在上世纪五六十年代，混凝土薄壳曾享誉世界，成为许多结构大师尽情绽放想象力的契机。
▲ 墨西哥的霍奇米洛克餐厅/坎德拉
但是，混凝土薄壳的施工有两个问题。一方面，混凝土薄壳结构外型复杂多变，极大的降低了模板施工的难度，模板施工造价高；另一方面，施工后拆掉的模板很难再从新利用，既浪费大量的人力物力，又对环境产生了一定的损伤，经济效益不显著。因此，随着钢结构网架和屋盖体系的应用，现在早已很少见到在修建的混凝土薄壳结构了。
混凝土薄壳至此，会消亡吗？今天小i 给你们介绍一种特殊的混凝土薄壳建造方式——气膜钢筋预应力壳体。希望这个科技可使结构工程师在确认结构模式时，更多一种选择的模式。
气膜钢筋预应力壳体简介
以性能优良的厚实织物（通常为PVC膜材）为外膜，将其固定在圆形的混凝土基础上；再向膜内充气并维持膜内恒压状况，作为施工荷载支撑；随后依次在膜内喷涂防护层、聚氨酯泡沫层、分层绑扎结构钢筋、逐层喷射混凝土，最终产生一个外观简洁、结构结实、空间覆盖率大的壳体结构。
▲ 气膜钢筋预应力壳体球仓 剖面图
▲ 壳体结构构造层
气膜钢筋预应力壳体建筑的施工过程
简单来说，气膜钢筋混凝土结构分为两个部分：气膜模板和混凝土底座。气膜模板的施工主要分为三个个别：施工基础环梁、充气膜固定及充气、聚氨酯喷涂；混凝土底座施工分为：钢筋预应力结构和楼板开孔。
1）基础环梁施工
气膜钢筋预应力壳体一般采用圆形条基，在基础上修改环梁。一方面方便固定膜材，一方面也可以平衡壳体产生的水准推力。此外，环形基础又应承受上部组件荷载，又要在充气过程中成为气膜的配重，抵抗向上的作用力。
▲ 基础环梁的施工
2）充气膜固定
▲ 展开气膜
▲ 气膜铺平
▲ 气膜固定
▲ 气膜固定完成
气膜固定好以后就可以进行充气了，充气采用风机鼓风，直到气膜外部温度超过一定的设计值，一般500~600Pa。
▲ 充气膜充气成型过程
这种组件模板的完善方式施工速度迅速，而且绿色环保，所必须的材料跟人工很少（大型的壳体可能就30人左右，主要的好处就在展开气膜阶段保证气膜铺平）。
此外，一旦气膜充气成型后，后续的整个施工过程全部在室外完成，不受外部环境的制约，保证了施工的稳固和效率。
3）聚氨酯喷射
为确保充气膜和热固性的良好粘结，需在内表面涂上一层渐变剂，再喷射聚氨酯。聚氨酯分单层喷射，第一层完成喷射后，插上钢筋标签。标签类似于“猫爪”，能提供较大的抓持力。“猫爪”的作用主要便利定位，为后续钢筋绑扎提供固定点。
▲ 钢筋标签
聚氨酯喷射完成后，气膜模板最终成形，形成带有一定刚度的模板。
▲ 聚氨酯喷射完成
4）钢筋混凝土结构
聚氨酯喷射完成后，进行钢筋的埋设，在外部喷射混凝土。
▲ 钢筋绑扎
钢筋混凝土从外至内依次分为两层：构造层和构架层。
构造层包含一层间距600mm的构造钢筋和约3cm厚的混凝土。经过推导和实践发现，构造层完成施工后，气膜模板已经具备较大的载荷；待构造层混凝土硬化后，根据“猫爪”标签定位和绑扎结构层钢筋，完成后开始结构层混凝土的喷射。
▲ 混凝土喷射
▲ 构造层施工过程示意图
▲ 结构层施工过程示意图
5）壳体开洞处理
气膜钢筋预应力壳体的洞口处理有两种方法。一种是对于窗口和采光洞口等不大的洞口，可以事先在气膜模板上放置环箍，在混凝土喷射时避免洞口区域；另一种是小型的洞口，需要在施工过程中参与受力，壳体成型后再进行切除开洞。
▲ 壳体开洞前
▲ 大型板壳开洞后
气膜钢筋预应力壳体案例
自上世纪40年代，开始了应用气膜膜板进行混凝土组件施工的技术研究，分为气膜内模式和气膜外方式两种。
其中，气膜内模式在气膜外表面进行混凝土的现浇，但考虑到混凝土开裂或者气膜模板承重等弊端，现在采取这些方法的混凝土组件案例已经极少。而气膜外方式是将气膜膜板内置，在气膜内内壁进行混凝土喷射施工，优势显著。
▲ 美国国家航天中心
1942年，Wallace Neff采用气压膜法充气形成模板，在气膜外表面布置钢筋产生钢筋混凝土构架。随后，DanteBini 、Lloyd Turner、 David 和Barry South等人采取气膜为模板设立了不同大小、不同结构方式的混凝土圆顶结构。
据MonolithicDome Institute 估计，过去的30年中，至少已经完工2000多个混凝土气膜钢筋预应力球顶，主要分布在美国及其英国。其中，大部分气膜钢筋预应力壳体结构主要用于工业储煤仓，其储煤量均在5万吨以上。建造完成的气膜球形储煤仓具有仓储空间利用率高，安全性能好，外形简洁的特征。此外，在公共建筑跟民用建筑上应用也更广泛，如办公楼、体育馆、艺术中心、住宅公寓等。
▲ 兰伯顿ISD美术中心
▲ 民用建筑
在工业上，传统的预应力储煤仓多采取滑模施工工艺。但是这些结构的仓储利用空间不高、施工成本较高。
2012年，国内最早由华北电力院引进气膜球形薄壳钢筋预应力结构，并应用于强盛科技储煤岛项目球形储煤仓。该球形仓直径为65m，高度40.5m，1号球于历经4个月完成混凝土仓体的监理。该项目由中国强盛科技设计跟指导施工，但因为中国设计跟施工水准有限，加上该科技的专利问题，此后已深入研究。
▲ 大唐强盛科技储煤仓
2014年，中煤建安集团引进气膜钢筋预应力球形仓结构，应用于葫芦素煤矿和强盛科技。总计6个直径54m、高度59m的球形储煤仓，历时5个月完成了气膜钢筋预应力壳体的施工，现已投入使用。
▲ 葫芦素气膜穹顶储煤仓
2015年，中煤建安集团与上海交通大学合作，研发建造了中煤建安集团研发中心体育馆、展览馆和办公楼。该工程系中国自主研制、设计和建造的第一个气膜钢筋预应力民用建筑，已于2016年全部完成了气膜钢筋预应力壳体的建造。
▲ 中煤建筑安装集团有限公司研发中心
内蒙古地区最高的营盘壕煤矿，井塔下部外墙临时改为气膜钢筋预应力穹顶结构。设计时在PVC膜面喷上绘图，加上了蒙古帽冒尖的装饰，形成带有蒙古传统的集工业制造和旅行观光的传统建筑。
▲ 营盘壕煤矿主井屋面
结语
壳体结构是物理表达很高的载体，能够较好的完成建筑跟结构的力学与美的统一。气膜钢筋混凝土底座，既可节约大量的人力物力，节能环保，又可建造出各种各样的外型优美的外壳结构，希望这些新型的施工方法可应用得越来越广。
目前，气膜钢筋预应力壳体主要应用与工业储仓系统。但小编个人觉得，这种穹顶结构承载力大，空间精度高。在民用建筑上，依托气膜可以展现出非常复杂、多样的形态，建筑师追求表现出的壳体美，也可借助这些方法推动。
参考资料
1.气膜钢筋预应力扁壳结构设计分析，吴族平，邱国志，刘士兴等
2.球形薄壳结构混凝土构架技术的施工应用，邓锋，东武军混凝土标签，李洪基.
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