中铁十一局集团桥梁有限公司
摘要：城市交通建设中，地形复杂多变，当现场施工条件无法满足现浇施工时，多采用构件在预制场预制后到现场安装的施工方案，而为考虑施工的便宜性，构件多设计成标准定形结构，然而城市轨道交通中存在特殊地段要求了非定形结构的存在。本文根据新加坡大士西延伸线非定形永久性巨型预制壳模构件施工案例，研究总结出一种新型的矢量模型调整施工方法，为城市及土地资源紧缺的地区有很大的借鉴性。
关键词：非定形；预制构件；矢量模型调整法
1 前 言
1.1 由于建筑行业技术的飞速发展，混凝土预制构件在国内市场运用愈加广泛，大部分的混凝土产品通过定形的模型预制，起到了缩短工期的作用，并且集约化组织，便于管理，给施工单位也带来极大的便利。
定形预制构件通过一套固定的模型完成其尺寸放线要求，而其主体模型结构不可调整或局限性调整，再通过内部原位钢筋绑扎方式或外设胎具整体绑扎方式进行钢筋工程作业，最后合上内模等，完成混凝土作业，形成定形的预制构件。如：箱梁、T梁、轨道板、轨枕等等均属于定形预制构件。
然而城市轨道交通中存在特殊地段要求了非定形结构的存在。
1.2 新加坡大士西延伸线项目处于城市区域，车流量大，环境拥挤，在本项目中使用了一种新型的公路铁路双层混合高架设计，该设计在很大程度上减轻了城市交通建筑物的占地面积需求，同时满足了城市线路多变的特性，缓解了城市交通紧张的压力。
由于公路盖梁现浇施工占用工作面大，占用道路时间长，对既有的公路交通影响颇重，且在部分地区不具备现浇施工条件，于是提出一种新型的施工方式：在预制场分段预制好混凝土盖梁壳模，再吊装到墩柱上后张拉成一个整体的大壳模后，使其充当盖梁的模板，再进行内部的后续施工，完成盖梁的成型，以满足不影响既有公路正常通车，缓解交通压力，该施工方法对城市及土地资源紧缺的地区有极其巨大的借鉴性。
1.3 由于该项目的曲线线路走向多变、桥面宽度长短不一且桥面横纵坡度也不同，让公路盖梁的外型无法固定，为减少模型投入，本项目标准化了中段壳模，采用一套标准定形模型完成生产，桥面的所有变化集中到边段盖梁上，由此导致了边段壳模产生大量非定形结构（盖梁分TYPE 11和TYPE 33两大类共56榀盖梁，其中每个盖梁又分别分东线、西线及中段三部分，112段边段壳体均有区别），如果继续采用传统的定形结构施工方法来预制边段壳模，模型投入量过大，不利于工程的经济合理性。使用较少的模型投入，完成本工程所有的边段不定形预制构件的施工是本工程的重难点项目，从模型设计伊始，便考虑多类型边段壳模共用一套模型，并在是施工中不断完善施工方法，提出了非定形永久性巨型预制壳模构件矢量模型调整施工工法。
1.4 矢量模型调整施工工法的出现正是为解决边段盖梁壳模以及类似非定形永久性巨型预制壳模构件施工而研究总结出来的一种新型的工法。
2 工法特点
2.1 本工法中涉及到的非定形永久性巨型预制壳模构件矢量模型调整施工工法，是将矢量法这种简单的数学理论充分运用在边段盖梁变化多样的复杂的情况中，以一套模型就可以满足所有一大类型的边段生产要求， 减少了边段模型的配置数量，节约场地，并能满足施工现场随用随制的要求，极大保证了工程工期并提高了经济效率。
2.2 采用非定形永久性壳模结构上矢量模型调整法进行模型边段模型的调整，充分简化了调整方式，满足了用工少，成效高，调整精确，质量稳定的特点，从质量和进度上高度迎合了现代建筑施工高效经济的要求。
2.3 该工法配套于巨型预应力盖梁采用预制的方式进行，适用于发达的城市及寸土寸金的发达国家，使得在城市中进行高架建设变的更为简单可行，施工作业上保障了整体工期。
模型矢量调节法改变了传统模型思路，在边段模型调整过程中，通过矢量组合的形式，由“S”弧线段的准水平移动和平弧段的垂直移动完成边段因横坡变化带来的变化，过渡直线段平顺连接两个弧线段，完成线路幅度的变化，最后端模根据不同横坡进行旋转实现边段与中段的完美过渡，边段模型的调整由此完成。
通过此种方法，一套边段模型可以生产所有尺寸变化的边段壳体中的的任意一个，也实现了资源最优化的经济合理要求，是盖梁施工技术总结方面的最为重要的成果。
3 适用范围
本工法适用于非定形永久性巨型预制壳模构件工程。
4 工艺原理
4.1 边段盖梁壳模设计原理
盖梁设计图的设计思路：
① 分别以墩柱和中段盖梁左右接触点为起点，将顶面坡平移下来，然后各取10米为弦做一个30米半径的弧线段，30米弧线段类似两翼伸开。
② 依据顶面坡度线定位边段盖梁的S型弧线段位置。
③ S型弧线段与30米半径弧线段之间用一条直线连接。
4.2 研究边段盖梁壳模设计图后的结论
在研究所有边段盖梁的设计图纸中，我们找出边段盖梁的设计共同点：
将所有的边段盖梁设计图在CAD软件上绘制出，并以顶面坡度线为基准，发现通过建块整体平移能使得AB弧线段部分能完全重合。
结论1：所有边段盖梁，AB重合段时，顶面的EG坡度线也完全重合。故可以把顶面坡线EG和弧线段AB段看做是一个整体。
将所有的边段盖梁设计图在CAD软件上绘制出，并经过建块旋转到顶面基准坡度后，将C点重合，发现所有的边段盖梁的CD段重合，顶面坡度线部分重合，部分平行。
结论2：所有边段盖梁CD段重合时，顶面坡度线EG平行或重合（我们将其视作全部平行）。
4.3 边段盖梁模型底模线形和组成
根据对设计图的研究得出的两个结论，将整个底模分成三部分来制作，即AB弧线段、AC直线调整段、CD 30m半径弧线段，底模的调整也是矢量模型调整法的关键部位。侧模EGAD则不需要考虑线性，能满足顶部的坡度及最大梁体EG的长度即可。
模型制作前，需要对所有的边段盖梁的各部分数据进行统计，取模型最大宽度来订做模型，以满足所有盖梁的需求，如梁长度变化非常多样，则可考虑将A1至C1直线段部分分为多块进行制作，利用组装方式达到各种需要的尺寸。
模型安装时，必须保证底模定位牢固。以设计图中边段底模线形与顶面为标准坡度时的底板线形高差来定位，边段底模由三部分组成，即固定S型弧线段、直线调整段、C1D130m半径弧线段。A1、B1、C1、D1分别对应设计图中的A、B、C、D。
模型安装时，必须考虑预制的便捷性，因此将模型的S型弧线段做成在标准坡度滑动工字钢上推送的可移动部，这样做的目的是让S型弧线段悬挂在顶面的标准坡度上沿顶面坡度平动，达到结合上述结论1的特点。而C1D1则要做成可以在垂直方向上上下整体移动的方式，从而达到结合上述结论2的特点。
放线前要将所有盖梁边节段壳体在设计图上转换为基准的坡度（符合现场梁体模型坡度）后，再在图上选定控制点放出大样。
5 施工工艺流程及操作要点
5.1 工艺流程图
5.2 首次模型定位调整
①首先测量底模长度与宽度，保证底模宽度满足设计要求，并检测各部分底模的线形是否与设计一致。
②用水准仪测量底模各控制点位的高差，使底模线形符合即将预制的首榀边段盖梁要求。
③根据底模的线型放出顶面标准坡线，并刻画在侧模上，做永久记号，该记号即为矢量模型调整法的固定顶面坡线。
④再根据相应的控制点位找到端模的位置，放线定位。
⑤核查顶面坡线、底模三部分的位置以及端模位置，完成模型首次定位调整工作。
5.3 生产过程中底模定位调整（矢量模型调整法）
边节段盖梁壳预制过程，需要给予现场调整数据进行快速调整模型，避免盲目拼凑，反复拼拆影响精度及进度（主要指30米半径弧形段的上下尺寸调节，该尺寸如在拼模前不给出指定的数据，现场拉开S型弧线段后，按图纸的活动直线段加入调整模板后，会与30米弧线段的模型形成错台，需事先在图纸中量测出上下调整的数据，然后安装活动直线段时，使直线段与30米半径的弧线段处圆滑连接）。
快速调整模型数值确认方法：
盖梁壳模结构须预制出不同的横坡，横坡变化范围-3%到3%之间，因现场安装模型时候均按照标准坡进行，所以我们在CAD图中将所有的非标准坡边段盖梁参考标准坡度旋转后，以标准坡度进行预制。
不同长度边节段叠加图（下侧绿线为平行顶面的标准坡度线）
上图为挑选M022的2个边段旋转后按S型弧线段叠加后的示意图，图中可以发现顶面坡度重合，此时，在下侧右边分别标记出两个边段盖梁30米半径弧线段的点，并以其中一点（图中以靠下的红色点）做一条平行于顶面标准坡的线，再以另一点（紫色点）做一条铅垂线，其交点与这两个点闭合形成的一个三角形，模型的调整的数据就可以按照该三角形的数据进行。（如细图，红色点移动至紫色时，要先按绿线标准坡移动276mm，再竖直向上移动33mm）。
红色点移动到紫色点需要调整的数据（矢量合）
矢量法运用：
如前所述，盖梁边节段底部模型分为梁体30m半径弧线段底缘+变化长度斜线段+S形弧线段，而矢量法的核心是将模型尺寸的调节分三步按矢量组合的原理来完成。
举上图为例，假定开始上一片预制的是蓝色边段盖梁壳体，而现在要开始预制紫色边框的边段盖梁壳体，步骤如下：
第一步，将模型S型弧线段沿模型安装的基准坡度（首次安装必须保证S型弧线段的滑动轨道与标准坡平行，该基准坡同时也是顶面标准坡）方向拉长至所需尺寸（该尺寸就是图中的276mm），拉伸后，模型的底部在详图红色与紫色处会出现空档。
第二步，再将30米弧线段部分通过模型下部的多组花篮螺杆将模型整体上移33mm。
第三步，在已经移动到位的S型弧线段和30米半径弧线段之间，增加模板并加垫钢板，保证斜线段的直线度且与S型弧线段及30米半径弧线段完美连接。
从统计表中，可以直接找到需要调整30米半径弧线段的高度值，该统计表对现场实际调整有指导性意义，在按该表进行30米半径弧线段调整后，再将活动直线段底板增加或减少，并完成活动直线段与30米弧线段拼接（垫钢板以保证活动直线段与30米半径弧线段接缝出无错台），然后再将S型弧线段模板推送就位。
采用此种方法，只需要在CAD图中将所有图进行叠加转换，统计出矢量变化的数据，就可以将所涉及到的边节段盖梁壳体所有变化情况全部简易的预制出来。
下表中统计出新加坡项目大士西延长线C1687标段的TYPE33型（TYE11型变化种类少，不做考虑）所有边段盖梁壳体30米半径弧线段垂直移动数据情况，右侧蓝色部分显示的数据即为相对基准边段盖梁的移动高度（基准边段盖梁为TYPE11型，垂直移动数据为0，故未列入表内）。表内所标E、W分别为线路的东西线，表中数值后者减前者差值为0，即看做30米半径弧线段不需要移动，差值为正则需整体上移，差值为负则反之。然后按梁长调整好S型弧线段位置（也可统计出S型弧线段的拉伸距离，因拉伸距离也来源于梁体长度，因此不再统计），最后增减斜直线段，固定模型，即完成模型底模的矢量法调节。
上图蓝色板块中可以发现M022左右两侧数值差值（84-51=33mm）与矢量示意图中符合，印证了矢量法在模型调整中的实用性。
在预制中，我们就依据矢量模型调整法，在标准坡轨道上推拉S型弧线段、增减活动直线段、在直线段与30米弧线段处垫铁板、上下同步调整30米弧线段这四部来完成底模的变化，以适应不同梁型的需求。该方法快速准确，在每次模型调整完后进行尺寸校对时，均能保证在合格范围内，其高效经济性能对整个边节段盖梁的预制施工作业带来了非常大的便利。
6 材料与设备
6.1 主要材料
本工法无需特别说明的材料，采用的机具设备见表6.1：
7 质量控制
7.1 质量控制标准
所有原材料、施工工艺应严格遵守最新版新加坡LTA设计标准和M&W规范、英国BS 5400、BS 4449、BS 4466相关标准以及随着本合同段工程的一般技术规范和特定技术规范。
7.2 质量控制措施
7.2.1严格按照LTA最新版M&W规范进行质量管理，按作业指导书进行操作。
7.2.2加强原材料检验。
7.2.3 加强测量监控，及时反馈和分析测量数据。
7.2.4 定期对模板及其支架体系进行检查和加固。
8 安全措施
8.1安全管理措施
8.1.1 施工人员参加安全培训，所有工程管理人员和安全督工都必须经过新加坡当地BCSS（安全督工培训课程）课程的培训，并通过考试；所有工人都必须经过新加坡当地安全培训CSOC(建筑安全培训课程)，方可上岗。
8.1.2 落实安全生产责任制，明确各级安全生产职责，并建立考评制度。
8.1.3 建立安全生产管理各项制度、组织定期进行检查，保证工程施工生产安全可控。
8.1.4 确定安全目标，并组织对目标进行分解，建立安全目标管理体系。
生产区域要有明显的警示标识,进入生产区的所有人员必须遵守生产区域的各项安全制度。
8.2 安全技术措施
8.2.1 拆、装模过程会频繁用到龙门吊，起重班必须为持证上岗人员,遵守操作规程。
8.2.2 模型板人员必须经过培训和交底，并确定熟练掌握模型拆装步骤后，方可上岗作业。
8.2.3拆、装模过程多为高空作业，作业人员必须按照规定佩带安全设施,起重工与司机要密切配合。
8.2.4施工临时用电安全防护, 配电系统采用分级配电，各类配电箱，开关箱的安装和内部设置必须符合有关规定，电器开关应标明用途。焊接线应双线到位，不得借有金属管道、脚手架、结构钢筋做回路接地线，焊接线应无缺损，绝缘良好。电焊机设置地应防潮、防雨、防砸。
8.2.5 每台龙门吊必须由4名专业人员组成，分别是指挥员、操作员、信号员、装配员。吊装采用两台龙门吊同步运输，指挥时尤其要注意给的信号一直，避免安全隐患。
8.2.6 模板操作平台面不能出现局部漏孔现象，必须设置防护栏和护栏底部踢脚板并经常检查，如有损坏应及时修复。
9 环保措施
9.1 环境保护按照工程所在国、所在地相应法律法规制定措施。
9.2 设置污水处理系统和临时污水沉淀设施，生活废水通过专门通道排入排水渠。
9.3 空气污染保护措施：
9.3.1 有毒有害废弃物集中回收，监测和控制机械设备、车辆尾气排放。
9.3.2 散料或粉状料的堆放和运输加盖篷布或采取封闭措施，防止沿途漏洒、扬尘。
9.3.3 制定专人定期洒水清扫，避免扬尘。
9.3.4 根据施工场地整体规划，生产及生活区周边进行适当绿化，种植抗粉尘、吸收有害气体的树种。
9.4固体废弃物保护措施
9.4.1生活垃圾在指定的地点倾倒、堆放，不得随意扔撒和堆放，定期进行处理。
9.4.2制作钢筋等废料存放箱。加工棚等施工现场产生的废弃钢筋需要集中收集到钢筋存放箱以回收利用，禁止随意丢弃。
9.5振动和噪声污染保护措施
9.5.1采用低噪声机械设备和运输车辆，使用过程中经常检修和养护，保证其正常运行。
9.5.2 搅拌机、电锯、振动棒等噪声大的机械设备的使用地点尽量远离附近噪声敏感点，操作工人采取必要的隔音措施。
9.5.3 合理安排施工作业时间，尽量不要安排在夜间浇筑混凝土。夜间施工时避免安排噪音很大的机械。
（1）废弃材料分区堆积，及时清扫，工作通道无破碎物、废弃物其其他障碍。
（2）腐蚀性化学品规定使用和存放区域，以免影响公共设施。
（3）建场时考虑排水和排污系统并便于场地恢复。
（4）定期对现场喷洒杀虫剂，保持施工现场无积水，避免疫蚊滋生以及登革热疾。
（5）制订环境污染管理办法，编制有毒废弃物管理和处理方案。
9.6 环保监测手段
9.6.1废气监测。对不同类型废气和除尘设备进行监测，监测周期3个月，每次监测时间不少于2个小时。根据监测结果适当增加监测频次。
9.6.2 废水监测。监测分析污水处理设备的进、出水及废水总排放口，每季度1次。
9.6.3 噪声监测。对项目现场环境噪声每季测定1次（测定分昼、夜进行）。
9.7竣工环保要求
工程竣工后，对弃土场、生产生活用地及施工便道等，按照工程所在地主管部门的要求进行复耕或绿化，同时修建好排水系统。
10 效益分析
10.1 经济效益分析
10.1.1非定形预制壳模+芯部现浇与现浇法施工对比分析
非定形预制壳模构件生产线共设置有7套模型(2套T11，1套T33)，其中3套用于中段壳体的预制，4套用于边段壳体的预制。中段壳体预制期最短为7天，边段壳体预制期为6天。因中段有56个（T11有33个，T33有23个），边段有112个，从模型上分析，3套中段模型中利用次数最少的是T11模型，其周转次数为16次，4套边段模型中利用次数最少的是T33模型，其周转次数为23次，就其周转次数来看，较现浇法作业成本降低。
预应力短管固定工装、巨型预应力盖梁U型壳模吊架两项实用新型已申请国家专利，其中预应力短管固定工装对预应力定位体系的精度控制起到了决定性的作用。
结论：从上表可以看出非定形预制壳模预制后到现场进行芯部现浇施工方案从模型配置数量、工期及道改要求上均较现浇法施工有优势。
10.2 环境效益分析
本工法采用集中工厂化施工，避免了在施工现场大量场地占用，消除了对城市交通的严重影响。施工产生的噪音、粉尘、废弃物等污染得到降低，环境效益显著。
10.3 节能效益分析
10.3.1 节能效益。本工法采用工厂化短线预制，施工能源统一管理，合理分配，施工活动半径小，耗能设备可进行集中节能改造，较现浇和整孔预制方法节能效益明显。
10.3.2 节地效益。本工法采用短线法进行预制，与现场预制或长线预制相比，场地面积需求小，成本大幅度降低。
10.3.3 节水效益。本工法采用短线法预制，相对于整孔预制而言，洒水养护面小，挥发量小，保湿时间长，总体节水效益明显。
10.4 社会效益分析：
新加坡大士西延伸线非定形预制壳模工程，共计56套（168段），其中TYPE11型（位于公路、铁路两用高架桥段）有33个、TYPE33型（位于公路高架桥段）23个。自2013年8月16日预制首个盖梁中壳段至2015年4月20日预制最后一个边壳段，盖梁壳预制实际预制耗时612天，满足了新加坡陆路交通局工期要求，施工过程中无任何安全事故，质量优良，得到监理、业主肯定。
2014年2月，新加坡项目部《预应力盖梁预埋精度控制》QC小组获中铁十一局集团QC成果二等奖。
11 应用实例
11.1 新加坡MRT TWE项目盖梁边段壳体均采用矢量法进行调整预制。
11.2 新加坡MRT Tuas West Extension Project Contract 1687项目主要包括EW31高架、车站的施工，全长4.3km，其中含约2.2公里的铁路公路双层高架桥，5条公路匝道高架桥。合同段主要包括公路高架桥和公铁混用双层是高架桥及一座铁路高架车站。公路高架桥为双向四车道，铁路高架桥则为双线铁路。其中公路高架桥由于车道数量较多，横向占用繁忙路段路面空间较大，传统的支架法由于其占地面积达，阻碍交通等局限性，在该项目已经不适用了。以大型预应力壳体作为盖梁的模板并后期作为永久结构的一部分的施工工艺能够很好的解决占地面积大的问题。
盖梁边节段的变化繁多，给模型工程的调整带来了非常大的不便，模型的设计及矢量法的调整原理从很大程度上改进了生产工艺，提高了功效，使得边节段的施工工艺变得简洁，从而在盖梁预制工期上保证整个线路的进程顺利，经济合理上来也优于现场现浇施工作业。
11.3 C1687公路高架 (TYPE 33型)
此标段采用本工法施工。施工标准为英国标准。
标段含23榀适用于4米长类型墩柱的巨型薄壁壳模结构，每榀巨型薄壁壳模结构分三段进行预制。壳模结构吊装上桥，完成部分芯部浇筑、张拉完毕预应力，再灌注芯部混凝土。整个施工过程实现了对周边环境影响最小化，工序衔接紧密，达到流水式作业,即前一片盖梁完成吊装，随即可实现下一片盖梁的准备、运输、吊装工作。
图11.1 薄壁壳模结构浇筑及上桥后实物图
11.4 C1687公路铁路两用高架 (TYPE 11型)
此标段采用本工法施工，施工标准为英标。
标段含33榀适用于6米长类型墩柱的巨型薄壁壳模结构，每榀巨型薄壁壳模结构分三段进行预制。
6米长墩柱类型为双层高架结构，而完成中间段芯部混凝土浇筑后即可直接施工顶部的铁路高架结构，灵活实用，并有效节约工期，经济、社会、环境效益好。
图11.2 薄壁壳模结构浇筑及上桥后实物图
11.5 应用效果
该工法的成功应用，大大缩短了边节段盖梁的预制周期，极大的缩短了盖梁整体的工期，而且在质量控制上起到了关键的作用，推动了整个新加坡项目的总体进度。该工法获得了业主和监理单位的一致好评及推广。
论文作者:李运喜
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2017年2月上
论文发表时间:2017/6/7
标签：模型论文; 弧线论文; 矢量论文; 坡度论文; 半径论文; 壳体论文; 新加坡论文; 《建筑学研究前沿》2017年2月上论文;