淺談特別復(fù)雜造型鋼結(jié)構(gòu)支撐體系幕墻設(shè)計(jì)與施工

劉升華

深圳市嘉信建設(shè)集團(tuán)有限公司 廣東 深圳 518007

1 前海深港青年夢(mèng)工場(chǎng)二期幕墻工程概況

前海深港青年夢(mèng)工場(chǎng)二期項(xiàng)目總用地面積約10000m2，總建筑面積約20000m2。項(xiàng)目包括兩棟科研辦公樓，其中1#樓為孵化器、 2#樓為加速器。

根據(jù)現(xiàn)有資料顯示，前海深港青年夢(mèng)工場(chǎng)二期幕墻工程是國(guó)內(nèi)目前為止唯一一個(gè)空間異型鋁板建筑幕墻，該項(xiàng)目主要包括以下幾種形式的幕墻：橫明豎隱構(gòu)件式玻璃幕墻，氟碳噴涂穿孔鋁板幕墻，氟碳噴涂鋁合金格柵，全玻式幕墻、點(diǎn)支承式玻璃幕墻、發(fā)光特色墻幕墻。

本項(xiàng)目中的1#樓（孵化器）外立面由217個(gè)三角形的切割面組成，包括有374條棱線和147個(gè)交匯點(diǎn)，外觀造型為“鉆石”形狀，這也是本項(xiàng)目中最具特點(diǎn)的部分。外立面的三角形切割面材料為穿孔鋁板，穿孔鋁板幕墻在1#樓（孵化器樓）的外墻覆蓋率超過(guò)80%，氟碳噴涂穿孔鋁板幕墻是前海深港青年夢(mèng)工場(chǎng)二期工程整體造型特點(diǎn)的集中體現(xiàn)，穿孔鋁板選用的是3mm厚的氟碳噴涂鋁單板，沖孔形式為長(zhǎng)圓形，沿水平方向布置，同時(shí)，在穿孔鋁板的拼接交接部位預(yù)留有LED燈帶；每組氟碳噴涂穿孔鋁板造型為三角形構(gòu)造，并且每組氟碳噴涂三角形穿孔鋁板按照不同的角度進(jìn)行布置，整棟建筑氟碳噴涂穿孔鋁板的外立面呈現(xiàn)出高低起伏的裝飾效果[1]。

圖1 效果圖

圖2 實(shí)景照片

2 項(xiàng)目幕墻設(shè)計(jì)

前海深港青年夢(mèng)工場(chǎng)二期項(xiàng)目幕墻工程選用鋼龍骨作為穿孔鋁板系統(tǒng)的主受力體系，基本構(gòu)造為先將鋼管支座固定在主體結(jié)構(gòu)上，再通過(guò)一段能夠根據(jù)需要調(diào)節(jié)長(zhǎng)短的圓鋼管與玻璃外側(cè)預(yù)留的支座延伸段實(shí)現(xiàn)對(duì)接，延伸段的端頭作為連接穿孔鋁板的次龍骨的固定點(diǎn)；固定點(diǎn)再通過(guò)鉸接機(jī)構(gòu)與穿孔鋁板次龍骨進(jìn)行連接，以釋放彎矩，同時(shí)實(shí)現(xiàn)空間可調(diào)；本項(xiàng)目選用鋼方通作為穿孔鋁板次龍骨；每個(gè)鋼方通次龍骨按照一定的間距預(yù)留若干鋼支座，鋼支座上設(shè)有帶齒形的L型角鋁，L型角鋁可以通過(guò)齒形墊片來(lái)實(shí)現(xiàn)高低方向的調(diào)節(jié)；三角形氟碳噴涂穿孔鋁板通過(guò)鉸接連接機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)面板安裝角度的變化調(diào)節(jié)，通過(guò)以上構(gòu)造設(shè)計(jì)，既實(shí)現(xiàn)了鋼結(jié)構(gòu)安裝過(guò)程的三維調(diào)節(jié)，還有利于彎矩和內(nèi)應(yīng)力的釋放，同時(shí)也便于三角形氟碳噴涂穿孔鋁板的安裝調(diào)節(jié)。

圖3 標(biāo)準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)圖

3 項(xiàng)目幕墻施工

3.1 信息化施工管理技術(shù)

由于本項(xiàng)目鋼結(jié)構(gòu)造型復(fù)雜，異形穿孔鋁板規(guī)格大小不一，角度變化多樣，加工難度大，燈槽的交匯角度非常多。特別是對(duì)于燈槽的相交位置，每個(gè)交點(diǎn)的交角都不一樣，如果按照常規(guī)做法，效率低，且容易出錯(cuò)，因此，我們的項(xiàng)目設(shè)計(jì)師采用BIM建模這一新技術(shù)，通過(guò)BIM模型來(lái)提取鋼結(jié)構(gòu)和穿孔鋁板的加工參數(shù)，幕墻燈槽的彎折角度和拼接角度、燈槽下料規(guī)格、鋁板下料規(guī)格等，然后反饋到生產(chǎn)廠進(jìn)行加工，這樣大大提升了加工精度、生產(chǎn)效率。

3.2 三點(diǎn)式整體吊裝技術(shù)應(yīng)用

1#樓幕墻鋼結(jié)構(gòu)加工及安裝的工作量約120t，異形穿孔鋁板數(shù)量約為2800塊，照明燈帶長(zhǎng)度約為5000m。在施工的過(guò)程中，先按照BIM模型提取的鋼結(jié)構(gòu)參數(shù)，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)在工廠加工好，并按照施工排版進(jìn)行一對(duì)一編號(hào)，運(yùn)到工地后，鋼結(jié)構(gòu)工程采用分榀三點(diǎn)式整體吊裝的安裝方式，在鋼結(jié)構(gòu)組件就位后進(jìn)行焊接，這樣既減少了現(xiàn)場(chǎng)的工作量，有利于保證產(chǎn)品的質(zhì)量，也便于安裝過(guò)程的定位調(diào)節(jié)；由于異形穿孔鋁板進(jìn)出變化大，且沒(méi)有任何規(guī)律，給安裝施工增加了非常大的難度，項(xiàng)目安裝過(guò)程中，我們使用12臺(tái)曲臂車作為升降設(shè)備安裝異形穿孔鋁板，這樣非常方便[2]。

3.3 樣板先行技術(shù)應(yīng)用

到目前為止，異形穿孔鋁板幕墻細(xì)節(jié)處理方式還沒(méi)有有效經(jīng)驗(yàn)可借鑒，因此，對(duì)于項(xiàng)目的設(shè)計(jì)能力、施工過(guò)程的統(tǒng)籌協(xié)調(diào)能力提出了極高的要求。在加工生產(chǎn)過(guò)程中，項(xiàng)目部選取了具有代表性幕墻單元做成實(shí)體樣板，通過(guò)對(duì)樣板的加工、安裝，在批量生產(chǎn)、安裝前發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，并針對(duì)出現(xiàn)的問(wèn)題分析原因，找出解決方案。

3.4 空間異形幕墻施工定位中綜合測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用

1#樓幕墻鋼結(jié)構(gòu)造型復(fù)雜，全部都是異形結(jié)構(gòu)，幕墻鋼結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)的位置關(guān)系沒(méi)有任何規(guī)律，為了確?！般@石”的裝飾效果，必須非常精確保證幕墻鋼結(jié)構(gòu)的安裝位置，如果采用常規(guī)的測(cè)量方法，無(wú)法精確的確保穿孔鋁板幕墻外立面各構(gòu)件的定位及安裝。針對(duì)本項(xiàng)目的特點(diǎn)，項(xiàng)目部技術(shù)團(tuán)隊(duì)采用三維激光掃描技術(shù)與BIM技術(shù)有效結(jié)合的方案開(kāi)展項(xiàng)目設(shè)計(jì)工作，并有效指導(dǎo)項(xiàng)目施工，同時(shí)，結(jié)合放樣機(jī)器人進(jìn)行定位，指導(dǎo)項(xiàng)目安裝。

3.4.1 平面控制測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用。1#樓幕墻鋼結(jié)構(gòu)造型復(fù)雜，全部都是異形結(jié)構(gòu)，測(cè)量定位體系復(fù)雜，采用常規(guī)的測(cè)量方法難以獲取有效的放樣坐標(biāo)。為了提高本項(xiàng)目的平面控制測(cè)量精度，采取了了以下措施：

3.4.1.1 網(wǎng)形優(yōu)化。為了減少二次建網(wǎng)導(dǎo)致精度誤差分布偏差，項(xiàng)目測(cè)量過(guò)程中選用一次布網(wǎng)的方案。

3.4.1.2 控制點(diǎn)采用強(qiáng)制對(duì)中的方式進(jìn)行布設(shè)。基本方案是使全站儀和棱鏡在基準(zhǔn)基座上實(shí)現(xiàn)共軸，這樣可以有效減少儀器的對(duì)中誤差，提高控制網(wǎng)的測(cè)量精度，同時(shí)，可以減少儀器調(diào)整時(shí)間，有效提高測(cè)量速度。

3.4.2 高程控制測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用。高程控制點(diǎn)的測(cè)量方式采用的是二等水準(zhǔn)方法來(lái)實(shí)施聯(lián)測(cè)，以保障測(cè)量精度。本項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中采用了以下措施來(lái)提高三角高程的觀測(cè)精度：

3.4.2.1 通過(guò)初步預(yù)估，在同等條件下，選用高精度全站儀，以便提高測(cè)量角度和測(cè)量距離的精度，可以有效降低測(cè)量角度和測(cè)量距離引起的三角高程誤差。

3.4.2.2 對(duì)向觀測(cè)消除球氣差影響，本項(xiàng)目采用對(duì)向觀測(cè)，對(duì)于往返高差取平均值，這樣可以完全抵消球差的影響，并可以抵消大部分的氣差影響。

3.4.2.3 采用水準(zhǔn)儀測(cè)量法來(lái)測(cè)量?jī)x器高。本項(xiàng)目采用水準(zhǔn)儀法來(lái)測(cè)量?jī)x器高，這樣可以更準(zhǔn)確地測(cè)量出儀器高，其精確度不低于[±0.3]mm。

3.4.2.4 選擇有利于觀測(cè)的時(shí)段進(jìn)行測(cè)量，例如選擇陰天來(lái)進(jìn)行測(cè)量，這種天氣情況下，大氣相對(duì)穩(wěn)定，大大減少了大氣折光對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。

3.4.3 三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用。

3.4.3.1 本項(xiàng)目測(cè)量過(guò)程中，三維掃描時(shí)采用3.4.1平面控制測(cè)量和3.4.2 高程控制測(cè)量建立的平面及高程控制網(wǎng)，這樣有利于確保成果的統(tǒng)一性。

3.4.3.2 本項(xiàng)目云數(shù)據(jù)采集采用的是“測(cè)站點(diǎn)+后視點(diǎn)”的方法，具體的操作方式是：通過(guò)對(duì)在前面兩個(gè)階段建立的控制點(diǎn)上設(shè)站進(jìn)行掃描，通過(guò)對(duì)各個(gè)站點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行配準(zhǔn)操作，然后直接疊加在設(shè)定的施工坐標(biāo)系上。

3.4.3.3 三維激光掃描注意事項(xiàng)：掃描時(shí)盡量減少采用大角度掃描數(shù)據(jù)的采集。

3.4.4 有效銜接設(shè)計(jì)與施工。

3.4.4.1 采用三維激光掃描的方式采集安裝好的鋼構(gòu)件完成面的信息，建立現(xiàn)場(chǎng)安裝完成的鋼結(jié)構(gòu)的BIM模型圖，利用BIM軟件校核幕墻的設(shè)計(jì)模型與實(shí)際安裝完成面的偏差，對(duì)BIM設(shè)計(jì)模型進(jìn)行修正和完善。

3.4.4.2 通過(guò)BIM模型與現(xiàn)場(chǎng)施工安裝實(shí)際同步的方式，實(shí)現(xiàn)BIM在幕墻安裝時(shí)的指導(dǎo)作用，確保施工質(zhì)量。

3.4.4.3 施工過(guò)程中，把BIM設(shè)計(jì)模型轉(zhuǎn)化為電子文件，將電子文件直接導(dǎo)入到放樣儀器里，通過(guò)測(cè)量機(jī)器人實(shí)現(xiàn)幕墻在施工過(guò)程中的精準(zhǔn)定位。

3.4.5 項(xiàng)目驗(yàn)收。待幕墻全部安裝完成，采用三維激光掃描的方式重新掃描已安裝完成的幕墻實(shí)體，建立幕墻實(shí)體BIM模型，將幕墻實(shí)體BIM模型與設(shè)計(jì)圖做對(duì)比。該驗(yàn)收方法可以從各個(gè)角度對(duì)施工質(zhì)量做全面、系統(tǒng)檢驗(yàn)，確保了驗(yàn)收質(zhì)量，而且，還可以為后期維護(hù)工作提供更真實(shí)、更可靠更有效的數(shù)據(jù)[3]。

4 結(jié)束語(yǔ)

采用三維激光掃描技術(shù)與BIM技術(shù)有效結(jié)合的方案開(kāi)展項(xiàng)目設(shè)計(jì)工作，并有效指導(dǎo)項(xiàng)目施工，同時(shí)，結(jié)合放樣機(jī)器人進(jìn)行定位，指導(dǎo)項(xiàng)目安裝，可有效解決特別復(fù)雜造型鋼結(jié)構(gòu)支撐體系幕墻生產(chǎn)安裝效率低，容易出錯(cuò)的問(wèn)題，確保工程質(zhì)量，而且，還可以為后期維護(hù)工作提供更真實(shí)、更可靠更有效的數(shù)據(jù)。