜≤40m,否則混凝土易開裂[6],而結(jié)構(gòu)平面②號(hào)自相似塊面積過大,因此將結(jié)構(gòu)平面②號(hào)自相似塊進(jìn)行二級(jí)分形迭代得到③號(hào)自相似塊(30m×30m),在②,③號(hào)自相似塊節(jié)點(diǎn)設(shè)置膨脹加強(qiáng)帶,緩解混凝土收縮變形開裂(見圖4)。

圖4 地下室結(jié)構(gòu)平面分形迭代

2.3.2大面積地下室結(jié)構(gòu)平面分形節(jié)點(diǎn)技術(shù)

1)一級(jí)分形節(jié)點(diǎn)技術(shù) 地下室原設(shè)計(jì)的沉降后澆帶平面位置分布呈無序狀態(tài),優(yōu)化后的沉降后澆帶是按分形理論進(jìn)行設(shè)計(jì),其位置A與地下室結(jié)構(gòu)平面一級(jí)分形相契合。地下室結(jié)構(gòu)底板的沉降后澆帶構(gòu)造如圖5所示,采用超前止水,帶寬800mm,采用快易收口網(wǎng)和鋼板止水帶組合設(shè)置,收口網(wǎng)和止水鋼板通過筏板鋼筋骨架焊接固定,防止變形與移位。

圖5 沉降后澆帶位置及構(gòu)造

2)二級(jí)分形節(jié)點(diǎn)技術(shù) 膨脹加強(qiáng)帶一般設(shè)計(jì)在混凝土收縮應(yīng)力產(chǎn)生最大處,通常是建筑物長(zhǎng)度方向的中間位置[6-7],其位置B與地下室結(jié)構(gòu)平面二級(jí)分形相契合。地下室結(jié)構(gòu)底板的膨脹加強(qiáng)帶如圖6所示,寬2 000mm,兩側(cè)用快易收口網(wǎng)隔開,并按每隔600mm設(shè)1根φ18豎向支撐螺紋鋼筋與受力主筋焊接予以加固,其上、下均應(yīng)留出≥25mm混凝土保護(hù)層,沿加強(qiáng)帶截面方向上加設(shè)附加鋼筋(φ8@200mm)。鋼絲與鋼絲網(wǎng)、上下水平鋼筋及豎向加固筋綁扎或焊接牢固,防止?jié)仓炷習(xí)r爆模、漏漿,影響膨脹加強(qiáng)帶質(zhì)量。

圖6 膨脹加強(qiáng)帶位置及構(gòu)造

2.4 大面積地下室建筑地面分形協(xié)同建造技術(shù)

2.4.1大面積地下室建筑地面分形迭代

由于地下室建筑地面面積較大,又必須滿足施工組織、工藝、標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范要求,需將地下室建筑地面進(jìn)行分區(qū)施工,才能更好地保證施工組織、工藝的連續(xù)性及施工質(zhì)量。按分形理論的謝爾賓斯基地毯分形,將地下室建筑地面①號(hào)自相似塊進(jìn)行一級(jí)分形迭代——九大分倉(cāng),得到建筑地面②號(hào)自相似塊,在①,②號(hào)自相似塊節(jié)點(diǎn)設(shè)置排水溝+隱藏式擋水坎。將建筑地面②號(hào)自相似塊進(jìn)行二級(jí)分形迭代得到③號(hào)自相似塊,在②,③號(hào)自相似塊節(jié)點(diǎn)設(shè)置伸縮縫,構(gòu)成最基本的跳倉(cāng)單元。再將建筑地面③號(hào)自相似塊進(jìn)行三級(jí)分形迭代得到④號(hào)自相似塊(10m×10m),在③,④號(hào)自相似塊節(jié)點(diǎn)設(shè)置切縫,吸收混凝土的收縮變形。將建筑地面④號(hào)自相似塊進(jìn)行四級(jí)分形迭代得到⑤號(hào)自相似塊(3.33m×3.33m),在⑤號(hào)自相似塊區(qū)域布設(shè)鋼筋網(wǎng)片,增強(qiáng)建筑地面的抗裂性(見圖7)。

圖7 地下室建筑地面分形迭代

2.4.2大面積地下室建筑地面分形節(jié)點(diǎn)技術(shù)

1)一級(jí)分形節(jié)點(diǎn)裝置(隱藏式擋水坎和排水溝) 地下室建筑地面的擋水坎和排水溝分形節(jié)點(diǎn)裝置是基于分形理論設(shè)計(jì),如圖8所示,其布設(shè)位置C與地下室建筑地面一級(jí)分形相契合,將整體地下室建筑地面分形成為9個(gè)面積相等的自相似塊,根據(jù)系統(tǒng)論整體與局部的特性,一個(gè)大的整體分形成幾個(gè)面積均等的局部單元,局部單元間相互影響最為均衡。地下室建筑地面排水坡度3%,擋水坎為隱藏式,在建筑地面內(nèi)部,先澆筑成型,后澆筑建筑地面。隱藏式擋水坎可阻擋建筑地面內(nèi)部的毛細(xì)水,建筑地面上部的水順排水坡流入排水溝,使建筑地表不積水,從而保證地下室干燥。

圖8 擋水坎與排水溝分形節(jié)點(diǎn)

2)二級(jí)分形節(jié)點(diǎn)裝置(伸縮縫) 地下室建筑地面的伸縮縫分形節(jié)點(diǎn)裝置是基于分形理論進(jìn)行設(shè)計(jì),如圖9所示,其布設(shè)位置D與地下室建筑地面二級(jí)迭代分形相契合。進(jìn)一步將相對(duì)較大面積的建筑地面分形成面積相對(duì)較小的建筑地面,從而達(dá)到控制由混凝土收縮變形而產(chǎn)生裂縫的目的。地下室建筑地面的伸縮縫寬20mm,同建筑地面深,伸縮縫遇結(jié)構(gòu)柱,環(huán)繞結(jié)構(gòu)柱一圈后繼續(xù)延伸。

圖9 伸縮縫分形節(jié)點(diǎn)

3)三級(jí)分形節(jié)點(diǎn)裝置(切縫) 地下室建筑地面的切縫分形節(jié)點(diǎn)裝置是基于分形理論進(jìn)行設(shè)計(jì),如圖10所示,其布設(shè)位置E與地下室建筑地面三級(jí)迭代分形相契合。進(jìn)一步將伸縮縫分形節(jié)點(diǎn)裝置圍合的建筑地面分形成為面積相對(duì)較小的建筑地面,從而抵抗混凝土收縮變形而產(chǎn)生的裂縫。地下室建筑地面切縫寬5mm,切深100mm。建筑地面澆筑養(yǎng)護(hù)完成3d內(nèi),用手推式切縫機(jī)或輪胎式切縫機(jī)按圖10a所示切縫位置進(jìn)行切縫。在結(jié)構(gòu)柱處,距結(jié)構(gòu)柱邊300mm切縫,環(huán)繞結(jié)構(gòu)柱形成1個(gè)正方形切縫,與橫向和豎向切縫相連通,保證切縫連續(xù)。

圖10 切縫位置及構(gòu)造

4)四級(jí)分形節(jié)點(diǎn)裝置(鋼筋布設(shè)) 地下室建筑地面的鋼筋布設(shè)是基于分形理論進(jìn)行設(shè)計(jì),如圖11所示,其布設(shè)邊界位置F與地下室建筑地面四級(jí)分形相契合。將切縫圍合的建筑地面(10m×10m)繼續(xù)迭代分形,得到由鋼筋布置區(qū)圍合的新的建筑地面(3.3m×3.3m)。建筑地面采用的鋼筋為3 000mm×3 000mm成品鋼筋網(wǎng)片(φ6@200mm),澆筑建筑地面的混凝土前,將鋼筋網(wǎng)片布設(shè)于建筑地面⑤號(hào)自相似塊正中心,再布設(shè)兩相鄰⑤號(hào)自相似塊搭接區(qū)域的鋼筋網(wǎng)片,再在相鄰的鋼筋網(wǎng)片間進(jìn)行搭接。

圖11 地下室建筑地面的鋼筋布設(shè)

2.5 大面積地下室結(jié)構(gòu)底板分形跳倉(cāng)施工關(guān)鍵技術(shù)

2.5.1跳倉(cāng)施工塊設(shè)計(jì)

跳倉(cāng)施工塊(以下簡(jiǎn)稱“跳倉(cāng)塊”)間距不僅要考慮削減溫度收縮應(yīng)力,還應(yīng)考慮與施工縫結(jié)合。通過計(jì)算及實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)調(diào)查,在正常施工條件下,跳倉(cāng)塊間距為20～30m,宜≤40m[8-9]。以國(guó)家網(wǎng)絡(luò)安全人才培訓(xùn)中心工程項(xiàng)目的大面積地下室結(jié)構(gòu)底板為例,根據(jù)GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(2015年版)、工程結(jié)構(gòu)裂縫控制“抗與放”的設(shè)計(jì)原則[2],計(jì)算跳倉(cāng)塊間距。

加強(qiáng)帶最大間距計(jì)算公式為:

(3)

加強(qiáng)帶最小間距計(jì)算公式為:

(4)

加強(qiáng)帶平均間距計(jì)算公式為:

(5)

(6)

式中:L為加強(qiáng)帶間距;E為混凝土彈性模量;CX為地基或基礎(chǔ)水平阻力系數(shù);α為混凝土線膨脹系數(shù);T為互相約束結(jié)構(gòu)的綜合降溫差,包括收縮當(dāng)量溫差;εp為鋼筋混凝土的極限拉伸,(1～3.0)×10-4;H為結(jié)構(gòu)底板厚度。

對(duì)于C35混凝土,查《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》附表可得:彈性模量E=3.15×104N/mm2,結(jié)構(gòu)底板厚500mm,CX=1.12×10-2N/mm2,鋼筋混凝土的極限拉伸εp=1.0×10-4N/mm2,混凝土線膨脹系數(shù)α=1.0×10-5N/mm2,綜合降溫差T=55.5℃,代入式(3)～式(5)得:Lmax=≈49.2m,Lmin=36.9m。

經(jīng)計(jì)算可得:最大跳倉(cāng)塊長(zhǎng)度為49.2m;最小跳倉(cāng)塊長(zhǎng)度為24.6m;平均跳倉(cāng)塊長(zhǎng)度為36.9m,加強(qiáng)帶間距即為設(shè)計(jì)跳倉(cāng)施工的分形尺寸。

2.5.2分形跳倉(cāng)塊優(yōu)化及跳倉(cāng)施工順序

大面積地下室結(jié)構(gòu)底板跳倉(cāng)塊是依據(jù)分形理論設(shè)計(jì),是理想化的標(biāo)準(zhǔn)尺寸,未考慮施工現(xiàn)場(chǎng)諸多限制因素。實(shí)際施工的跳倉(cāng)塊必須綜合考慮工程實(shí)際特點(diǎn),如混凝土厚度、收縮當(dāng)量溫差、混凝土彈性模量、混凝土線膨脹系數(shù)及柱網(wǎng)布置等影響因素,因此將理想狀態(tài)的跳倉(cāng)塊進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),使其長(zhǎng)和寬均≤40m。根據(jù)國(guó)家網(wǎng)絡(luò)安全人才培訓(xùn)中心工程項(xiàng)目各建筑單體分布特點(diǎn),將地下室結(jié)構(gòu)底板分為A,B,C 3個(gè)施工段。A施工段主要包括信息綜合樓和南廣場(chǎng)區(qū)域,共24個(gè)跳倉(cāng)塊;B施工段主要包括信息綜合樓、教學(xué)實(shí)驗(yàn)樓、附屬樓和食堂間的區(qū)域,共16個(gè)跳倉(cāng)塊;C施工段主要包括教學(xué)實(shí)驗(yàn)樓、附屬樓和食堂間的區(qū)域,共24個(gè)跳倉(cāng)塊。對(duì)地下室結(jié)構(gòu)底板的A,B,C 3個(gè)施工段進(jìn)行跳倉(cāng)施工,相鄰2跳倉(cāng)塊施工時(shí)間保證間隔7d以上(見圖12和表4)。

表4 結(jié)構(gòu)底板跳倉(cāng)施工順序

圖12 結(jié)構(gòu)底板跳倉(cāng)施工

3 結(jié)語

大面積地下室建筑結(jié)構(gòu)整體性分形建造關(guān)鍵技術(shù),高效地將大面積地下室建筑結(jié)構(gòu)平面化大為小、化繁為簡(jiǎn),進(jìn)行有組織分形,既利于施工組織、管理,又有效控制了地下室結(jié)構(gòu)底板、建筑地面的裂縫問題。運(yùn)用分?jǐn)?shù)維、分形自相似和分形迭代等原理,通過多種分形節(jié)點(diǎn)裝置有組織地設(shè)置“裂縫”,有效吸收因混凝土收縮或膨脹變形或荷載振動(dòng)產(chǎn)生的裂縫,使結(jié)構(gòu)底板、建筑地面的裂縫規(guī)律展開,達(dá)到“裂縫控制裂縫”的目的。