整理大剧院模板方案2710赫然.docx
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整理大剧院模板方案2710赫然
国家大剧院工程
模板和支撑方案说明
一、工程概况
国家大剧院位于天安门广场，东邻人民大会堂，北面长安街，是我国最大的集歌剧院、戏剧院、音乐厅于一体的综合剧院，建成后将是我国又一标志性建筑。
该工程是国家重点工程，质量目标为结构长城杯、鲁班奖。
由于其结构型式复杂，施工难度大，结构施工工期紧，质量要求高，因此也是代表我国建筑施工技术水平的形象工程。
该工程东西宽度为267m，分为三个区。
北部为201区，南北长度为147m，是车库和主出入口；中部为202区，长度为165m，是主要功能区，由音乐厅、歌剧院、戏剧院三部分组成；南部为203区，长度为122m，为贵宾出入口和消防通道。
202区是本工程的核心部分，结构复杂，方案设计时主要考虑该部分的模板及支撑设计。
202区主体部分是钢筋混凝土结构，外罩一金属结构壳体。
地下共3层，最低处结构标高为－35.00m；地上8层，最高处结构标高为33.50m。
地上、地下局部均有错层。
202区外圈为一轴线方程为（x/105.9625）2.2＋（y/71.6625）2.2＝1的超级椭圆形状的厚度为1.0m的保护隔墙，周长为569m，经确认，该墙为后砌砖结构。
保护隔墙内为框架墙，框架墙由两个同心的超级椭圆形状的弧形墙通过中间的横隔墙连接起来，弧形墙和横隔墙的厚度均为1.0m，相邻横隔墙的间距为7.80m。
框架墙高度约为22m，中间有三道楼板形成封闭空间。
框架墙用作上部金属结构壳体的承重基础。
在保护隔墙的外围有一圈混凝土墙，其下标高为－13.48m，上标高为±0.00m，周长为615m，施工时需按单侧墙施工。
戏剧院和音乐厅对称位于202区的两侧，由一半径为90.35m的圆弧墙与其他部分隔开。
歌剧院位于202区中心，其轮廓线为轴线方程（x/42）2.2＋（y/48.25）2.2＝1的超级椭圆，其余部分为公共区。
因混凝土施工方案、施工流水段及施工组织还未确定，因此弧形墙模板工程量不能确定。
现仅统计202区－22.00m标高和-7.00m标高处墙体的延长米数。
经统计，-22.00m标高处弧形墙的总延长米为3271m，直线墙的总延长米为7006m；-7.00m标高处弧形墙的延长米为2135m，直线墙的延长米为7294m。
二、设计要点
根据各部位的建筑功能要求，在三个功能区内均有一特大空间。
其中，歌剧院中心的特大空间尺寸为26.3×32.6×63.5m（长×宽×高），戏剧院中心空间尺寸为17×18.1×46.22m，音乐厅中心空间的尺寸为52.45×29.7×28.54m。
各空间顶板均有大梁，其中歌剧院的顶板大梁截面尺寸为0.75m×1.5m，音乐厅顶板大梁的截面尺寸为1.0m×3.0m，戏剧院的顶板大梁截面尺寸为0.60m×1.70m。
在202区歌剧院的上方设有一小型戏剧院，即MINI戏剧院。
由于该戏剧院底部为1.0×3.5m大梁，间距为5m，自重较大，需对其模板及支撑作特殊考虑。
202区的框架墙、单侧墙以及三个功能区的隔墙等均为弧形墙，其中框架墙、单侧墙为超级椭圆曲线，功能区隔墙部分为圆弧墙，部分为一般曲线。
在三个特大空间内，因建筑功能要求，在部分墙体上留有特大洞口，另外部分墙体兼做承重梁，设计时对这些墙体需按照墙梁来考虑。
在各特大空间内，观众席看台座椅固定在一双曲面上，施工时需对双曲面底板的模板及支撑做特殊考虑。
另外，如果将双曲面上部顶板模板的支撑直接落在双曲面上，则可能会造成支撑滑动，需要在双曲面上留预埋件，作为顶板模板支撑的支座，或采用双曲面混凝土后浇方案。
综上所述，本项目需要研究的主要技术问题为：
1、特大空间顶板模板及支撑方案；
2、特大空间混凝土大梁模板方案；
3、弧形墙模板方案；
4、墙梁支撑方案；
5、双曲面底板模板及支撑；
6、普通空间模板及支撑方案。
三、设计原则
本工程具有施工难度大、工期紧、质量要求高、影响大的特点，因此模板及支撑设计原则为技术先进、质量满足清水混凝土施工工艺要求、经济适用,同时考虑目前的施工水平和集团现有的模架及后续工程的周转性。
四、方案设计
（一）、特大空间顶板模板及支撑方案；
（二）、特大空间混凝土大梁模板方案；
（三）、弧形墙模板方案；
（四）、墙梁支撑方案；
（五）、双曲面底板模板及支撑；
（六）、普通空间模板及支撑方案
国家大剧院工程模架方案说明
方案设计之一
特大空间顶板模板
及支撑方案
编制：
审批：
北京赫然建筑新技术公司
2000年10月
一、音乐厅特大空间模板及支撑方案
音乐厅核心部位从标高-12.58m到+16.16m内，有一个52.45×29.7m的特大空间，其顶板厚度为200mm，在顶板上沿南北方向（最大跨度为29.7m）布置1.0×3.0m大梁。
根据《混凝土结构工程施工及验收规范》（GB50204－92）规定，顶板模板承受的荷载由以下四部分组成：
①、模板及其支架自重：
0.5KN/m2
②、新浇筑混凝土自重：
24×0.2＝4.8KN/m2
③、钢筋自重：
1.1×0.2＝0.22KN/m2
④、施工人员及施工设备荷载（均布）2.5KN/m2
（集中）2.5KN
经计算荷载标准值为5.52KN/m2，设计值为10.12KN/m2。
混凝土大梁底板模板承受的荷载由以下四部分组成：
①、模板及其支架自重：
0.5KN/m2
②、新浇筑混凝土自重：
24×3.0＝72.0KN/m2
③、钢筋自重：
1.5×3.0＝4.5KN/m2
④、振捣混凝土时产生的荷载2.0KN/m2
经计算荷载标准值为77.0KN/m2，设计值为95.2KN/m2。
由于顶板及大梁的模板承受荷载大、位置高，模板支撑困难。
经设计，对顶板及大梁的模板支撑提出了两套方案进行比较。
1、满堂红脚手架方案
按照传统的施工工艺，对此特大空间选用满堂红脚手架作为顶板及大梁模板的支撑。
见图NGT－Z01和NGT－Z02。
由于混凝土大梁和顶板的自重相差较大，支撑验算时按照其各自的荷载分别进行计算。
经计算，梁底支撑立杆的间距为600×900mm。
为梁侧模板支撑方便，需在混凝土梁底支撑上做一操作平台，操作平台的宽度为3.5m，因此梁底支撑除梁底立杆外，在混凝土大梁两侧还布置间距为900×600mm的立杆。
顶板支撑立杆的间距为900×1200mm。
由于该空间的高度较大，立杆验算除考虑其上部承受的荷载外还需考虑脚手架自重。
经计算梁底支撑单根立杆荷载已达到37KN，对于碗扣式脚手架在步距为600mm时，单根立杆承载力为40KN，满足要求。
施工时还需考虑立杆基础的做法。
采用满堂红方案时，立杆直接支撑在－12.56m标高处需碗扣架总重约900t。
从－12.56m标高到－22.00m标高处需碗扣架总重约200t（视楼板混凝土强度定）。
2、桁架梁方案
由于采用满堂红方案脚手架投入量太大，支拆工效低而且还涉及楼板承载力问题，提出桁架梁方案，即在垂直混凝土大梁方向布置桁架梁，大梁底部紧贴在桁架梁上，将大梁自重通过梁底模板的支撑传到桁架梁上。
同时在桁架梁中间满铺脚手板，形成操作平台，用做顶板模板和墙体模板的支撑平台。
见图NGT－Z03和NGT－Z04。
为减小桁架梁跨度，在桁架梁中间设支撑柱作为桁架梁支撑。
为加强通用性，桁架梁和支撑柱均采用格构式，截面为1.2×1.2m，标准节的长度为1.2m，桁架梁的上下弦杆和支撑柱的立杆均采用L100×10，直腹杆采用L63×5，每个标准节的重量约为110Kg。
见图NGT－Z03－1、NGT－Z03－2。
为保证桁架梁和格构柱的稳定性，相邻的桁架梁和格构柱中间通过空间构造斜撑连成整体。
由于桁架梁和格构柱处于封闭空间内，施工时无法应用大型机械，因此将桁架梁和格构柱分节设计，现场通过导链等机械进行拼接。
桁架梁方案本身提出两种选择。
一种是最大跨度为17.5m，间距为1.8m；另一种是最大跨度为12.2m，间距为2.7m。
将两种桁架梁方案的用料及荷载情况统计如表1。
音乐厅承重梁方案用料及荷载汇总表表1
序号
桁架梁间距（m）
桁架梁单榀最大自重（t）
格构柱自重（t）
桁架梁数量
格构柱数量
桁架梁总重（t）
格构柱总重（t）
工程量汇总（t）
格构柱承受荷载（t）
1
1.8
3.6
3.1
16
48
190
150
390
122
2
2.7
2.7
3.1
11
55
138
172
350
105
3、方塔架重力模板支撑系统
方塔架最大单元件单重约为10Kg。
所有构件均经过镀锌处理，可周转使用15年以上。
该支撑系统以1.8×0.9m、1.8×1.8m的方塔柱为基本单元，每个方塔柱由四个支柱、步距1.8m的水平连接杆及垂直斜撑组成，组装时要求方塔柱的四个面均需安装斜撑。
每个方塔柱可承受荷载32t，即单个支柱可承受荷载8t。
方塔柱之间通过水平连杆形成整体支撑体系，水平连杆的间距为3.6m。
当两个方塔柱连接在一起时，如果一个方塔柱的四面均已安装了斜撑，则另一个方塔柱可不再安装斜撑。
见图NGT－Z05。
支柱为φ60.5×2.8mm的圆钢管，水平连杆为φ42.7×2.4mm的圆钢管，材料均为STK500（日本标准，建筑普碳钢，σs＝355N/mm2）。
斜撑为φ27×2.2mm的圆钢管，材料为STK400，可用Q235的φ27×2.5mm圆钢管代替。
经计算，采用本方案工程量为450t。
二、歌剧院特大空间顶板模板支撑方案
歌剧院中心的特大空间尺寸为26.3×33.1×63.5m（长×宽×高）,特大空间的顶板大梁截面尺寸为0.75m×1.5m，间距为3.0m。
歌剧院中心特大空间的顶板及主梁的模板方案参照音乐厅顶板方案,支撑体系同样提出三种方案，即满堂红方案、桁架梁方案和方塔架重力模板支撑系统方案。
歌剧院特大空间采用满堂红方案时，顶板支撑立杆间距为1200×900mm，横杆步距为1200mm；梁底支撑立杆间距为600×900mm，横杆步距为600mm，需碗扣式脚手架1260t。
采用桁架梁方案时，桁架梁的跨度为8.0m，间距均为2.7m，桁架梁和支撑柱的结构型式和材料同音乐厅桁架梁和支撑柱。
见图NGT－Z06。
其工程量汇总如表2。
采用方塔架重力模板支撑系统工程量为510t。
三、戏剧院特大空间顶板模板支撑方案
戏剧院中心的特大空间尺寸为26.4×30.9×46.22m（长×宽×高）,特大空间的顶板大梁截面尺寸为0.6m×1.7m，间距为3.3m。
戏剧院中心特大空间的顶板及主梁的模板支撑方案提出三种方案，即满堂红方案、桁架梁方案和方塔架重力模板支撑系统方案。
戏剧院特大空间采用满堂红方案时，顶板支撑立杆间距为1200×900mm，横杆步距为1200mm；梁底支撑立杆间距为600×900mm，横杆步距为600mm，需碗扣式脚手架650t。
采用桁架梁方案时，桁架梁的跨度为8.5m，间距均为2.7m，桁架梁和支撑柱的结构型式和材料同音乐厅桁架梁和支撑柱。
其工程量汇总如表2。
采用方塔架重力模板支撑系统工程量为340t。
四、MINI戏剧院模板及支撑方案
在歌剧院的上方有一MINI戏剧院。
该戏剧院底板带有1.0×3.5m的混凝土大梁，间距为5.0m。
由于其自重较大，位置特殊，设计时需特殊处理。
在MINI戏剧院3.5m大梁的上部是其工作空间，其高度为8.24m，根据墙梁模板设计原则，暂不考虑其顶板对混凝土大梁的影响。
该空间的顶板及主梁的模板支撑方案提出三种方案，即满堂红方案、桁架梁方案和方塔架重力模板支撑系统方案。
MINI戏剧院特大空间采用满堂红方案时，顶板支撑立杆间距为1200×900mm，横杆步距为1200mm；梁底支撑立杆间距为600×900mm，横杆步距为600mm，需碗扣式脚手架650t。
采用桁架梁方案时，桁架梁的跨度为5.0m，间距均为2.7m，桁架梁和支撑柱的结构型式和材料同音乐厅桁架梁和支撑柱。
见图NGT－Z07。
其工程量汇总如表2。
采用方塔架重力模板支撑系统共需工程量260t。
歌剧院、戏剧院和MINI戏剧院桁架梁工程量汇总表表2
项目
桁架梁单榀自重（t）
格构柱自重（t）
桁架梁数量
格构柱数量
桁架梁总重（t）
格构柱总重（t）
总工程量（t）
格构柱承受荷载（t）
歌剧院
3.1
5.5
8
32
28.8
211.2
350
52
戏剧院
2.5
3.9
12
48
36
224.6
290
52
MINI戏剧院
4.9
2.2
9
63
52.9
163.7
234
74.2
五、桁架梁方案格构柱冲切验算
当特大空间的顶板模板支撑选用承重梁方案，支柱选用格构柱时，需对格构柱的基础做特殊设计，同时需验算楼板的抗冲切能力。
当楼板的混凝土等级为C40，达到28天强度时，楼板的抗冲切能力与格构柱的周长、楼板的厚度成正比，计算时不考虑楼板配筋对其抗冲切的加强作用。
歌剧院特大空间的格构柱支撑在箱形基础－30.00m标高处，其顶板厚度为600mm；音乐厅的格构柱支撑顶板厚度为800mm；戏剧院的格构柱支撑顶板厚度为600mm；MINI戏剧院的格构柱支撑在－6.08m标高处，顶板厚度为600mm。
当格构柱的截面尺寸为1.2m×1.2m时，楼板抗冲切验算见表3。
楼板抗冲切剪力设计值表3
项目
楼板厚度
（mm）
抗冲切剪力设计值[Fl]（t）
格构柱底部传至楼板荷载Fl（t）
验算结果
歌剧院
600
466.6
51.8
满足
戏剧院
800
691.2
52
满足
音乐厅
800
691.2
83
满足
MINI戏剧院
600
466.6
74
满足
施工中，支撑格构柱时楼板的强度还未达到设计需要的强度，而且部分楼板的厚度和结构不足以用做格构柱的基础，这样必须在楼板上设置后浇洞。
由于后浇洞的数量较多、间距较密，留设后浇洞给楼板的施工带来很多困难。
设计建议调整部分楼板的施工次序，即施工时采用先上后下的施工顺序，避免在楼板上留洞。
六、方案比较
现对特大空间的三种支撑体系方案工程量汇总如表4。
从工程量汇总表中可以看出，满堂红脚手架方案在三种方案中是投入量最大，而且是工效最低的。
但满堂红架子全是标准产品，集团储备量大，不必做新的投入，即使新投入，后续工程也可继续周转使用。
承重梁方案在三种方案中是用钢量最少的，比满堂红方案减少钢材投入约2000t，其工程造价最低，所有材料都是常见型材，而且桁架梁和格构柱本身可以做成可组合的标准节，但桁架梁方案是一次新的尝试，需要在设计和施工中不断完善，同时还存在装拆问题，以及后续工程周转问题。
方塔架重力模板支撑系统方案是一种比较先进的支撑系统，其承载力大，操作简便，工效高，而且是定型的成熟产品，质量有保证，后续工程周转方便。
但由于属于高新技术产品，技术含量较高，总造价较大。
特大空间支撑方案汇总比较表4
项目
满堂红方案（t）
桁架梁方案（t）
方塔架重力支撑体系（t）
歌剧院
1260
350
510
戏剧院
650
290
340
音乐厅
900
350
450
MINI戏剧院
650
234
260
汇总
3170
1224
1560
国家大剧院工程模架方案说明
方案设计之二
特大空间混凝土
大梁模板方案
编制：
审批：
北京赫然建筑新技术公司
2000年10月
音乐厅的顶板混凝土大梁的截面尺寸为1.0×3.0m，MINI戏剧院的底板混凝土大梁的截面尺寸为1.0×3.5m，由于这两处混凝土大梁的截面尺寸较大，梁侧模和梁底模承受的荷载较大，设计分别提出两种方案。
现以音乐厅顶板混凝土大梁为例进行方案说明。
一、梁侧模方案
1、竹胶板方案
混凝土梁侧模板选用15mm竹胶板，100×100方木做主次梁支撑。
由于胶合板的强度和刚度较低，主次梁间距较密，方木的投入较多。
为降低工程造价，减少方木的投入，混凝土大梁施工时要求分层浇筑，每次浇筑高度为1.5m。
为避免在混凝土大梁中间产生水平施工缝，施工时需控制好混凝土的浇筑时间，上层混凝土浇筑应在下层混凝土初凝前。
根据《混凝土结构工程施工及验收规范》（GB50204－92）规定，计算新浇筑混凝土对模板压力标准值为36KN/m2。
中建柏利公司曾引进英国SGB公司的定型产品S150型铝梁和钢梁等，目前该公司现有长度为1.5m的铝梁1500根，总长度为7650m。
该铝梁属于轻质高强材料，其重量为4.0Kg/m，其截面尺寸见图1，截面惯性矩为356cm4，截面抵抗矩为47cm3,相当于轻型I12＃；其静曲弹性模量为689N/mm2，相当于木材的7倍，钢材的0.33倍。
按照等刚度原则该铝梁相当于一100×143的方木，但其重量仅为木材的一半。
经计算分析，当混凝土大梁梁侧模板选用15mm厚竹胶板，按照上述方法施工时，其竖肋（100×100方木）的间距应为300mm，横楞（2－100×100方木）的竖向布置（穿墙孔的高度方向定位）自下而上为250/800/800/800/350，穿墙孔的水平方向定位为200/1020/1020/200，见图NGT－M01。
2、宽幅组合钢模板方案
梁侧模选用宽幅组合钢模板时，为减少非标板，排板时将小钢模横放竖拼，模板中间加100宽钢带，上带穿墙螺栓孔。
模板次龙骨为口100×50×3，间距为600mm；主龙骨为2－口100×50×3，由于模板组拼的限制，高度方向布四排。
经计算，在此组拼方式下，大梁混凝土可以实现一次浇筑到顶，见图NGT－M02。
3、方案比较
混凝土大梁按最大跨度29.7m，进行工程量汇总比较。
梁侧模选用15mm竹胶板，共需竹胶板178.2m2，方木10.75m3；穿墙螺栓156根。
梁侧模选用宽幅组合钢模板时，共需宽幅组合钢模板178.2m2，重量为11.05t，其中标准钢模为9t，异型钢模为2.05t；口100×50×3需775m，重量为5.3t；穿墙螺栓为132根。
以上两种方案比较可知，采用覆木竹胶合板方案一次性投入明显少于宽幅组合钢模板方案。
但竹胶板消耗严重，周转次数有限，并对施工提出了特殊的要求。
宽幅组合钢模板方案主要投入标准钢模和口100×50×3方钢管，后续工程周转方便。
二、梁底模方案
1、梁底模方案
梁底模有竹胶板和宽幅组合钢模板两种方案，梁底模的支撑与整个特大空间的支撑体系有关。
现将各种方案汇总如表4。
梁底模选用宽幅组合钢模板时，由于梁宽为1m，选择P5015的非标小钢模，模板宽度为500mm，长度为1500mm，模板纵向布置。
音乐厅梁底模模板及支撑汇总表表4
序号
梁底模
支撑体系
次梁
主梁
面板挠度
次梁
挠度
主梁挠度
支柱
1
18厚竹胶板
满堂红
5-I10#（100×100方木）@200
I14#（100×250方木）@600
0.43mm
0.04（0.2）
0.37
600×900
2
桁架梁（1.8m间距）
5-I14#（100×250方木）@200
1.21
3
桁架梁（2.7m间距）
5-I22a#@200
1.25
安全评价的基本原则是具备国家规定资质的安全评价机构科学、公正和合法地自主开展安全评价。
4
宽幅组合钢模板
（二）环境影响经济损益分析的步骤满堂红
3-I10#（100×100方木）@450
2.量化环境影响后果I14#（100×250方木）@600
B.环境影响登记表0.43mm
0.1（0.5）
为了有别于传统的忽视环境价值的理论和方法，环境经济学家把环境的价值称为总经济价值（TEV），包括环境的使用价值和非使用价值两个部分。
0.39
600×900
规划环境影响的跟踪评价应当包括下列内容：
5
桁架梁（1.8m间距）
3-I20a#（100×280方木）@200
0.85
7.作出评价结论
2.间接市场评估法6
桁架梁（2.7m间距）
3-I30a#@450
1.12
2、方案比较
混凝土大梁按最大跨度29.7m，进行工程量汇总比较如表3。
音乐厅梁底模工程量汇总表表3
序号
梁底模
支撑体系
面板
次梁
主梁
1
18厚竹胶板
满堂红
29.7m2
I10#-1.4t（或方木1.5m3）
I14#-2.4t（或方木4.5m3）
2
桁架梁（1.8m间距）
I14#-2.0t（或方木3.7m3）
3
桁架梁（2.7m间距）
I22a#-3.8t
4
宽幅组合钢模板
满堂红
29.7m2，1.82t
I10#-0.8t（或方木0.9m3）
I14#-2.4t（或方木4.5m3）
5
桁架梁（1.8m间距）
I20a#-2.0t（或方木3.1m3）
6
桁架梁（2.7m间距）
I30a#-3.5t
国家大剧院工程模架方案说明
方案设计之三
弧形墙模板方案
编制：
审批：
北京赫然建筑新技术公司
2000年10月
一、弧形墙特点
202区弧形墙主要包括框架墙、单侧墙以及三个功能区的隔墙等，其中框架墙、单侧墙为超级椭圆曲线，功能区隔墙部分为圆弧墙，部分为一般曲线。
由于本工程弧形墙在总工程量中占的比重较大，而且基本上都在比较关键和醒目的部位，因此对弧形墙模板提出较高的要求。
弧形墙模板侧压力标准值按60KN/m2进行设计。
二、弧形墙模板方案
弧形墙模板考虑三种方案，一是以直代曲，用直线模板代替圆弧模板；二是直接加工弧形模板；第三是引进DOKA大面积弧形墙模。
1、以直代曲方案
采用本方案模板的通用性较好,加工和应用简单,但本工程混凝土成型质量要求高，模板必须按照混凝土表面成型质量要求的精度控制其宽度，见图2。
以框架墙和歌剧院中心的弧形墙为例，当矢高分别控制在1mm～3mm时，在曲率最大和最小处，模板宽度应小于表5中数值。
矢高与模板宽度对应表表5
矢高（mm）
E1max（mm）
E1min（mm）
E2max（mm）
E2min（mm）
模板数量
1
1880
1060
1090
890
3500
2
2580
1460
1500
1220
2900
3
3100
1750
1800
1470
2400
由表5可以看出，如果按此宽度范围加工模板，弧形墙模板数量将非常多，这对施工来说是不现实的，因此必须加工弧形模。
但对于部分大曲率的弧形墙可考虑采用本方案以节省模板的投入。
另外，部分混凝土成型质量要求较低的部位，如框架墙内墙皮，由于属于封闭结构，不影响结构的使用和安全要求，在施工中可以考虑采用本方案。
2、弧形模板方案
传统的弧形模是用钢材加工成特定曲率，满足特定墙体使用。
由于本工程弧形墙在总工程量所占的比重较大，弧形模投入较大，而且弧形墙曲率变化繁多，部分弧形墙为非常罕见的超级椭圆，各部位的曲率互不相同，如果加工成定型模板，在本工程中周转次数有限，以后周转使用的可能性也非常小，必然造成极大的浪费。
经设计优化并参考国外先进经验，提出一种新的弧形模加工和使用方法。
对部分大曲率的弧形墙采用可调式弧形模，小曲率弧形墙采用定
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