新型模板体系在水利水电工程异形结构施工中的应用

中图分类号：TU731 文献标识码：A

引言

水利水电工程作为国家基础设施建设的重要组成部分，在防洪、发电、灌溉等领域发挥关键作用。近年来，为满足复杂水文条件与功能性需求，工程中异形结构（如曲面溢流坝、蜗壳、异形闸墩等）的占比逐渐增加。此类结构造型复杂、空间曲面多变，对模板体系的适应性、稳定性及精度提出更高要求 。传统木模板、钢模板存在周转次数低、拼接精度差、施工效率低等问题，难以满足异形结构精细化施工需求。新型模板体系凭借智能化、模块化、高精度等特性，为水利水电工程异形结构施工提供了新的解决方案。

1 水利水电工程异形结构施工特点及传统模板体系局限性

1.1 异形结构施工特点

水利水电工程异形结构的设计与施工具有显著的复杂性与专业性。从结构形态来看，其多呈现空间曲面多变、体型不规则的特征，例如双曲拱坝的双曲率曲面需精准贴合水力学计算模型，蜗壳流道需严格遵循流体动力学设计，以确保水流顺畅通过，减少能量损耗 。这些结构不仅需满足力学性能要求，还要保障水流形态的稳定性，对模板的曲面拟合精度提出极高标准，任何细微偏差都可能影响结构的过水能力与耐久性。在施工过程中，异形结构往往涉及超大体积混凝土浇筑，单次仓面方量可达数千立方米，这对模板体系的承载能力、变形控制能力构成严峻挑战。同时，施工需严格控制混凝土的浇筑速度、温度与分层厚度，避免出现温度裂缝、冷缝等质量问题，而模板的密封性、刚度直接影响混凝土成型质量。此外，部分异形结构（如高闸墩、溢流坝面）施工环境复杂，常处于高空、临水等危险区域，传统模板的搭设、拆除作业存在较大安全风险。

1.2 传统模板体系局限性

施工效率层面，木模板或组合钢模板在异形结构施工中效率低下。（1）木模板需根据复杂曲面进行现场切割、拼接，定制化程度高，加工过程耗时耗力；组合钢模板虽可部分拼接使用，但异形部位仍需特殊加工，且模板周转速度慢，难以满足水利工程大仓面快速施工需求。成型质量方面，传统模板的拼接缝多，在混凝土浇筑过程中易出现漏浆现象，导致表面产生蜂窝、麻面等缺陷，影响结构外观与耐久性。经济成本角度，木模板的周转次数有限，一般仅为3-5 次，频繁更换造成材料浪费严重；（2）钢模板异形构件的定制加工成本高昂，且运输、安装费用较高，导致综合成本显著增加。同时，传统模板施工需投入大量人工进行搬运、拼接与拆除，人工成本居高不下。安全风险维度，在高空、大跨度异形结构施工中，传统模板支撑体系搭设复杂，稳定性难以有效保障。尤其是在复杂地质条件或恶劣天气环境下，模板坍塌、高空坠落等安全事故风险显著提升，给施工人员生命安全与工程安全带来隐患。

2 新型模板体系类型及技术特点

2.1 液压自升式模板体系

液压自升式模板体系是一种集成化、智能化的模板系统，主要由模板面板、液压提升装置、操作平台及控制系统四部分构成。模板面板通常采用钢板或胶合板材质，具备良好的刚度与耐磨性，可保障混凝土表面成型质量；液压提升装置作为核心组件，通过液压油缸的伸缩运动实现模板的整体升降，其提升精度可达±5mm，有效避免传统人工提升过程中的误差累积问题。操作平台则为施工人员提供了安全的作业空间，便于混凝土浇筑、模板调整等工序开展。该体系的技术优势体现在自动化程度高与施工效率显著提升两方面。在高墩、竖井等垂直或倾斜结构施工中，液压自升式模板可实现 3-6m 的单次提升，相较于传统分层支模工艺，大幅减少了模板拆装时间与高空作业量。同时，其配备的智能控制系统能够实时监测模板的垂直度、水平位移等参数，当出现偏差时自动预警并调整，确保施工精度。此外，该体系的模块化设计使其可根据不同工程需求灵活调整模板尺寸与提升能力，通用性强。

2.2 BIM-3D 打印模板体系

BIM-3D 打印模板体系将建筑信息模型（BIM）与3D 打印技术深度融合，开创了异形结构模板制造的全新模式。首先，通过BIM 技术对异形结构进行精确三维建模，将设计图纸转化为数字化模型，实现对复杂曲面的精准还原与参数化控制。随后，利用3D 打印技术，根据模型数据直接制造模板，可选用树脂、木塑复合材料等多种打印材料，兼顾强度与成本需求。该体系具有超高精度与定制化优势，打印出的模板能够与设计曲面实现1:1 贴合，误差控制在±2mm 以内，远超传统模板的加工精度。同时，由于无需现场拼接，可有效避免因拼接缝导致的漏浆问题，实现混凝土表面的免装修效果，显著提升结构外观质量。此外，3D 打印模板的制造过程可减少木材、钢材等传统材料消耗，符合绿色施工理念；且模板设计数据可重复调用，便于同类工程快速复制应用。

2.3 装配式铝合金模板体系

装配式铝合金模板体系采用高强度铝合金挤压型材加工而成，通过标准化模块设计与销钉销片连接，实现快速组装与拆卸。其单块模板重量仅为同规格钢模板的 1/3，极大降低了人工搬运难度，尤其适用于高空作业场景。该体系的承载力可达60kN/㎡，能够满足大仓面混凝土浇筑的荷载需求，且铝合金材质具有良好的耐腐蚀性，模板周转次数超过 ，大幅降低材料损耗成本。在异形结构施工中，装配式铝合金模板可通过定制化设计，生产适配复杂曲面的专用模块，并与标准模块灵活组合。拆模后混凝土表面平整度可达3mm 以内，达到清水混凝土标准，减少后期抹灰、修补工序。此外，该体系的安装流程标准化程度高，施工人员经简单培训即可上手操作，有效缩短工期；且施工完成后模板可回收再利用，残值率高，经济效益显著。

2.4 曲面可调式模板体系

曲面可调式模板体系由可调节骨架与柔性面板组成，通过液压或机械传动装置实现模板曲面形态的动态调整。可调节骨架采用模块化设计，由多个可伸缩单元构成，通过控制单元的伸缩长度改变整体曲率；柔性面板通常选用具有高弹性的复合材料，能够紧密贴合骨架变形后的曲面，确保混凝土浇筑成型精度。该体系的核心优势在于灵活性与通用性，可快速适配渐变曲面结构（如溢流坝面、引水隧洞变径段）施工需求。相较于传统固定曲面模板，其无需为不同曲率单独定制模板，减少模板投入60% 以上，显著降低成本。施工过程中，通过实时监测与调整骨架曲率，可精确控制混凝土表面线型，配合智能监测系统还能实时反馈模板变形数据，保障施工质量与安全，尤其适用于对曲面精度要求严苛的水利工程异形结构。

3 新型模板体系在水利水电异形结构中的应用实践

3.1 异形闸墩施工中的液压自升式模板应用

（1）结构适应性层面：曲面溢流坝的渐变曲面形态对模板的曲面拟合能力提出极高要求。曲面可调式模板体系采用“可调节骨架+柔性面板”的创新结构，通过液压或机械装置驱动骨架变形，带动柔性面板实时贴合设计曲面。在某高拱坝溢流面施工中，该体系通过预设的参数化调节程序，根据溢流面曲率变化自动调整模板形态，无需为不同曲面段单独定制模板，解决了传统模板难以适应复杂曲面的难题。（2）工艺创新层面：该模板体系革新了混凝土浇筑工艺。传统溢流面施工需频繁调整模板，易导致混凝土冷缝、表面不平整等问题。曲面可调式模板实现了连续动态调节，配合分层分段浇筑工艺，确保混凝土浇筑过程不间断。同时，模板内置的温度传感器与应变监测装置，可实时反馈混凝土浇筑过程中的温度变化与模板受力情况，为优化浇筑速度、控制温度裂缝提供数据支持，实现了施工工艺的智能化升级。（3）生态与经济层面：曲面可调式模板体系在生态与经济方面具有双重效益。在生态保护上，减少模板定制意味着降低木材、钢材等资源消耗，符合绿色施工理念；在经济效益上，模板的重复调节使用大幅降低了材料成本，同时减少了因模板频繁拆装导致的混凝土表面缺陷修补费用，提升了工程的投入产出比。

3.2 曲面溢流坝施工中的曲面可调式模板应用

（1）结构适应性层面：曲面溢流坝的渐变曲面形态对模板的曲面拟合能力提出极高要求。曲面可调式模板体系采用“可调节骨架+柔性面板”的创新结构，通过液压或机械装置驱动骨架变形，带动柔性面板实时贴合设计曲面。在某高拱坝溢流面施工中，该体系通过预设的参数化调节程序，根据溢流面曲率变化自动调整模板形态，无需为不同曲面段单独定制模板，解决了传统模板难以适应复杂曲面的难题。（2）工艺创新层面：该模板体系革新了混凝土浇筑工艺。传统溢流面施工需频繁调整模板，易导致混凝土冷缝、表面不平整等问题。曲面可调式模板实现了连续动态调节，配合分层分段浇筑工艺，确保混凝土浇筑过程不间断。同时，模板内置的温度传感器与应变监测装置，可实时反馈混凝土浇筑过程中的温度变化与模板受力情况，为优化浇筑速度、控制温度裂缝提供数据支持，实现了施工工艺的智能化升级。（3）生态与经济层面：曲面可调式模板体系在生态与经济方面具有双重效益。在生态保护上，减少模板定制意味着降低木材、钢材等资源消耗，符合绿色施工理念；在经济效益上，模板的重复调节使用大幅降低了材料成本，同时减少了因模板频繁拆装导致的混凝土表面缺陷修补费用，提升了工程的投入产出比。

3.3 蜗壳结构施工中的BIM-3D 打印模板应用

（1）结构适应性层面：曲面溢流坝的渐变曲面形态对模板的曲面拟合能力提出极高要求。曲面可调式模板体系采用“可调节骨架+柔性面板”的创新结构，通过液压或机械装置驱动骨架变形，带动柔性面板实时贴合设计曲面。在某高拱坝溢流面施工中，该体系通过预设的参数化调节程序，根据溢流面曲率变化自动调整模板形态，无需为不同曲面段单独定制模板，解决了传统模板难以适应复杂曲面的难题。（2）工艺创新层面：该模板体系革新了混凝土浇筑工艺。传统溢流面施工需频繁调整模板，易导致混凝土冷缝、表面不平整等问题。曲面可调式模板实现了连续动态调节，配合分层分段浇筑工艺，确保混凝土浇筑过程不间断。同时，模板内置的温度传感器与应变监测装置，可实时反馈混凝土浇筑过程中的温度变化与模板受力情况，为优化浇筑速度、控制温度裂缝提供数据支持，实现了施工工艺的智能化升级。（3）生态与经济层面：曲面可调式模板体系在生态与经济方面具有双重效益。在生态保护上，减少模板定制意味着降低木材、钢材等资源消耗，符合绿色施工理念；在经济效益上，模板的重复调节使用大幅降低了材料成本，同时减少了因模板频繁拆装导致的混凝土表面缺陷修补费用，提升了工程的投入产出比。（4）个性化定制服务角度：针对蜗壳结构复杂、尺寸精度要求高的特点，BIM-3D 打印模板提供了个性化定制服务。传统模板难以满足蜗壳的特殊需求，而 3D 打印技术能够根据蜗壳的具体设计参数，定制出独一无二的模板。从曲面形态到连接节点，每一个细节都能严格按照设计要求制造，真正实现了“量体裁衣”。这种个性化定制服务，不仅保证了蜗壳施工的精度，还为水利水电工程中其他异形结构的施工提供了一种全新的解决思路，满足了工程建设日益多样化的需求。

4 新型模板体系应用效益分析

4.1 质量效益

新型模板体系凭借高精度设计与智能化控制，从根源上解决了异形结构施工的质量难题。液压自升式模板的智能监测与自动纠偏功能，确保了混凝土结构的垂直度与平整度；BIM-3D 打印模板能够精准复刻复杂曲面设计，实现毫米级误差控制，有效避免传统模板“以直代曲”导致的线型偏差。曲面可调式模板则通过实时动态调节，保证了溢流坝面等渐变曲面结构的成型精度，使混凝土表面糙率完全满足水力学设计要求。这些技术极大减少了蜂窝、麻面、漏浆等常见缺陷，部分工程甚至达到免装修标准，显著提升了水利水电工程的耐久性与功能性。

4.2 工期效益

新型模板体系的自动化与模块化特性显著提升了施工效率。液压自升式模板实现模板整体快速提升，将传统工艺中需数天完成的模板拆装工作缩短至数小时，形成“浇筑-提升-定位”的高效作业循环；装配式铝合金模板通过标准化模块快速组装，大幅减少现场加工时间；3D 打印模板则省去了复杂的现场拼接工序，直接安装即可施工。这些技术的应用使关键线路工期平均缩短 20%-30% ，有效缓解了水利工程因季节性施工、蓄水节点等带来的工期压力，保障项目按时交付。

4.3 经济效益

尽管新型模板体系初期采购成本相对较高，但其长期经济效益显著。装配式铝合金模板的高周转性能（可达 200 次以上）与低损耗率，大幅摊薄了单次使用成本；曲面可调式模板通过参数化调节适配多种曲面，减少 60% 以上的模板定制投入；3D 打印模板的数字化设计可重复利用，降低了设计与制造成本。此外，新型模板减少了混凝土修补、抹灰等二次作业，降低人工与材料消耗；工期的缩短进一步节约了机械租赁、场地占用等间接成本，综合测算显示，采用新型模板体系可使工程总成本降低15%-25% 。

4.4 安全效益

新型模板体系从技术层面降低了施工安全风险。液压自升式模板减少了高空模板拆装的人工作业量，降低了高处坠落与物体打击风险；装配式铝合金模板重量轻、拼接便捷，避免了传统钢模板吊装时因超重引发的安全隐患；曲面可调式模板的智能监测系统实时反馈模板受力状态，提前预警坍塌风险。这些技术革新有效改善了作业环境，减少了安全防护设施投入，降低了安全事故发生率，为施工人员营造了更安全的作业条件，同时也降低了企业的安全管理成本与潜在风险损失。

5 结束语

新型模板体系凭借智能化、高精度、高周转等优势，有效解决了水利水电工程异形结构施工难题，在质量、工期、成本与安全方面展现显著效益。未来，随着3D 打印、智能控制等技术的发展，模板体系将向数字化、绿色化方向深化，如研发可重复利用的智能模板、集成监测功能的自感知模板等。建议进一步加强新型模板体系的标准化研究与工程