一种预制装配式气膜混凝土壳及其制作方法技术领域
本发明涉及一种混凝土壳，尤其涉及一种预制装配式气膜混凝土壳及其制作方
法，属于土木工程技术领域，可应用于建筑、桥梁、水利工程等领域的预制装配
式结构。
背景技术
混凝土壳是一种力学性能优异的结构形式，曾一度被广泛应用于大跨度工程
结构。混凝土壳利用材料抗压性能抵抗外荷载，壳体中弯矩和剪力很小，因此可
以充分发挥混凝土抗压性能好的特点，被认为是受力最为合理的混凝土结构。
但是混凝土壳表面为曲面，现浇混凝土施工难度大、材料人力消耗大、建造
成本高，近些年来逐渐被钢网壳结构取代。然而钢结构的耐高温、耐腐蚀性能和
使用寿命都不如混凝土结构，对于煤炭、核电等工程领域，仍然采用混凝土壳。
若能解决混凝土壳施工难度大的问题，降低其建造成本，将会大力推动混凝土壳
的应用与发展。
因此，本领域的技术人员致力于开发一种混凝土壳的施工技术，减小混凝土
壳的施工难度，减少材料人力消耗和建造成本，提高混凝土壳的施工速度。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种施工简单、
精度高、材料人力消耗小、建造成本低的预制装配式混凝土壳及其制作方法。
为实现上述目的，本发明提供了一种预制装配式气膜混凝土壳，包括砌块组件、
拉结网格和表层混凝土；砌块组件、拉结网格和表层混凝土构成预制装配式气膜
混凝土壳的壳体；
其中，砌块组件包括第一砌块和多个第二砌块，第一砌块位于预制装配式气
膜混凝土壳的顶部，多个第二砌块位于预制装配式气膜混凝土壳的顶部以下，且
多个第二砌块围绕第一砌块的周向分布；当预制装配式气膜混凝土壳处于平面位
置时，即第一砌块和第二砌块在平面内摆放时，沿第一砌块的径向方向或沿壳体
的径向方向多个第二砌块构成一个扇面，使得多个扇面围绕第一砌块的周向分布，
且两两扇面之间具有第一楔形缝隙；
拉结网格铺设于砌块组件的外侧，表层混凝土浇筑于拉结网格的外侧；
当在砌块组件的内侧设置用于充气后顶升砌块组件的第一薄膜充气囊体，并
对第一薄膜充气囊体逐渐充气时，预制装配式气膜混凝土壳从平面位置顶升至空
间设计位置。
进一步地，第一楔形缝隙处设置有第二薄膜充气囊体，第二薄膜充气囊体被
充气后体积膨胀，用于调节第一楔形缝隙的大小，并防止第一薄膜充气囊体在第
一楔形缝隙处发生破坏。
进一步地，当预制装配式气膜混凝土壳处于空间设计位置时，预制装配式气
膜混凝土壳的壳体形状为球面、椭球面、圆柱面、抛物面或自由曲面。
进一步地，当预制装配式气膜混凝土壳处于平面位置时，在每个扇面中，沿
第一砌块的径向方向或沿壳体的径向方向，两两第二砌块之间具有第二楔形缝隙。
更进一步地，第二砌块与第一薄膜充气囊体之间设置有承压板，承压板用于
防止第一薄膜充气囊体被充气后进入第二楔形缝隙中。
进一步地，当预制装配式气膜混凝土壳顶升至空间设计位置后，第一楔形缝
隙变窄，从而成为窄缝，窄缝内被复合材料网片和水泥砂浆填充密实。
进一步地，第一砌块内设置有增强钢筋或复合材料筋，以增强其强度。
进一步地，每个第二砌块内沿预制装配式气膜混凝土壳的壳体的环向方向设
置有增强钢筋或复合材料筋，以增强其强度。
进一步地，每个第二砌块沿预制装配式气膜混凝土壳的壳体的环向方向设置
有孔道，孔道内穿设有环向预应力筋，当环向预应力筋被张拉后，孔道内被灌注
水泥砂浆。
进一步地，第一薄膜充气囊体和第二薄膜充气囊体均为气密柔性结构。
更进一步地，第一薄膜充气囊体的形状与预制装配式气膜混凝土壳的壳体的
形状配合，第一薄膜充气囊体的表面与壳体的内表面重合，且其大小小于预制装
配式气膜混凝土壳的壳体的大小，以避免顶升过程中预制装配式气膜混凝土壳的
壳体的底部向内侧移动而破坏第一薄膜充气囊体。
更进一步地，第二薄膜充气囊体的形状与第二楔形缝隙的形状配合。
进一步地，第一薄膜充气囊体和第二薄膜充气囊体均由涂层或层压织物膜材
制成。
进一步地，拉结网格由纤维增强复合材料或钢丝绳制成，纤维增强复合材料
由连续玻璃或碳纤维与树脂基体组成。
进一步地，预制装配式气膜混凝土壳的壳体的外侧被喷射一层混凝土，以增
加预制装配式气膜混凝土壳的厚度。
进一步地，每个第二砌块的内侧或外侧对应一个平面，使得预制装配式气膜
混凝土壳由多个平面构成，相邻平面间的交点位于预制装配式气膜混凝土壳的壳
体所在的曲面上。
进一步地，每个第二砌块的内侧或外侧所在的平面呈四边形。
进一步地，每个第二砌块沿预制装配式气膜混凝土壳法壳体的径向的端面具
有凸台，该凸台用于放置复合材料网片和填充水泥砂浆，以增大窄缝处连接接触
面，提高连接强度。
本发明所提到的“内侧”和“外侧”指的是，当预制装配式气膜混凝土壳的
壳体的底部置于水平面时，正对水平面或相对靠近水平面的一侧为“内侧”，相
对远离水平面、与“内侧”相对的一侧为“外侧”。
本发明还提供了一种上述预制装配式气膜混凝土壳的制作方法，包括以下四个
阶段：
第一阶段为预制加工阶段：预制第一砌块和第二砌块，加工制作第一薄膜充
气囊体和第二薄膜充气囊体；
第二阶段为平面装配阶段：首先在工作平面(水平面)上放置第一薄膜充气
囊体，然后将第一砌块和第二砌块放置在第一薄膜充气囊体的上面(或外侧)，
并在第一砌块和第二砌块的上面(或外侧)铺设拉结网格，之后在第二砌块中的
预留孔道内穿环向预应力筋，并在第二砌块间的第二楔形缝隙处安装第二薄膜充
气囊，最后在拉结网格的上面(或外侧)浇筑表层混凝土；
其中，将多个第二砌块围绕第一砌块的周向分布，使得沿第一砌块的径向方
向多个第二砌块构成一个扇面，从而多个扇面围绕第一砌块的周向分布，使两两
扇面之间具有第一楔形缝隙；在每个扇面中，沿第一砌块的径向方向，使两两第
二砌块之间具有第二楔形缝隙；
第三阶段为充气顶升阶段：表层混凝土的强度满足设计要求后，对第二薄膜
充气囊体进行充气，然后对第一薄膜充气囊体进行缓慢充气，控制顶升速度，同
时调节第二薄膜充气囊体的气压，控制扇面间距，使混凝土结构整体均匀稳定上
升，直到设计高度；
第四阶段为空间装配阶段：将第二砌块构成的扇面之间的缝隙用复合材料网
片和水泥砂浆填充密实，待水泥砂浆强度达到设计要求后张拉环向预应力筋。
进一步地，通过充气管对第一薄膜充气囊体和第二薄膜充气囊体进行充气。
本发明将混凝土壳分割成顶部环形部分(第一砌块构成)和若干扇形部分(多
个第二砌块构成)，每个扇形部分由若干四边形平板组成。本发明中混凝土壳由
若干平面组成，相邻平面间的交点则位于理想混凝土壳的曲面上。每个第二砌块
对应一个平面，第二砌块之间在环向预留第一楔形缝隙，在径向预留第二楔形缝
隙。第一楔形缝隙和第二楔形缝隙在混凝土壳顶升到位时闭合，第二砌块之间通
过接触传递壳体径向压力。第二砌块之间环向由复合材料网片和水泥砂浆连接，
并由环向预应力筋张拉锁紧，从而保证混凝土壳环向的整体性。本发明创新地将
混凝土壳离散成若干混凝土板，方便预制和装配。同时利用第一薄膜充气囊体，
将平面放置的混凝土板顶升到设计高度，从而形成处于空间设计位置的预制装配
式气膜混凝土壳。
本发明的预制装配式混凝土壳具有制作方法简单、精度高、材料人力消耗小、
建造成本低的优点，可应用于建筑、桥梁、水利工程等领域的预制装配式结构中。
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以
充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
图1是本发明的一个较佳实施例的预制装配式气膜混凝土壳的结构平面图；
图2是图1中的A-A剖面图；
图3是图1中的A-A剖面充气顶升到位后的状态；
图4是本发明的一个较佳实施例的预制装配式气膜混凝土壳充气顶升过程中
的三维视图；
图5是本发明的一个较佳实施例的预制装配式气膜混凝土壳充气顶升到位后
的三维视图；
图6是本发明的一个较佳实施例的预制装配式气膜混凝土壳处于平面放置时
各部分组成的分离示意图；
图7是图1中的B-B剖面图；
图8是图5中的C-C剖面图。
具体实施方式
如图1～8所示，本发明的一个较佳实施例给出了一种预制装配式气膜混凝土壳，
包括砌块组件、拉结网格6和表层混凝土8；砌块组件、拉结网格6和表层混凝土
8构成本实施例的预制装配式气膜混凝土壳的壳体；
其中，砌块组件包括第一砌块2和多个第二砌块7，第一砌块2位于预制装配
式气膜混凝土壳的顶部，多个第二砌块7位于预制装配式气膜混凝土壳的顶部以
下，且多个第二砌块7围绕第一砌块2的周向分布；当预制装配式气膜混凝土壳
处于平面位置时(参见图1)，即第一砌块2和第二砌块7在平面内摆放时，沿第
一砌块2的径向方向或沿壳体的径向方向多个第二砌块7构成一个扇面3，使得多
个扇面3围绕第一砌块2的周向分布，且两两扇面3之间具有第一楔形缝隙4；
拉结网格6铺设于砌块组件的外侧，表层混凝土8浇筑于拉结网格6的外侧；
当在砌块组件的内侧设置用于充气后顶升砌块组件的第一薄膜充气囊体9，并
对第一薄膜充气囊体9逐渐充气时，预制装配式气膜混凝土壳从平面位置(图1)
顶升至空间设计位置(图5)。
本实施例的第一楔形缝隙4处设置有第二薄膜充气囊体19，第二薄膜充气囊
体19被充气后体积膨胀，用于调节第一楔形缝隙4的大小，并防止第一薄膜充气
囊体9在第一楔形缝隙4处发生破坏。
本实施例中，当预制装配式气膜混凝土壳处于空间设计位置(图5)时，预制
装配式气膜混凝土壳的壳体形状为球面，在其它实施例中也可以为椭球面、圆柱
面、抛物面或自由曲面。
当本实施例的预制装配式气膜混凝土壳处于平面位置时，在每个扇面3中，
沿第一砌块2的径向方向或沿壳体的径向方向，两两第二砌块7之间具有第二楔
形缝隙14(见图2)。第二砌块7与第一薄膜充气囊体9之间设置有承压板13，
承压板13用于防止第一薄膜充气囊体9被充气后进入第二楔形缝隙14中。
当本实施例的预制装配式气膜混凝土壳顶升至空间设计位置后，第一楔形缝
隙4变窄，从而成为窄缝，窄缝内被复合材料网片15和水泥砂浆16填充密实(见
图7)。
为了增强第一砌块2的强度，第一砌块2内可以设置增强钢筋或复合材料筋。
类似地，每个第二砌块7内沿预制装配式气膜混凝土壳的壳体的环向方向可以设
置有增强钢筋或复合材料筋，以增强其强度。
本实施例中，每个第二砌块7沿预制装配式气膜混凝土壳的壳体的环向方向
设置有孔道18(见图6)，孔道18内穿设有环向预应力筋5，当环向预应力筋5
被张拉后，孔道内被灌注水泥砂浆。
本实施例的第一薄膜充气囊体9和第二薄膜充气囊体19均为气密柔性结构。
第一薄膜充气囊体9的形状与预制装配式气膜混凝土壳的壳体的形状配合，第一
薄膜充气囊体9的表面与预制装配式气膜混凝土壳的壳体的内表面重合，且其大
小小于预制装配式气膜混凝土壳的壳体的大小，以避免顶升过程中预制装配式气
膜混凝土壳的壳体的底部向内侧移动而破坏第一薄膜充气囊体9。第二薄膜充气囊
体19的形状与第二楔形缝隙14的形状配合。第一薄膜充气囊体9和第二薄膜充
气囊体19均由涂层或层压织物膜材制成。
本实施例中，拉结网格6由纤维增强复合材料或钢丝绳制成，纤维增强复合
材料由连续玻璃或碳纤维与树脂基体组成。
为了增加预制装配式气膜混凝土壳的厚度，可以在预制装配式气膜混凝土壳
的壳体的外侧被喷射一层混凝土。
本实施例的预制装配式气膜混凝土壳的壳体重，每个第二砌块7的内侧或外
侧对应一个平面，使得该混凝土壳由多个平面构成，相邻平面间的交点位于预制
装配式气膜混凝土壳的壳体所在的曲面上。每个第二砌块7的内侧或外侧所在的
平面呈四边形。
另外，每个第二砌块7沿预制装配式气膜混凝土壳的壳体的径向的端面具有
凸台17，用于放置复合材料网片15和填充水泥砂浆16，以增大窄缝处连接接触
面，提高连接强度(见图7)。
本实施例所提到的“内侧”和“外侧”指的是，当预制装配式气膜混凝土壳
的壳体的底部置于水平面时，正对水平面或相对靠近水平面的一侧为“内侧”，
相对远离水平面、与“内侧”相对的一侧为“外侧”。
本实施例的预制装配式气膜混凝土壳的壳体的制作方法，包括以下四个阶段：
第一阶段为预制加工阶段：预制第一砌块2和第二砌块7，加工制作第一薄膜
充气囊体9和第二薄膜充气囊体19；
第二阶段为平面装配阶段：首先在工作平面(水平面)上放置第一薄膜充气
囊体9，然后将第一砌块2和第二砌块7放置在第一薄膜充气囊体9的上面(或外
侧)，并在第一砌块2和第二砌块19的上面(或外侧)铺设拉结网格6，之后在
第二砌块7中的预留孔道18内穿环向预应力筋5，并在第二砌块7间的第二楔形
缝隙14处安装第二薄膜充气囊19，最后在拉结网格6的上面(或外侧)浇筑表层
混凝土8；
其中，将多个第二砌块7围绕第一砌块2的周向分布，使得沿第一砌块2的
径向方向多个第二砌块7构成一个扇面3，从而多个扇面3围绕第一砌块2的周向
分布，使两两扇面3之间具有第一楔形缝隙4；在每个扇面中，沿第一砌块2的径
向方向，使两两第二砌块7之间具有第二楔形缝隙14；
第三阶段为充气顶升阶段：表层混凝土8的强度满足设计要求后，对第二薄
膜充气囊体19进行充气10，然后对第一薄膜充气囊体9进行缓慢充气10，控制
顶升速度，同时调节第二薄膜充气囊体19的气压，控制扇面3的间距，使混凝土
结构整体均匀稳定上升，直到设计高度；
第四阶段为空间装配阶段：将第二砌块7构成的扇面3之间的缝隙用复合材
料网片15和水泥砂浆16填充密实，待水泥砂浆16的强度达到设计要求后张拉环
向预应力筋5。
进一步地，通过充气管11对第一薄膜充气囊体9和第二薄膜充气囊体19进
行充气10。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无
需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中
技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可
以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。