仿古城墙石材安装及与结构耦合技术研究

仿古城墙石材安装及与结构耦合技术研究

梁家瑜,胡笳,刘贵富,郎佳聪,唐礼平,高源

中建八局第三建设有限公司 重庆 400000

摘要：朝天门是两江枢纽，也是重庆最大的水码头，自古江面帆樯林立，舟楫穿梭，江边码头密布，人行如蚁。门外沿两边江岸有不少街巷，虽以棚户、吊脚楼居多，可也热闹成市，商业繁盛，门内则街巷棋布，交通四达。所以至今，这一带仍是城内最繁华的商业批发零售区。据史料记载，1929年，重庆正式设市，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，原有城市格局变化加速，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。朝天门是重庆古城十七座城门之首，是重庆人的乡愁原点；朝天门居于渝中半岛门户位置， 地扼黄金水道要冲，为重庆重要交通枢纽，是山脉、水脉、人脉交汇之精华区；朝天门是重庆人的骄傲，是重庆的城市客厅，是重庆人的归依与展望。朝天门城墙重建，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，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，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。

关键词：高大双曲面石材；古城墙；朝天门；返碱；城墙重建

0  引言

朝天门位于重庆城东北是长江、嘉陵江交汇处，襟带两江，壁垒三面，地势中高，两侧渐次向下倾斜，由台阶从江面与城门相连，朝天门位于台阶之上，城门高大巍峨。在清代《渝城图》里清晰描绘了，朝天门的全景及瓮城、城楼的基础模样。历史上有记载的重庆古城墙的大规模修筑一共有四次。第一次是在公元前316年，张仪修筑土城墙。第二次是三国蜀汉时期李严修筑新的江州城，主要在秦汉时期的基础上向西扩建。第三次是南宋嘉熙四年，彭大雅为抗蒙大规模修筑城墙。“新建的城墙范围比三国时李严修筑的旧城扩大了近两倍”[01]，奠定了老城区的基本格局。第四次是洪武四年戴鼎利用彭大雅修筑的部分旧城，重新修筑新的城墙。清乾隆《巴县志》有记载 ：“明洪武初，指挥戴鼎因旧址砌石城，高十丈。周二千六百六十丈七尺，环江为池，门十七，九开八闭，像九宫八卦。朝天、东水、太平、储奇、金紫、南纪、通远、临江、千厮为九开。翠微、金汤、人和、凤凰、太安、定远、洪崖、西水为八闭。”

“朝天门，开门，位于两江交汇处是老重庆城的门户， 城门原题有“古渝雄关”四个大字”[02]“如果说传统中国城市是以四面环绕的城墙定义的话，那么近代城市则是以拆毁城墙为开端。”[03]“1927 年，重庆首任市长潘文华为修筑新码头，将朝天门拆除。” [04]朝天门城楼也一并于 1927 年被拆除。“直至 20 世纪 90 年代，朝天门老城墙尚余部分段落。”[05]“1998 年修建朝天门广场后，城墙全部消失。[06]”重庆首个法定名城保护专项规划《重庆市历史文化名城保护规划》于 2015 年正式发布。《规划》明确要求需要整体保护重庆古城墙“九开八闭十七门”的 城门格局及“依山而建、绵延曲折”的城墙系统。

九开八闭十七门

城墙和城门也是一种文物，“作为传统文化和集体记忆物质载体的古城池，不应该这样简单毁灭。”[07]朝天门是重庆古城十七座城门之首，在建筑立面设计上，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，利用垒砌的手法，还原历史上朝天门城墙、门洞。
“2020年，长江流域发生了继1998年以后又一次流域性大洪水，作为长江中下游和上游的特大城市，武汉和重庆汛情较为严峻。”[08]城墙修复同时需考虑洪水期朝天门广场建筑空间会被洪水淹没（淹没深度随水位变化），洪水冲刷及洪水退去后留下大量淤泥、垃圾等均会对朝天门城墙石材造成严重影响，故根据防洪要求，增加其城墙混凝土背墙自防水，石材开设燕尾槽等方式增加与墙体连接可靠性。

   曾经的朝天门码头

重建朝天门码头效果图

1  工程概况/研究的目的

1.1工程概况

城墙石材吊装位于新建筏板承台梁上部，基岩的厚度分别为900mm、850mm、800mm，高度为1000mm、2000mm，长度为1300-2800mm不等,基岩总高度为3m，共计299块，城墙后面为450mm厚的钢筋混凝土剪力墙，城墙与剪力墙拉结采用300*300mm的构造柱和圈梁，间距均为2400mm。

城墙长度达到203.9m（含城门段），城墙最高处达到23m。设置450mm厚的背墙，城墙石材采用分段挂在背墙上。城墙石材下部5-10层为过渡段，过渡段，约4-6排，具体根据石材分布图确定，高度约在183m-185.4m。11-50层为标准段，51-53层为箭垛段，过度段、标准段的厚度为700mm、箭垛段的厚度为850mm，高度为400mm，长度多数为500mm、600mm、800mm；在过渡段中有个别大的石材高度为800mm、1200mm，长度为800-2000mm不等。城墙背面为450mm厚的钢筋混凝土剪力墙，城墙与剪力墙拉结采用300*300mm的构造柱和圈梁，间距均为2400mm，过渡段石材数量1327块，标准段石材为10750块。

            1.1-1   朝天门各段石材立面展开图

1.1-2   各段石材最大尺寸及最大重量汇总表

城墙施工为朝天门城门洞处高大双曲面石材吊装控制显得尤为重要，朝天门仿古城墙城门洞口设计为高大双曲面结构，现场场地面积狭小，城墙最高处高度达到了23m，石材与混凝土背墙采用燕尾槽与A10碳纤维钢筋方式连接，城门洞每层石材较其他区域石材结构构造的不同，石材安装要求和技术标准有着明显的差异，同时该仿古城墙施工还面临着工期紧、验收质量要求高的问题，这无不给石材安装施工工艺带来了新的挑战。

1.1-3朝天门城门洞口双曲面示意图

1.2研究目的

BIM 技术作为促进建筑行业信息化发展的重要技术手段之一，已在行业内得到越来越多的认可[09][10]，从建筑的设计、施工、运营及拆除等全寿命周期各阶段都得到了广泛的应用[11]。高大双曲面仿古城墙石材安装工艺在闭环式管理的基础上进行工艺设计与施工部署。石材加工前，采用和八局工程院合力开发BIM能力组件进行高大双曲面仿古城墙建模编码，根据模型进行石材精准加工。施工前，进行基础筹备与图纸校审，掌握高大双曲面仿古城墙的构造特征、不同层次构造的特殊性、石材安装的技术要求，构建与完善可用于指导工程施工的建筑模型；施工时，对高大双曲面仿古城墙各个不同的施工区域石材安装的共性、差异进行统筹把握，利用汽车吊开展石材吊装作业。因城门洞1-16层两侧石材为双看面，已无法采用普通城墙开设吊带槽方式进行吊装，采用设置吊杆洞的全新吊装方式。工艺注重区分城门洞口拱圈石材、双曲面石材及双看面石材吊装的施工差异，其基础工艺为：合理部署汽车吊与石材运输车，安置平衡梁，之后穿吊杆或吊带槽，检查位置的准确性，在石材起吊后进行位置的精确调整，然后检验石材安装的平整度、拼缝情况，最后取出吊杆或吊带，砌筑石材与灌注灌浆料。具体在拱圈石材安装时，按照拱圈层次的不同，实行分层拱圈石材安装，确保拱圈石材安装质量。然后根据拱圈石材安装成型效果安装拱圈上部及侧面双曲面石材、构造特征进行石材安装方案的针对性优化；施工后，对高大双曲面仿古城墙石材安装质量进行检验与考评，总结先进的施工案例与经验，夯实工艺基础，促进技术的发展、更新与进步。

2  工程重难点/研究的方法

2. 1 技术难点

2.1.1高双曲面石材造型复杂、规格多样，同时异形整体石材尺寸较大，施工高度大，安装精度高，不仅给安装施工带来非常大的难度，外观效果也会受到影响。

2.1.2石材选择设置吊带槽或者吊杆洞方式、石材与石材之前缝隙多且大，不仅施工完成后易返碱，长年洪水冲刷造成耦合结构破坏。

2.1.3石材与混凝土背墙采用燕尾槽方式进行结合增强起结构稳定性，但先砌筑石材后在浇筑其背后混凝土只能采取单侧支模方式，不仅造成模板安装困难，同时石材因混凝土浇筑、振捣等侧压力易导致石材局部发生位移，甚至石材坍塌。

2.1.4朝天门拱圈结构位于距底部高度为12.7m处，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。”同时施工完成后，拱架拆卸困难，无法运输等问题。

2.2研究方法

2.2.1利用BIM软件对双曲面石材进行编码分类及三视图的建模，根据模型在石材开采加工期间极大缩短时间和确保石材精加工，减少废品率，同时确保现场安装效果，减少因施工误差、结构冲突等原因造成石材需现场二次加工、成型观感质量差。

2.2.2普通城墙石材利用吊带槽吊装方式、朝天门城门洞口处新增在石材中部设置吊杆孔。吊杆洞工艺减少因石材结构原因及工人施工质量原因造成的灌浆不满，极大降低对城墙外立面看面返碱污染，确保石材成型效果。

                  图  2.2.2-1 全新双看面石材吊具式样图

2.2.3采用平衡梁吊装解决了石材构造柱燕尾槽与背墙钢筋之间的保护层厚度较小，石材长度不一致每一块都要调节长度和位置，构造柱的位置吊带必须垂直不然与钢筋有冲突石材无法安装问题。

图2.2.3-1平衡梁示意图               图  2.2.3-2平衡梁大样图

2.2.4利用支撑架与现场加工工字钢弧形拱架结合，代替传统不规则的结构需定制钢模板，解决定制钢模板荷载大，狭窄空间吊装困难，施工完成后拆除难等难题。

3  施工工艺流程

3.1石材深化设计

依据设计图纸结合建设方的设计意图石材加工前，利用和八局工程院合力开发BIM能力组件进行高大双曲面仿古城墙建模编码，根据模型进行石材精准加工。

3.2测量放线

在石材安装之前根据revit能力组件拉出水平控制线和垂直控制线，确保石材离墙距离和垂直度，根据石材安装分布图，将分格线放置出来，根据分格线安装石材确保安装误差不累积。根据水平垂直控制线，控制每块石材安装位置，以消除石材因加工尺寸和安装误差累积传递，在石材安装就位验收合格后，在石材表面弹出上层石材位置线，方便后续石材精度控制。

3.3 BIM能力组件实际工程的真实模拟

在平面测量控制网的基础上，现场复测土建标高在现场条件满足设计标高要求或根据现场条件调整标高后，以平面控制网数据和标高数据为基础进行BIM建模[12][13]，BIM能力组件采用实际石材尺寸进行1∶1模拟，并从石材完成面作为基层进行建模，从而形成对现场实际工况的真实模拟。

3.4穿吊带检查位置

采用3mm的硬质带扣钢丝绳作为引线，将吊穿过开好的吊带槽，将吊带调整对称沿吊带槽向上收起贴紧，检查吊带的完整性，这种吊装使用于构造柱在两侧或没有构造柱的石材，如图3.3-1吊带安放示意图所示；

图3.3-1 吊带安放示意图

3.5放垫块

垫块采用花岗岩，尺寸为100mm*100mm*25mm，长度大于2m的石材重量大考虑放置六块垫块，长度小于2米的石材放置4块垫块，减少中间2块垫块即可，详见下图：

3.6钢筋绑扎铺设砂浆

按照施工图要求在灰缝中放置直径为10mm的碳纤维钢筋，钢筋沿城墙方向设置3根钢筋，垂直城墙方向间距150mm一根，如下图墙体剖面图所示：钢筋绑扎完成后采用M10的砂浆铺设在砂浆槽中，垫块位置不铺设砂浆，砂浆饱满平整。在左右相邻侧石材位置贴黑色的软质泡沫胶垫防止砂浆灌注时往外流出：

墙体剖面图

3.7起吊石材

“对造型部位石材制定科学合理的安装顺序。”[14]石材起吊是复核吊车作业半径，石材重量，180平台空间受限，吊车稍微往后与石材形成夹角，保证驾驶舱的旋转角度，但是必须保证是安全起吊范围以内。汽车吊调整好角度，角度不得大于安全角度，如果大于安全角度，调整汽车吊站位，重新对石材进行起吊，起吊时有专人旁站，有人指挥注意起吊到石材位置后慢慢下落，下落过程中精准就位。对齐构造柱、左右石材挤压紧密，采用五线仪对石材的平整垂直进行检查，确定尺寸无较大偏差时从吊带槽中取出吊带。

在石材作业层标志控制线，方便上层石材吊装。石材在作业层上空300-500mm左右处停顿，根据石材作业层控制线由吊装人员手扶石材微调整方向，微调完成后减缓下放，由2名专业操作工人手扶引导降落，降落至100mm时一名工人再次核查石材与作业层的控制线后，缓慢下放。尽量减少撬棍，如必须使用撬棍，撬棍采用软性材料包裹，防止碰伤石材。

3.8灌砂浆

“大块石材饰面灌浆施工方法是传统的湿法工艺目前仍在广泛应用。”[15]“尽管施工单位严格按工艺要求施工但石材饰面仍会返碱造成饰面颜色不均匀严重影响装饰效果。”[16]其施工质量也是影响建筑整体质量的重要因素。[17][18]为了防止竖向缝的砂浆流出，在竖向缝的吊带槽位置设置5mm的黑色泡沫胶带，防止灌浆时砂浆外流，将取出吊带后在吊带槽位置的竖向已经与石材靠紧一侧进行砂浆灌入，采用M10的砂浆进行灌入水平的吊带槽，水平吊带槽采用导管引流，从内向外后退式灌注砂浆。直至顶部灌满为止，灌注过程中采用制作的圆的钢筋进行振捣保证密实度，竖向吊带槽采用M10砂浆进行灌注，边灌注边振捣。灌注时如果有砂浆流到石材表面时在砂浆初凝前及时用水清洗干净，必须保护石材的外部观感效果。

石材砌筑完成后采用M10的防水砂浆对石材后面的缝进行封堵与检查，有见光的位置均进行封堵密实。石材安装完成后为防止背墙施工时混凝土对其污染，加强成品保护采用彩条布对石材外表面进行覆盖，防止混凝土及砂浆对其表面污染。

4  结语

古城墙是我国历史文化遗产的一部分，是城市历史发展中最为显著的功能性建筑，也是城市文化重要的组成部分，对城市的发展有着重要的作用。目前我国各地如北京、重庆、西安等加大对“古城墙遗址历史研究及修缮整治”[19]，对破坏进行重新修建，但相关管理手段及保护措施还有许多不足之处有待进一步改进提高。

（1）根据不同石材类型，加大研究解决石材返碱等问题根据对不同类型的石材采用不同施工措施，进一步解决返碱现象。

（2）天然石材色差较大，边角易破碎，加大色差处理及石材修复技术研究，减少石材等资源浪费，取得良好的经济效果。

（3）目前全国各地对天然石材使用急剧增加，采用“钢结构”模式，实行石材专业化生产，使现有的石材厂家形成专业化厂商，既能加工生产石料，又能进行施工安装，不断提高精细化加工和施工技术。[20]

参考文献

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作者简介：

（1）梁家瑜  出生年：1993   性别：男  学历：本科  职称：工程师   主要研究方向：房建及市政工程   通讯地址：重庆市沙坪坝文兴大道   邮编：401332邮箱地址：805768687@qq.com  电话：18983460891

（2）刘贵富  出生年：1995   性别：男  学历：本科  职称：助理工程师   主要研究方向：城墙数字建造技术研究   通讯地址：重庆市南岸区   邮编：400010邮箱地址：1174140331@qq.com  电话：1781488044

（3）郎佳聪  出生年：1998   性别：男  学历：本科  职称：助理工程师   主要研究方向：交通工程   通讯地址：重庆市南岸区学府大道     邮编：400074 邮箱地址：1346630009@qq.com  电话：15823434287

（4）唐礼平 出生年：1990   性别：男  学历：本科  职称：工程师   主要研究方向：建筑工程   通讯地址：重庆市九龙坡区二郎科技新城科城路98号   邮编：400080邮箱地址：435049717@qq.com   电话：17320422290

（5）高源    出生年:1991     性别:男    学历:本科  职称: 工程师      主要研究方向: 隧道工程 通讯地址:重庆市巴南区鱼洞街道        邮编: 401320 邮箱地址:807101308@qq.com  电话: 18680929245