高大双曲面仿古城墙安装精度控制

唐礼平,胡笳,蒋家梁,梁家瑜, 乔亚伟,刘贵富,蔡昌红

重庆市渝中城市建设投资有限公司重庆400000

摘要：古城墙是我国历史文化遗产的一部分，是城市历史发展的见证，更是贯穿古今文明的体现，古城墙以它鲜明的建筑特色和发展过程，向世人展现了中华民族文明的底蕴与内涵。而因历史的变迁，许多古城墙因战争、自然灾害、城市的更新建设等各种原因而遭到损坏或人为拆除，很难再寻觅到当初的痕迹。随着现代社会经济的发展和城市文旅建设投入的加大，各地仿古城墙的设计建设也相应增多，其中高大双曲面仿古城墙为一种特殊的城墙类型，其特征为城墙高度高，外观为双曲面结构，施工难度大，技术标准高。通过对高大双曲面仿古城墙安装精度控制的研究，形成一套成熟的施工工艺技术，同时也适用于部分其他双曲面仿古城墙结构的施工质量控制。

关键字：仿古城墙，双曲面，石材

引言

朝天门是长江、嘉陵江两江枢纽，也是重庆最大的水码头，城门原题有“古渝雄关”四个大字。据史料记载，1927 年，重庆设市，为了扩大城市规模，解决街道狭窄和交通拥挤问题，重庆开始进行近代市政建设，其内容主要是扩建码头和拓宽道路，包括城墙、门楼和房屋在内的旧建筑被成批拆除，朝天门因其交通上的重要性，首当其冲，成为在这一轮大拆大建中，第一个被拆毁的城门。朝天门城墙的重建，最大限度的还原朝天门码头的风貌，将原有朝天门码头元素加入朝天门里面设计中，沿江利用大量青砂岩仿古做旧后，利用垒砌的手法，还原历史上朝天门城墙、门洞。根据现存的三处重庆古城墙开门遗址的有关数据和历史资料，由此确定朝天门设计的初步比例，使得朝天门观感更为雄伟高耸。

1.高大双曲面仿古城墙介绍

复建的朝天门城门为高大双曲面仿古城墙设计，双曲面仿古城墙的双曲面由平面上的曲线和竖向上的拱门洞两个曲线交会切割而成。城墙的平面设计为圆弧半径 21.5 m、长度45m的曲线段城墙，竖向设计为圆弧半径为3.5m的半圆拱门洞城墙，竖向拱门洞拱顶高12.7m，拱脚高9.2m，左右拱脚下为仿古城墙墙体，门洞宽7米，拱门洞上部城墙顶剑垛高17.3m。整个城墙为仿古石材看面和墙后的钢筋混凝土结构组成的复合墙体。仿古城墙石材由基岩段、过渡段、标准段、剑垛段组成。基岩段共三层，总高度为3m，厚度分别为900mm、850mm、800mm，高度为1000mm、2000mm，长度为1300-2800mm不等；基岩段上为过度段、标准段，其厚度为700mm；顶部为箭垛段，厚度为850mm，标准段、剑垛段高度为400mm，长度多数为500、600、800mm；在过渡段中有个别大的石材高度为800、1200，长度为800-2000mm不等；城墙石材背面为450mm厚的钢筋混凝土剪力墙。拱门洞拱圈石材为两层，一层拱圈石材为350mm厚，二层拱圈石材为250mm厚。仿古城墙的石材由本地青砂岩进行仿古做旧加工而成，整个城墙的设计参照重庆本地现存古城墙及历史资料，其造型设计具有西南地区特有的古城墙的气息。

2.双曲面石材安装控制重难点

双曲面仿古城墙竖向拱顶标高12.7m，已达到《危险性较大的分部分项工程安全管理规定》（住房城乡建设部令第37号）中超过一定危险性较大的分部分项工程“混凝土模板支撑工程：搭设高度8m及以上，或搭设跨度18m及以上，或施工总荷载（设计值）15kN/m2及以上，或集中线荷载（设计值）20kN/m及以上。”拱圈模架搭设、石材定位和吊装等难度非常大。

双曲面城墙石材数量庞大、造型复杂、规格多样、排布错综复杂，双曲面上每一块石材均为异形石材，同时异形整体石材尺寸较大，城墙高度大。尤其对拱圈石材部分，作为双曲面城墙的控制重点，不仅对石材的加工精度要求高，对石材的平面和立面的安装精度要求也很高，给安装施工带来非常大的难度，同时对外观效果的控制要求也极为严格。

3.深化设计

石材加工前，根据设计图纸，对双曲面仿古城墙石材逐块进行深化设计。为了提升加工精度、保证加工质量、提高施工精度，项目人员使用建筑信息模型（Building Information Modeling,BIM）技术，对高大双曲面仿古城墙进行高精度建模，并对每一块石材进行拆解建模、编码，根据模型进行石材精准加工，通过模型的可视化，设计和施工中遇到的问题能够在模型中展现和解决，模型的精确程度越高，能应用的程度就越高。

4.石材加工

对于双曲面仿古城墙的石材加工要求，为保证石材拼装精度和现场安装的效果，防止石材安装后的误差和成型后的累计误差过大，双曲面城墙的仿古石材加工时加工精度控制在 ±5 mm，内外弧线误差控制在 ±5 mm，整个弧形极差控制在 ±10 mm。

石材BIM深化设计完成后，根据深化设计成果图纸进行石材加工。由于双曲面城墙石材为仿古石材，城墙在平面上为弧形，在竖向上为拱形，故每块石材均为异性，石材加工工序多，加工程序复杂，其加工精度难以保证。为保证加工精度符合要求，石材加工采用大型现代化加工设备。在石材正式加工前，预先对加工设备进行调试，对工人进行技术交底，并派专业技术人员现场指导预加工样品，对加工样品的成品进行综合点评和加工重点要点总结，并根据加工过程中出现的问题和难点对加工工艺进行优化。石材加工过程中，由专业技术人员全程指导，每一步加工工序完成后均进行转序验收，每一步工序不合格的产品不能进入下一步工序，保证最终的成品加工精度满足要求。

5.石材验收

双曲面城墙石材加工完成后，进行成品验收，根据BIM深化设计模型，对每块石材的尺寸和做旧效果进行检查，对不合格的产品进行返工处理。当所有双曲面城墙石材加工完成并验收合格后，在工厂进行排模试拼装，拼装完成后，检查双曲面拼装精度、尺寸、仿古面构造等是否满足要求，并组织各方进行联合验收。对验收中指出的问题进行整改处理，对验收不合格的石材进行返工重做，并重新进行预拼验收，验收合格后才能安排石材出厂，以保证石材满足现场安装精度的要求。

石材运送到施工现场后，安排各方对石材逐一进行进场验收，主要检查石材在运输过程中是否有磕碰损坏，仿古面是否有污染破坏等，对不合格的石材进行返厂，验收合格后填写石材进场验收合格单，即可进行现场安装。

6.石材定位安装

6.1门洞两侧基岩及墙体石材定位安装

拱门洞拱圈下左右两侧墙体为直墙，墙体分为基岩段、过渡段、标准段，墙体高9.2m直到拱脚。

6.1.1石材定位

首层基岩石材安装前，将首层基岩石材定位线及墙体石材看面50cm控制线定位在石材安装基础地面上，使用墨线弹出控制线并用红漆标识清楚。定位完成标识清楚后，复核检查标示线的位置、尺寸，检查基础标高是否符合要求，其定位精度控制在±5mm，标高精度控制在±5mm。

首层基岩安装完成后，即进行基岩安装，其后续每层石材安装前，均进行定位放线，严格控制石材的平面位置和标高。保证其定位精度控制在±5mm，标高精度控制在±5mm。

6.2.2 石材安装

石材安装应左右墙体对称安装，安装过程中应相符校核。基岩及墙体石材看面为干缝拼装，正面无缝，石材后部

石材定位控制线定位完成后，即进入石材安装工序。石材安装采用逐层安装方式，待一层石材全部安装完成并检查合格后，才能安装上层石材。石材安装前，要检查石材的尺寸是否与设计图纸相符，棱角、仿古看面是否完好，检查石材安装定位线、安装基面标高是否符合要求，定位线不符合要求时应重新定位，基面标高不符合要求时，应对基面进行打磨调整，以保证石材安装精度。

石材吊装应轻起轻落，缓慢吊装就位，不能挤压、磕碰已安装好的石材，也不能用撬棍等撬动石材，以免破坏石材棱角、仿古看面，保证石材的成型效果，或使已精确安装的石材发生偏位，影响安装精度。当石材吊装落位后发现偏差较大的，应重新起吊安装，不得拖拉、撬动石材，避免破坏石材棱角、仿古看面。石材就位偏差较大时，不得拖拉、撬动、切割石材，以免影响成型效果，应重新起吊并检查偏差原因，待问解除触后重新进行吊放安装。每安装完成一块石材后均应检查其安装位置、标高、拼缝是否符合要求，如果超出要求的，应对石材进行打磨调整或重新起吊安装。

每层石材安装完成后，应对整层石材进行平面位置、标高、垂直度、平直度检查，平面位置精度控制在±5mm，标高精度控制在±5mm，垂直度控制在8mm。偏差超过要求的，应进行调整、打磨；偏差过大无法调整时，应进行拆除返工处理，使整层石材完工后达到控制要求。

基岩和拱门洞左右两侧墙体石材安装完成后，检查墙体的平面位置、标高、垂直度，其平面位置精度控制在±5mm，标高精度控制在±5mm，垂直度控制在8mm，检查不合格的，应进行整改处理。验收合格后，将墙顶拱脚基岩石材面打磨平整，保证拱圈石材安装基面满足要求。

6.2拱圈石材定位安装

拱门顶拱圈直径3.5m，拱脚高9.2m，拱顶高12.7m。基岩和拱门洞左右两侧墙体石材安装完成并验收合格后，即可进入拱圈石材的安装，拱圈石材的安装质量，是影响整个双曲面仿古城墙成功与否的关键。

6.2.1模架搭设

由于双曲面仿古城墙的竖向拱顶高12.7m，模架为高支模，模架搭设前根据设计图纸和现场情况编制专项施工方案，并组织专家论证，论证通过后进行现场模架搭设。模架宽5米，长7米，高12.7米，为防止模架不均应沉降与变形影响城墙石材安装精度，模架架体采用钢管搭设，拱圈方向主楞采用工字钢定型弯制加工而成，次楞垂直拱圈方向采用木方铺设，然后在木方上铺设模板并固定。模架搭设完毕后，进行检查复核，对拱架模板定位、拱圈的长度、半径、直径、弧长、拱架顶中轴线标高、两边拱脚标高、模板纵向的平直度等进行检查，其搭设精度控制在±5mm，检查发现如有不符的，应进行整改，使拱架模板安装精度达到要求。

初步检查复核通过后，对模架进行预压，预压荷载取模架设计施工期荷载的1.1倍，以检查模架的弹性形变，消除各种非弹性形变，预压期间对模架进行变形监测，并定期对监测结果进行分析，检查模架是否发生不均匀沉降，根据变形监测成果调整模架，保证城墙石材安装完成后精度满足要求。模架预压合格后，应组织对模架进行验收，验收时再次对拱架模板拱圈的半径、直径、弧长、拱架顶中轴线标高、两边拱脚的标高、模板纵向的平直度等进行检查。模架复核无误验收合格进入下一步工序。

6.2.2石材定位

由于双曲面仿古城墙石材在平面上为弧形，在竖向上为拱形，城墙石材由两个放线的弧形交会切割而成，对石材的安装精度要求高，故对石材的定位精度的要求也很高，要求每块石材的平面定位精度应控制在±2mm，标高精度控制在±2mm，累计平面误差控制在±5mm，累计标高误差控制在±5mm。

模架搭设完成并预压验收合格后，根据城墙设计图纸和BIM深化设计图纸，计算出城墙每块石材的定位坐标和标高。并使用全站仪将拱脚边线、拱顶中线，拱的前部和尾部定位线、每块石材的4角定位点测设在模架顶部，用墨线弹好控制线并标识清楚。定位完成后，对照仿古石材的BIM深化图和石材定位图，逐一检查每块石材定位线的位置、尺寸和总尺寸是否符合设计要求，并使用水准仪检查每块石材定位处的模板标高是否符合要求。对检查不符合要求的，应进行重新定位或调整模板，保证石材安装精度满足要求。

6.2.3石材安装

双曲面城墙石材的安装顺序为从拱脚处开始左右两侧对称安装，不能从左至右或从右至左依次安装，也不能先安装完一侧后再安装另一侧，这样对石材的合龙不利，也会对模架造成偏压，影响安装精度。两层拱圈石材应分别安装，二层拱圈石材应待一层拱圈石材合龙并检查无误后方可进行，避免两层石材安装同时出现问题，亦能在出现问题是方便整改。

石材安装工艺为干缝拼装，两相邻石材直接拼装，拼缝处无砂浆槽等进行调整，故安装过程中的误差会不断的向后累积，且每块石材均为异形，如若不控制每块石材的安装精度，则后续累积误差超出限值后，对整个双曲面城墙的成型效果影响很大，甚至会导致整个城墙石材安装失败。综上情况，要求每块石材的平面安装精度应控制在±4mm，标高精度应控制在±4mm。

石材定位标识完成、检查无误后，即可进行石材安装。每块石材安装前，对石材的编号、尺寸和模板处相应位置的定位尺寸和标高进行复核，若石材误差过大的应进行打磨调整，对模板标高不符合要求的调整相应位置的模板标高。石材吊装时，应轻起轻落，缓慢吊装就位，不能挤压、磕碰已安装好的石材，也不能用撬棍等撬动石材，以免破坏石材棱角、仿古看面，保证石材的成型效果，或使已安装好的石材发生偏位，影响安装精度；石材就位偏差较大时，不得拖拉、撬动、切割石材，以免影响成型效果，应重新起吊并检查偏差原因，待问题解除后重新进行吊放安装。每安装完成一块石材后均应检查其安装位置、标高、拼缝是否符合要求，如果超出要求的，应对石材进行打磨调整或重新起吊安装。

拱圈顶部石材合龙是拱圈安装的重要节点，也是整个拱圈安装的难点。拱圈合龙石材安装前，应检查已安装完成的左右两块石材的位置、标高是否满足要求，如不满足要求应进行调整，以达到合龙石材的安装要求。检查合龙处的尺寸和合龙石材是否一致，如若不一致，应调整左右石材或者切割打磨合龙石材，使合龙石材能精确安装，吊装安放合龙石材时，石材应缓慢就位，严禁合龙石材磕碰、挤压已安装好的石材，也不能拖拉合龙石材，仔细观察石材就位情况，保证合龙石材精确安装就位。

一层拱圈安装完成后，应检查并实测拱圈的半径、直径、弧长、拱脚标高、拱顶中轴线标高，根据实测数据对二层拱圈石材进行调整，保证二层拱圈石材的安装精度。二层拱圈石材安装工艺同一层拱圈石材。

6.2.4模架拆除

双曲面仿古城墙石材安装完成，上部结构施工完成并验收后，应进行模架拆除，拆除应从拱顶开始，在拱圈横向应依次对称的向左右拱脚卸落支撑钢架，拱圈纵向支撑应同步卸落，防止城墙出现异常变形。拱圈支撑架体卸落过程中应观测城墙的变形情况，如遇异常应立即停止，并分析原因，待异常排除后再进行架体拆卸。

6.3拱圈上部石材安装

拱圈上部石材为标准段石材，待拱圈石材安装完成并验收合格后，使用全站仪将上部石材的定位线测设在拱圈石材顶部，即可进行上部石材安装，上部石材安装工艺同门洞左右墙体安装工艺相同，逐层安装并控制安装精度。

7. 石材修补与验收

石材安装完成、初步检查合格、拱圈底模拆除清理后，对墙体、拱门洞、拱圈的仿古石材面进行逐一检查，对安装过程中出现磕碰、损坏、石材仿古面破损污染的，按石材修复方案进行修补处理，修补过程应细致严禁，不得出现漏补部位和修补不合格的石材，以求修补后的效果达到设计要求。

双曲面城墙石材安装并修补完成后，对城墙进行整体验收，对整体成型效果、定位位置、尺寸、拼缝效果、标高等进行检查。并逐一对每块石材进行检查验收，检查修补成型效果是否满足要求。对验收提出的问题进行整改，整改合格验收通过后形成验收资料归档管理。

8.结语

目前，国内对文化古迹的保护、修缮投入越来越大，古城墙遗址的保护和修缮、复建工程也越来越多。古城墙复建也会因城市的历史文化、地形、交通条件等不同而设计为形状、结构、材料选用等都不同的城墙。利用建筑信息模型BIM技术、结合新的施工工艺和工法，高效率、高质量、低造价的做好古城墙的保护、修复、复建工作，既能取得良好的经济效果，也能保证工程的施工质量。