大型极地海洋馆观赏水体综合施工技术
1 项目背景及工程概况
1.1 项目背景
随着中国经济飞速发展，人民生活水平的提高，人们对旅游产品的需求越来越多，国内海洋馆的建设应运而生，尤其是近几年，大连、青岛等极地海洋馆相继开工建设，并投入使用，让国人不用走出国门就可以近距离的欣赏到白鲸、海象、海狮、海豹、北极狐、海獭、北极熊、企鹅等珍稀极地动物以及上千种珍稀海洋鱼类，还可以欣赏大型海洋哺乳类动物的精彩表演，让人仿佛置身于真实纯净的极地世界。
而天津、成都、武汉等地的极地海洋馆正在紧锣密鼓的筹建，这些工程的施工，都为国内类似工程的施工提供了宝贵的经验。
但国内已建设的极地海洋馆的各类动物展馆多为独立建馆，且结构体系各不相同，内部配套设施也不尽一致。
目前，我局承建的天津极地海洋馆项目，采用了综合性场馆设计，各类动物展馆、水池融合在一起，形成了极地海洋馆的整体建筑。
也正是由于天津极地海洋馆工程是由各类不同动物展馆组合而成，各个水池的错落分布，各种不同系统的统一调配，整体外形的统一考量。
馆内的观赏水体主要有：海底世界隧道展示水体、中心主表演场组合水体、白鲸展示池以及北极熊、海狮、海豹、海象、鲨鱼等观赏水池。
这些天津极地海洋馆这个特殊的场馆施工带来了许多新的难点和课题，需要也值得我们进行进一步的分析和研究。
1.2 工程概况
天津极地海洋馆工程位于天津市塘沽区响锣湾中心商务区，北临海河，南侧为滨海南路，总建筑面积47761m2。
建筑主体高度22m，是天津市的重点工程之一，建成后将成为海河沿岸的重要标志性建筑。
天津极地海洋馆主要提供极地珍稀动物的参观、旅游、餐饮等服务，其中一层主要为办公区、各种水池、库房、休息区等，二层主要为大厅、各种动物展示池、参观隧道、主表演池、各种暂养池等，三层为各种展示池、看台等，四层主要为看台、餐饮等。
图1 天津极地海洋馆效果图
1.3.2中心主表演场组合水体
场馆中心共有大型弧形水池七个，其主要是海洋动物的表演池、暂养池，是目前国内最大的表演水池组群。
水池墙体部分互相交错连接在一起，并且与其周边楼层联系紧密。
各个水池之间及其外部错层多，标高变化多。
采取何种方法进行水池墙壁的成型至关重要，目前在国内其它场馆虽然已有表演池施工的成功案例，但是由于天津极地海洋馆表演水池体量最大，错层最多，与外部结构联系最多，因此，施工中并不能照搬已有经验，水池池壁的成型也即是其模板体系的设计及实施在天津极地海洋馆工程中
具有其独特的地方。
1.4 主要施工技术
●海底世界隧道展示水体
★拱形压克力玻璃安装技术
★水下景观施工技术
●中心主表演场组合水体
★弧形墙体定位技术
★弧形模板设计、安装技术
★钢模板填缝施工技术
●其他展示水体
★玻璃安装预留垭口施工技术
★观赏水体池壁防水施工技术
★维生系统设计原理介绍
2 主要施工技术内容
2.1海底世界隧道展示水体施工
2.1.1拱形压克力玻璃安装技术
海底世界隧道展示水体以及白鲸展示池中的观赏玻璃是由日本专业公司生产的巨型压克力玻璃，最大单块玻璃重达2吨。
其中尺寸最大、数量最多、质量最重、运输最为复杂的是海底世界中的拱形压克力玻璃，根据海底世界的平面图设计出一条半圆形亚克力玻璃的运输路线，具体见：图1、图2、图3。
该路线需要跨越矩形垭口和隧道垭口两个障碍，通过设计一辆室内运输小车完成了该玻璃的运输工作，
1、 工艺流程
图1: 大型玻璃运输路
图2: 1-1
矩形垭口剖面
图3: 2-2
隧道垭口剖面
2 、 操作要点
1）压克力玻璃的运输
（1）压克力玻璃运输车的设计
根据现场实际情况确定拱形亚克力玻璃的运输路径，通过对玻璃安装预留垭口的尺寸、位置及压克力玻璃的宽度、长度等综合考虑，用工字钢、钢板加工一个运输架，同时根据垭口宽确定8个车轮就位孔的位置，其中1#～8#车轮就位处均为上下左右对称，，就位处的就位孔直径均为20mm ，具体见图5。
再根据垭口下部障碍、净高及玻璃高度等综合考虑，利用工字钢、角钢、钢板等一系列材料，设计一个多功能运输架的支撑小车，该支撑小车可围绕转轴进行360°进行旋转，具体示意图见图6。
将该运输支撑小车与运输架用螺栓进行连接，并将拱形压克力玻璃放置于运输车上，其中H=垭口障碍高度+小型千斤顶高度。
具体见图7
（2）压克力玻璃运输车的运输原理
步骤一：通过移动脚手做支撑将大型玻璃吊运于运输车车架上，并使运输车的一段靠近至安装玻璃的预留垭口梁处，具体如下图：
步骤二：在安装玻璃预留的下部垭口梁与运输车架间通过小型千斤顶垫置，并将5#、6#车轮就位处的车轮拆卸，具体如下图：
步骤三：将5#、6#拆卸的小车车轮安装于1#、2#车轮就位处，并将2#、3#车轮就就位处车轮拆卸后装于7#、8#车轮就位处，并向前运输至垭
口梁后，垫置小型千斤顶，具体如下图：
A-A剖面图B-B剖面图
工字钢D=20mm小孔
A A
B B
5#车轮就位处2#车轮就位处4#车轮就位处6#车轮就位处a b X 1#车轮就位处8#车轮就位处
7#车轮就位处
Y c
d Ⅰ#Ⅳ#
Ⅱ#3#车轮就位处图5加工定制的运输架示意图6加工定制的运输架示意大型玻璃
H
步骤四：同样将1#、2#车轮拆卸后安装于3#、4#车轮就位处，此时多功能运输车已经跨越了矩形垭口这道障碍，具体如下图：
通过以上步骤4个步骤就能跨越一道障碍，若有多道障碍，就按照步骤一至步骤四重复循环就能完成障碍的跨越，从而完成玻璃的运输，压克力玻璃需运输至垭口的水体一侧。
2）压克力玻璃的就位
步骤一：将垫置的木方撤除后，控制小车车轮方向使整个运输车由垭口的一侧跨越于另一侧，同时使运输车的长边与隧道垭口基本平行，然后将木方垫置3#、8#就位车轮旁的工字钢下，同时将3#、8#就位车轮拆卸后安装于1#、6#车轮就位处，具体如下图：
步骤二：将运输车靠近隧道垭口，使3#、5#车轮就位处跨越隧道垭口后，在工字钢下方垫置木方，同时将1#、7#就位车轮拆卸后安装于3#、5#车轮就位处，具体如下图：
步骤三：当3#、5#车轮靠近隧道的另一垭口时，在3#、5#车轮旁的工字钢下垫置木方，同时将3#、5#就位车轮拆卸后安装于1#、7#车轮就位处，具体如下图：
步骤四：使小车继续前行，确保2#、8#车轮就位处首次跨越隧道垭口时，在垭口梁与运输架间垫置木方，同时将4#、6#就位车轮拆卸后安装于2#、8#车轮就位处，具体如下图：
步骤五：拆除木方后，将小车继续前行，使大型玻璃与隧道垭口对齐后，利用移动脚手架作支撑将大型玻璃调运至隧道垭口处，具体如下图：在亚克力玻璃安装的水体一侧顶部安一个手拉葫芦固定点，通过手拉葫芦的吊运，使压克力玻璃在预留垭口处进行就位。
在工法采用了改进后的手拉葫芦，具体如下：
原装置：手拉葫芦有两组链条，即起重链和手动链，起重链为有极链，
手动链为无级链。
每次起重前需空载状态下反复拉动手动链，使起重链上的挂钩移到合适的位置，然后才能安装挂钩，起重压克力玻璃，倒链工作很不方便，浪费很多时间。
改进后装置：将手拉葫芦的有极起重链改成无极起重链，这个无极链上不带挂钩，无极起重链委托链条厂家加工，将单独的挂钩一小段链条与卡链装置相连接，使用时可根据压克力玻璃的具体位置，将卡链装置卡住在无机起重链的合适位置上，就可以直接起吊，这样可以省去回链、收链工作。
3）压克力玻璃间的拼接
压克力玻璃间采用本体浇注聚合拼接法，
（1） 拼接缝的模框制作
把压克力玻璃拼接缝断面粗略加工成15～20度的坡口，并处理干净，
两块试样评成30～40度的“V ”形缺口，尖端离开约1mm 宽。
在“V ”形缺口尖端细缝和两端缺口糊上玻璃纸，在“V ”形缺口的开口面用3mm 聚氯乙烯板或其他硬质材料、玻璃纸等糊成不漏浆的盛浆模型，并使模框内的浆液只和玻璃纸及欲拼接的有机玻璃接触，如下图。
（2）
拼接浆液的配置
将PMMA
单体、有机过氧化玻璃纸 PVC 垫“V ”形盛浆压克力玻 图12 拼接缝的模框制作图 图10 卡链装置卡链与装链示意
图11手拉葫芦现场安装图 图8 改进方案示意图 图9 卡链装置结构示意图
物引发剂、促进剂等按一定配比加入带搅拌机的预聚反应器中，用常规的
预聚合制浆法制得粘度为10～20秒/50～60℃的浆液。
（3）安装对拉调节加固件
在两块小型压克力玻璃块中用铰刀穿两个铰孔，将对拉调节杆安装于
压克力胶孔中，在铰孔与对拉调节杆、小型压克力玻璃块与压克力玻璃间
填充拼接浆液，调节对拉加固件，并使拼接浆液在室温对拉加固20～35℃
条件下聚合至固化。
（4）浇注
将配置好的浆液真空脱泡后缓慢注入拼接缝的盛浆模框内，以浆液不
往外溢流为度，然后在浆液表面覆盖一层宽度和模框宽度一致的玻璃纸，
排除浆液表面与玻璃纸之间的空气气泡，放置室温20～35℃条件下聚合至
固化。
（5）热处理
拼接缝固化后（插不进刀），剥去制模材料，用酒精擦洗掉试样表面
的脏物，对施工环境进行全封闭处理，减少热处理过程中散热，然后通过
烘箱进行热处理，烘箱温度控制在100～110℃，维持时间为1～2小时。
（6）拼接缝的加工处理
图13安装对拉调节加固件图14 本体浇筑聚合拼接法连接拼热处理完成后抛去拼接凸起的加工裕量，最后进行打磨抛光处理。
4）压克力玻璃与结构连接
在玻璃调运前应先对亚克力玻璃安装预留垭口进行测量，根据测出的
同一标高下垫置不同厚度的亚克力垫块，并用504万能胶将垫块与结构结
图16 烘箱进行热处理
合，确保压克力玻璃能够放置在同一标高上，压克力垫块需进行水平与竖向两个方向进行设置。
玻璃安装就位后，需在无压克力垫块的地方用明矾膨胀剂水泥进行填灌，对亚克力玻璃位置进行定位并固定。
待干后进行基层清理，清理完后在玻璃与结构防腐口用专用结构胶进行注封并进行结构胶表面处理。
2.1.2水下景观施工技术 近几年随着海洋旅游业不断发展，水下景观的应用被更多的人所属目，它可以用二维的形态附着在墙面上，也可以使三维空间的形态附在地面。
随着观赏水体注水量的增加，同时水体由淡水变成咸水，使得对水下景观的抗水压和防腐性能提出了更为苛刻的要求，尤其更为重要的是景观还必须具有良好的防水性能，否则水体进入景观缝隙内,水体循环不出来就会在景观内滋生各类有毒菌类，危害水体动物。
本节介绍天津极地海洋馆工程通过玻璃钢作为过渡材料翻制模具来完成观赏水体水下景观施工。
1、 工艺特点 1） 水下造景塑型的制作是利用聚苯板和聚氨酯发泡剂制作塑型，可以刮、切、划、割、填、补等技法进行处理，反复修改从而使塑型自然，布置于水体内达到排水倒海的效果。
2） 为了保证水下造景的防水、防腐及抗压性能。
充分利用玻璃钢易成型的特点，用作模具的载体材料，同时玻璃钢具有防渗、防腐及良好强度，解决了水下景观施工中遇到的困难。
3）水下景观若具有多种相同形状的造型时，利用石膏作为辅助材料，
节点安装专用材料（重防腐）专用结构胶膨胀水泥
压克力垫块压克力玻璃1
4
3
水体区域
观赏区域
图17 压克力玻璃与结构连接示
图18 垭口处进行基层清理 图19 对连接缝注封结构胶 图20 结构胶进行表面处理
图22海底世界压克力玻璃运营效图21海底世界压克力玻璃安装完
翻制玻璃钢模具，不仅节省了材料，同时也缩短了工序，可以取得良好的经济效益和工期效益。
4）水下景观的玻璃钢制作的塑型，保留了玻璃钢造型的原味、肌理、塑痕，通过配置一定比例的着色材质对雕塑进行色彩处理，从而使造景增加深度感，并且可以加强表面的肌理效果，从而使作品达到最佳的效果。
2、施工流程及操作要点
1）工艺流程
从而使塑型自然，在填、补过程中使用发泡剂进行粘结。
对需和水体环境位置需匹配的雕塑，需提前在墙体上安装膨胀螺栓，以便于塑型固定于对应的墙体环境，针对其他的塑型可以随地选择进行塑型制作。
当塑型较小时，可直接根据设计图纸进行雕塑，当塑型较大时，可先制作小塑型，然后按图纸比例进行放大，放大时可搭设等间距的钢管架，此架子一方面作为操作施工使用，另一方面作为安比例放大的辅助线，以确保塑型制作的精确、美观，布置于水体内达到排水倒海的效果。
（2）隔离剂涂刷
塑型完成后对塑型涂刷隔离剂，对聚苯板与发泡剂制作而成的塑型采用地板蜡,在涂刷前考虑是否至少存在一个面不需进行隔离剂涂刷，若不存在则需要用隔离片安装与聚苯板的塑型上，安装时尽量根据塑型进行对称布置。
（3）玻璃钢施工
A 玻璃钢的正常施工
隔离剂涂刷完就可以进行玻璃钢的施工，玻璃钢采用手糊法进行施工，制作前应根据设计成型线路。
塑型表面一般比较复杂，在工艺铺层上应进行特殊处理。
玻璃纤维毡难以铺放处应先用含有短纤维树脂的腻子填充，然后再铺放玻璃纤维短切毡及方格布。
塑型表面层采用树脂腻子中的玻璃纤维长度以10mm 为宜，具体配比见下表：
图24塑型较大时先制作小塑型
图23在墙体上安装膨胀螺栓
塑型表面用树脂腻子配比
材料
聚酯
树脂
玻璃
纤维
CaCO
3
填
料
过氧化甲乙酮用量100201002-4
细部处理完进行大面积的玻璃钢施工，先进行玻璃钢胶体的配置，配
置比例为：树脂：固化剂：稀料：CaCO
3
=1：0.04：0.04：0.5，按此配比增添适量微细滑石粉（白度大于97），滑石粉可以调节胶体的粘稠度，用
电动搅拌器进行搅拌，搅拌成糊状，不得有生粉团，即成树脂胶料。
铺贴施工时将玻璃纤维布按雕像的实际大小剪切成多个小片，先将配置的胶体涂刷于塑型上，然后铺贴玻璃纤维布，为了确保雕塑的硬度，一般采用“两布三涂”，在胶体与玻璃纤维布施工过程中要求压实，防止出现空鼓现象。
B 玻璃钢的特殊施工
当具有相同的多个玻璃钢雕塑时可以采用特殊的玻璃钢施工工艺——玻璃钢翻胎。
这一工序不仅可以大大提高施工进度，同时还能节约成本，本工法通过介绍观赏水体中的圆形雕塑景观的玻璃钢翻胎工艺。
图25隔离片安装后涂刷隔离剂图26玻璃钢大面积施工
a先对已完成的玻璃钢雕塑上用雕塑泥对玻璃钢雕塑进行细部修整，一方面防止后序进行施工的石膏出现砂眼，另一方面可以起到一定的隔离作用
b 将适量的石膏粉加适量水配置一定量石膏粉，涂布于经细部处理完的玻璃钢雕塑上，制作一个外包型塑型。
c因石膏硬化快，故石膏施工完成十几分后便可将石膏从玻璃钢模具中拆除，在制作石膏塑型过程中尽量使用细腻的石膏粉，防治出现砂眼；若存在砂眼现象则利用雕塑泥对石膏塑型进行修正。
d石膏脱模后，在石膏模具上涂刷隔离剂后即可进行玻璃钢的施工，玻璃钢采用三布四涂手糊法进行施工。
e施工完成后，用工具刀将周边玻璃钢修平整，然后将玻璃钢模具从石膏模具中进行脱模处理，此过程就完成了玻璃钢的翻胎过程。
在脱模过程中要确保石膏塑型完好无损，这样进行下一个玻璃钢翻胎过过程就不需要进行石膏塑型的制作，直接进行第二个玻璃钢雕的施工，大幅度减少施工环节，进行下各个玻璃钢模具施工时，只需重复（4）、（5)的过程便可完成玻璃钢的翻胎。
(4）脱模及组装
玻璃钢固化后，沿着划分的单元块将整体塑型模具沿隔离片进行切开，切口时候后将磨具内的聚苯板清除，清除后制作连接肋，连接肋中应设定位槽，以保证通过连接肋使单元块模具组合成整体。
(5）后期处理
模具组装完成后，需进行玻璃钢的二次涂布处理，玻璃钢24h固化
后进行打磨处理，确保其表面光滑、平整，最后根据雕塑设计要求进行色彩处理。
本工法重点介绍关于水下景观的色彩处理工艺。
A 对塑型用打磨机和砂子处理后，然后用软布将塑型表面的尘粒清除干净。
用熟褐颜料打底，将丙烯颜料加水调均，并将其完全覆盖到玻璃钢表面，涂刷时必须将涂料调均，不能堆积，更不能透出底色，将涂好的第一遍等完全晾干，再进行第二遍的涂刷。
针对凹下去的地方较暗，可以配置深层颜料，不必加水轻轻扫在雕塑表面提亮。
B 待颜料完全干燥后用无数氟碳漆进行喷涂一遍可以达到靓丽的效果。
C 后期的色彩处理使观赏水体内的水下景观能与环境融为一体，使景123
456
789
1011
观在灯光照明下使水下景观色泽显得更加鲜艳、线条流畅、造型美观。
1——玻璃钢雕用雕塑泥进行细部处理，2——将石膏涂布于玻璃钢磨具上，3——石膏涂布完后进行硬化，4——将玻璃钢模具与石膏模具脱离，5——石膏脱模，6——石膏模上涂刷隔离剂——7、玻璃纤维布布贴,8——环氧树脂涂刷，9——玻璃钢细部处理，10——玻璃钢脱模后进行重复6-9的过程，11——雕塑成型效果
海底世界、白鲸展示池等观赏水体均通过玻璃钢作为过渡材料翻制模具来完成观赏水体水下景观施工，使材料的抗水压和防腐性能得到明显的提高，尤其更为重要的是景观还必须具有良好的防水性能，同时投入使用后效果较好，均能满足设计和使用功能。
图29动物模具脱模处理完效果 图30脱模后单元块模具组装
图31塑型进行打磨处理 图32色彩处理后观赏水体水下景
图33海底世界潜水
图27仿石景观玻璃钢施工完
图28清除仿石景观模具内的聚苯
2.2中心主表演场组合水体
考虑到水池形状的不规则及业主对此部位施工的质量要求，经项目部多次讨论，研究了各种施工方案的优劣后，水池施工总体上考虑采用定型钢模板，由于其为对称结构，模板考虑配置整体池壁的一半，水池施工在水平方向上分两个施工段，在竖向上根据内部楼板的位置分为三层施工。
此施工方法能保证水池墙体的混凝土成型质量，减少塔吊的吊次，提高了塔吊的周转率，减少模板拼缝，提高施工质量，提高模板的周转使用，缩短施工工期。
根据工程特点和施工方要求，结合塔吊位置及起重重量，本工程划分为2
2.2.1
以利用
工坐标输入全站仪，正确操作就可以得到正确的所需点位了。
现在讨论的重点是针对工程中一些特殊情况下的点位放样。
1、工程平面控制网的建立
据场区平面规划和业主提供的测量基准点、基准线为依据建立场区方格型平面控制网。
为兼顾地下结构和地上结构施工，纵横方向共设置多条
控制轴线，主要为地下室结构和主体结构的边轴线。
首级高程控制借用平面控制网的基准点进行布设。
这两个控制网是工程整体控制和变型监测的依据和基准，用以保证分部分项工程之间的连贯性和统一性。
首级平面控制桩基准点应布设在无变形影响的区域；二级平面控制桩基准点应布设在变形影响较小的区域，在容易遭到破坏的区域设专人保护，定期巡视，每次施工测量前，必须先进行校核。
在交通道路附近须围埋砖块和混凝土，并架设钢管护栏。
做警告标示防止人为和车辆碰撞或扰动。
建筑物定位和施工控制网以首级精密控制为依据，采用极坐标或直角坐标的方法进行。
在控制网中应包含重要点位和轴线，且和主要轴线保持平行关系；还要保证每个施工区域中至少有四条两两相交的控制线。
图2基准控制点布置图
2、中心主表演水池定位
图3 主表演池和暂养池轴线图
对弧形、圆形、椭圆形、不规则椭圆的承台和弧形墙放样为本工程测量施工的难点。
对底层结构施工时可定位出其数学参数点圆心和焦点，按轴线数据尺寸进行定位控制，对高层结构无法定位出数学参数的可采取按比例取直线段的方法弹出控制线，先确定弧形俩端点的弦、圆形的圆心和半径、椭圆和肾形的长轴和中心点，按段确定各个弧线段控制点并弹出中线和边线。
椭圆形平面曲线的现场施工放线，常用的有直线拉线法、几何作图法和坐标计算法等几种，而直线拉线法在椭圆形平面尺寸较小时因操作方法简单、放线速度快、能满足一定的精确度而受到测量放线人员的青睐。
我方采用极坐标法配合全站仪坐标放样对主表演池和暂养池进行定位。
用极坐标法放线很省事，且易于操作，因为它只需一个方位角β和一
段水平距离S即可。
首先根据总平面图中的两个平面控制点坐标和设计图中的设计椭圆圆心坐标值，将椭圆的圆心位置放出。
按设计图纸要求的椭圆长、短轴和方向，定4个边界点于直角坐标系x、y轴上。
将全站仪安置在椭圆的圆心上，按照x轴的正方向，依次按反时针方向拨水平角β1=15°，β2=30°，β3=45°…（β为两邻角之差，此处按下面示例取15°）相应地量距：使S1=10.000m,S2=10.261m,S3=11.094m…并依次定点号为123…点。
以第一象限为例，对其他象限的测点，可用倒镜或其他常规方法确定射线。
连接各点并拟合之，便得到圆滑的椭圆。
求S法在极坐标中，按椭圆参数方程，有
｛X=acosφ
(1) Y=bsinφ
式中φ为参数，待求角。
据勾股定理，有S= √X²+Y²（2）并有：tanβ= =Y/X= bsinφ/ acosφ=btanφ/a
示例：设a=20m, b=10m,取点3计算，β=45°，代入（3）式，得：φ=arctan（20tan45°/10）=63°26′06″
据（1）式：x=20cos63°26′06″=8.944(m)
y=10sin63°26′06″=8.944(m)
据（2）式：S=√8.944²+8.944² =12.649(m)
按照同样方法，可将各点的所有S值填入下表，即可据此放线。
椭圆的S值
底板施工
图6 二层表演池处椭圆曲线的放样图7 按照放样线拼装大型钢模
2.2.2弧形钢模板设计、安装技术
1、弧形钢模板设计
考虑墙体的厚度及浇筑高度，模板最大侧压力按60KN/m2考虑，钢模板面板采用6mm普通热轧钢板，主肋：[10＃槽钢，横竖边框：[10＃槽钢，背楞：[10＃槽钢，考虑到墙体防水的要求，模板螺栓采用三段式止水螺栓。
考虑到水池内部夹层板的标高不一致，水池墙体的模板配置从基础底板开始配置到夹层板以下标高处，本工程水池1墙体从-2.5m开始，墙顶。
