仿生態(tài)裝飾鋼板施工技術(shù)

（北京市機械施工有限公司，北京 100045）

1 工程概況

北京市延慶區(qū)葡萄博覽園配套基礎(chǔ)設(shè)施項目為第十一屆世界葡萄博覽園主會場，總建筑面積約1.5 萬m2，該建筑群設(shè)計新穎別致，突出了植物世界與大自然的高度融合，異型植物造型具有強烈的視覺沖擊力。北門鋼結(jié)構(gòu)由北大門和北小門組成，作為整個葡萄博覽園葡萄藤蔓上的一個支蔓，通過園區(qū)道路融入園區(qū)中，采用大跨度傾斜管桁架結(jié)構(gòu)，造型類似于斜向放置的圓環(huán)。北大門桁架最大懸挑距離接近45.5m，高16.5m；北小門最大懸挑距離接近16.9m，高約8m。桁架截面均隨著高度扭曲不斷變化，大門共由2 280塊裝飾鋼板密拼而成，小門共由567 塊裝飾鋼板密拼而成，裝飾采用6mm 耐候鋼板，耐候鋼板自然銹蝕后的鐵銹色，與周圍環(huán)境融為一體，形成逼真的仿生態(tài)效果。大門與小門連同業(yè)務(wù)用房就像3 粒鮮活的葡萄，自然而大氣。

2 工程的重點及難點分析

1）本工程為截面漸變且扭曲的斜向放置的圓環(huán)，此截面形式給深化建模及加工下料帶來了極大的困難，加工下料需要將扭曲的裝飾板進(jìn)行合理的分塊然后展開，這樣才能在充分利用原材料的前提下進(jìn)行合理的排料和下料。

2）本工程裝飾板全部為沒有規(guī)律的雙曲面。如何保證如此多的裝飾板在安裝時平滑過渡，控制好建筑的造型，實現(xiàn)建筑師的意圖，保證扭曲造型裝飾鋼板安裝及立體效果是本工程的重點。

3）如何保證扭曲的裝飾鋼板的加工弧度、尺寸精度是本工程的難點。

4）空間定位放線涉及整個工程的方方面面，本工程需要測設(shè)的定位點達(dá)3 000 個，也是決定建筑造型的關(guān)鍵。

5）本工程的采用焊縫連接，裝飾板厚度為6mm，焊縫長度到5 000m，有2/3 屬于仰縫和立縫，且在高空作業(yè)，如何在減小焊接變形，保證焊接質(zhì)量是本工程的重點。

3 施工工藝流程及操作要點

3.1 施工工藝流程

施工工藝流程：前期準(zhǔn)備→建深化設(shè)計→裝飾鋼板下料→定位放線→安裝主龍骨→安裝次龍骨→安裝裝飾鋼板→焊接→打磨處理。

3.2 深化設(shè)計

深化設(shè)計工作包括：建立三維模型、4 條外邊線擬合、確定裝飾鋼板分段點、確定控制點坐標(biāo)、繪制裝飾鋼板展開圖。

本工程具有獨特的建筑造型、多維的建筑立面、多變的建筑參數(shù)等特點，依據(jù)建筑施工圖紙和復(fù)測調(diào)整后的鋼結(jié)構(gòu)實體模型用Rhinoceros4.0進(jìn)行三維建模。根據(jù)實際情況對4 條邊線進(jìn)行擬合，保證裝飾板平滑過渡，生成不同方向的投影視圖。

在擬合后的三維模型上進(jìn)行裝飾板的分格，沿4 條邊線每隔600mm 左右確定1 個分格點，同時進(jìn)行保證同1 個截面上的4 條切線盡可能扭曲的小，當(dāng)扭曲增大到一定程度時，采用增加三角形和矩形板的辦法來調(diào)整。為了提高裝飾板材料的利用率和安裝簡便，對于上側(cè)和下側(cè)裝飾板沿切線放線進(jìn)行分段，切線長度9m 以下是分成兩段，切線長度9m 以上是分成3 段。整個北大門的裝飾板共分為2 280 塊，均為雙曲面。

采用Rhinoceros4.0 軟件把分格后的裝飾板展開，導(dǎo)出為CAD 文件，生成裝飾板分格圖和裝飾板加工圖，交給加工廠安排生產(chǎn)。

如果他買兩分錢的花生米來吃，他的父親便說：“孩子，要記住富蘭克林說過的話——‘省一分錢等于賺一分錢’。”

本工程裝飾板之間采用焊接，焊縫下設(shè)置龍骨，龍骨既起支架作用也做墊板使用，所以裝飾板的分格線既龍骨上皮的中心線。在分格后的模型中，在裝飾板的內(nèi)部生產(chǎn)龍骨的三維實體，然后生成施工所需要的三維龍骨定位圖等。

以三維空間建模為主線，依據(jù)生成的數(shù)據(jù)指導(dǎo)裝飾板加工和安裝等工作。在工程的整個施工過程中，均采用同一個三維實體模型，確保各個階段的精度達(dá)到設(shè)計要求。

3.3 加工制作

本工程裝飾鋼板均為空間扭曲結(jié)構(gòu)，每塊裝飾鋼板都有不同的曲率，由于裝飾鋼板厚度為6mm，其自身韌性較好，且其分塊后均為細(xì)長條狀，所以可以依據(jù)已經(jīng)確定龍骨的位置，人工扭曲成型。也就是說，裝飾鋼板加工出來時全部都是平板，在安裝工程中，利用其自身韌性形成弧面。這樣大大降低了加工的難度。

采用Rhinoceros4.0 將每塊空間彎曲的裝飾鋼板轉(zhuǎn)展開成平面鋼板，每塊展開后的裝飾鋼板均生成dxf 文件，將dxf 文件導(dǎo)入到排版軟件中自動完成排版，然后進(jìn)行裝飾鋼板的數(shù)控自動加工，再打磨和標(biāo)識，加工完成。必須嚴(yán)格控制加工精度，誤差控制在1mm。

3.4 現(xiàn)場安裝

針對裝飾鋼板空間扭曲大的特點，采用了分塊密拼技術(shù)，由中間同時向兩側(cè)安裝。保證安裝精度的關(guān)鍵是保證北門4 條邊線的空間位置，本工程采用了每條邊線上每隔500mm 用全站儀測設(shè)1 個控制點的方案。

具體安裝順序為：安裝上面龍骨→安裝下面龍骨→安裝上面裝飾板→安裝下面裝飾板→安裝左右兩側(cè)面的龍骨→安裝左右側(cè)面的裝飾板。

3.4.1 測量定位

測量時本工程的關(guān)鍵工作，而且工程量巨大，每塊裝飾鋼板的4 個角點坐標(biāo)都需要測設(shè)出來。大、小門共計測設(shè)4 000 多個坐標(biāo)點。

1）鋼結(jié)構(gòu)復(fù)測 為了掌握鋼結(jié)構(gòu)安裝過程中出現(xiàn)的變形現(xiàn)象，需要對鋼結(jié)構(gòu)整體和局部進(jìn)行變形監(jiān)測。本工程的變形監(jiān)測均采用電子測量儀器進(jìn)行，實行數(shù)據(jù)采集和分析的自動化、智能化。每次監(jiān)測結(jié)束后，分析得出變形規(guī)律及發(fā)展變化趨勢等信息。裝飾鋼板作為鋼結(jié)構(gòu)的覆蓋層，鋼結(jié)構(gòu)臨時支撐卸載沉降完成后的實際情況是影響整個施工過程的重要條件。針對本工程的實際情況，采用了全站儀進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)面的數(shù)據(jù)采集。與鋼結(jié)構(gòu)采用相同的坐標(biāo)系，采用全站儀對鋼結(jié)構(gòu)安裝時的控制點進(jìn)行復(fù)測，記錄每個控制點的x，y，z坐標(biāo)值，將記錄好的坐標(biāo)值輸入到鋼結(jié)構(gòu)模型中，進(jìn)行比對分析，確定現(xiàn)場鋼結(jié)構(gòu)的偏移情況和偏移量，作為對設(shè)計圖紙調(diào)整深化的數(shù)字支撐。

2）控制點測量定位 本工程測量定位采用了三維空間測量技術(shù)，主要使用全站儀。采用與原鋼結(jié)構(gòu)相同的坐標(biāo)系，從所創(chuàng)建的三維模型導(dǎo)出待測點的空間坐標(biāo)。由于待測點在鋼結(jié)構(gòu)外側(cè)，無法標(biāo)在鋼結(jié)構(gòu)主體上，所以用短鋼筋臨時焊接在鋼結(jié)構(gòu)上，在鋼筋上標(biāo)出待測點的位置。

3）變形監(jiān)測 由于本工程采用傾斜大懸挑結(jié)構(gòu)樣式，鋼結(jié)構(gòu)的下?lián)隙容^大，安裝精度要求又特別高，所以在裝飾板施工時必須加強監(jiān)測。施工中用全站儀測量鋼結(jié)構(gòu)主體的撓度、水平位置、標(biāo)高和幾何尺寸，進(jìn)行全面跟蹤、精確測量，并與設(shè)計數(shù)值對比，確保偏移值在允許的范圍內(nèi)，一旦發(fā)現(xiàn)問題，根據(jù)調(diào)整后的數(shù)據(jù)，安裝剩余裝飾鋼板，確保安裝完成后整體建筑效果。

3.4.2 安裝龍骨

龍骨是關(guān)鍵工序，施工質(zhì)量的好壞直接影響裝飾板的平整、美觀以及連接強度。通過支托調(diào)整主龍骨安裝位置，再安裝次龍骨。支托與鋼結(jié)構(gòu)、主龍骨與支托、主龍骨與次龍骨間，均采用焊接連接。

主龍骨采用口50mm×50mm×3mm 的鍍鋅方管，次龍骨采用口50mm×25mm×2.5mm 的鍍鋅矩形管。

造型的扭曲，造成了龍骨接口均為毫無規(guī)律的相貫，且每個接口均不相同，龍骨的制作難度巨大。為了方便操作，經(jīng)與設(shè)計院協(xié)調(diào)將龍骨的兩端均減短100mm，這樣龍骨兩端都變成了直口。主龍骨安裝采用掛繩法：①安裝上面龍骨時，將主龍骨上皮的中心線與掛好的安裝線對齊，龍骨兩端各留100mm 距離，然后把龍骨與鋼結(jié)構(gòu)連接；②安裝下面龍骨時，將主龍骨下皮的中心線與掛好的安裝線對齊，龍骨兩端各留100mm 距離，然后把龍骨與鋼結(jié)構(gòu)連接；③安裝左右兩側(cè)面龍骨時，將主龍骨側(cè)面的中心線與掛好的安裝線對齊，龍骨兩端各留100mm 距離，然后把龍骨與鋼結(jié)構(gòu)連接。次龍骨安裝時，用卷尺測出主龍骨的等分點，然后用次龍骨把等分點連接起來。龍骨安裝時一定控制好精度，誤差控制在2mm，要保證龍骨與鋼結(jié)構(gòu)的可靠連接。

3.4.3 安裝裝飾板

裝飾板進(jìn)場后首先進(jìn)行進(jìn)場驗收，一定要控制進(jìn)場裝飾的誤差，并按編號順序擺放好。在龍骨上彈出裝飾板的邊線，將裝飾板一角貼到對應(yīng)的彈好的邊線上，然后向?qū)瞧戒?，利用其自身韌性形成扭曲面。

裝飾鋼板與龍骨連接方式為焊接，由于鋼板較薄，為防止焊接變形過大，故采用多點加固的安裝方式進(jìn)行安裝，即安裝時盡量將裝飾鋼板與龍骨多點焊幾點，固定牢固，同時避免較大的焊接變形?，F(xiàn)場安裝時，調(diào)整好偏差，通過板縫消化誤差，避免造成裝飾板弧形過渡不暢，影響建筑造型。需要控制好裝飾鋼板的拼接順暢，以實現(xiàn)整個造型的流暢、曲面的順滑。本工程每隔15 塊板預(yù)留一道10mm 的安裝調(diào)節(jié)縫，消化安裝誤差。

3.5 焊接工藝

焊接工作是整個工程的重要工序，直接影響到工程的總體質(zhì)量和工程進(jìn)度。因而必須針對具體結(jié)構(gòu)形式，制定并采用科學(xué)的焊接工藝，合理的安排工序方能確保整個工程優(yōu)質(zhì)高速的完成。

本工程的裝飾鋼板厚度僅為6mm，焊接變形及應(yīng)力控制是本工程的重點和難點，我們采用了以下幾點關(guān)鍵措施保證焊接質(zhì)量：①構(gòu)件安裝時不得強行裝配，致使產(chǎn)生初始裝配應(yīng)力；②采用合理的焊接順序，對稱焊、分段焊；③先焊接收縮量大的接頭，后焊接收縮量小的接頭，應(yīng)在盡可能小的約束小焊接；④預(yù)先合理設(shè)置收縮余量；⑤采取高效的CO2焊接方法，可減少焊接道數(shù)，降低焊接變形和殘余應(yīng)力；⑥通過有效的工藝和焊接控制，防止或降低焊接接頭的返修，可避免焊接接頭應(yīng)力增加；⑦同一塊裝飾鋼板兩端不同時焊接；⑧長焊縫要多人同時焊接；⑨在焊接施工中嚴(yán)格按確定的工藝參數(shù)執(zhí)行；⑩做好防風(fēng)、防雨、防潮措施。

安裝焊接完成后，為使裝飾鋼板先裝的部分與后裝的部分顏色保持一致，同時為了提高感官效果，將整個面板統(tǒng)一打磨一遍，尤其是焊縫部分，更應(yīng)加強處理。

4 結(jié)語

通過的北門裝飾鋼板的施工，解決了延慶區(qū)葡萄大會葡萄博覽園配套基礎(chǔ)設(shè)施項目北大門和北小門的復(fù)雜性和特殊性技術(shù)難題，將設(shè)計理念完美地體現(xiàn)出來了，實現(xiàn)了建筑效果，提高了大門的安全性、實用性；對于類似項目的深化設(shè)計具有重要指導(dǎo)意義。