單曲面菱形折拼鋁板幕墻施工技術(shù)探究

付葉

正興建設(shè)集團(tuán)股份有限公司 上海 200126

1 工程概況

南京世茂雨花項(xiàng)目B地塊幕墻工程位于江蘇省南京市。采用的結(jié)構(gòu)形式為鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)。建筑總高度60m，幕墻總面積約23000m2。由B棟和C棟兩棟樓組成，在B棟和C棟主樓之間由裙樓相連貫穿整個(gè)建筑。

B棟和C棟主樓主要為玻璃幕墻系統(tǒng)，為了滿足建筑節(jié)能要求，玻璃采用8mm(鋼化)+12A(中空)+8mmLow-e(鋼化)玻璃，玻璃基本分格尺寸為2500mm×1500mm，層間采用中空鋼化玻璃后背襯2mm鋁單板。

裙樓部分系統(tǒng)相對較多：有玻璃幕墻、單曲面菱形鋁板幕墻、石材幕墻、采光頂、玻璃雨篷等等。建筑整體創(chuàng)意新穎、造型別致[1]。

2 施工技術(shù)重難點(diǎn)分析

2.1 菱形折拼鋁板處現(xiàn)場測量放線及三維空間定位困難

該菱形折拼鋁板幕墻進(jìn)出錯位，且在東南立面交叉處形成彎弧狀，同時(shí)菱形板塊大小不一，角度各異，菱形板塊無規(guī)律排列，導(dǎo)致幕墻鋼結(jié)構(gòu)龍骨也不在同一平面，菱形折拼鋁板部位幕墻龍骨需單獨(dú)三維放樣，現(xiàn)場測量放線工作量大且三維空間定位困難。

2.2 幕墻鋼結(jié)構(gòu)龍骨焊接變形控制難

菱形鋁板出結(jié)構(gòu)面大，需重點(diǎn)關(guān)注其安全可靠；且鋼結(jié)構(gòu)龍骨在焊接、運(yùn)輸與吊裝過程中的變形需有效控制。具體菱形鋁板完成面距離主體結(jié)構(gòu)梁外邊線較大，最大間距達(dá)到700mm。當(dāng)菱形鋁板幕墻通過連接件及埋件固定于結(jié)構(gòu)梁上后，相當(dāng)于整個(gè)鋁板幕墻懸挑出結(jié)構(gòu)面700mm，且懸挑尺寸不一。由于懸挑結(jié)構(gòu)彎矩相對較大，端部變形也較大，故需重點(diǎn)關(guān)注其安全可靠性。

菱形鋁板幕墻鋼結(jié)構(gòu)主龍骨采用140mm×80×6mm的鋼方通，次龍骨采用63mm×63×4mm的等邊角鋼。角鋼與角鋼之間采用焊接的連接方式，最終拼成許多不同角度，不同大小的菱形分格小單元，因此，確保每個(gè)小單元鋼構(gòu)件的焊接精度是本項(xiàng)目重難點(diǎn)。同時(shí)，整體鋼架的變形控制也是重點(diǎn)要關(guān)注的，其變形有：焊接冷卻收縮變形，組裝成小單元鋼架后的現(xiàn)場吊裝拉伸變形，裝卸、運(yùn)輸過程中的振動、擠壓變形，安裝完成后的各種工況下的受荷變形，等等。以上變形對施工質(zhì)量造成一定的影響，需采取相應(yīng)的有效措施控制。

2.3 菱形鋁板折拼的角度，大小，進(jìn)出位置均不同，材料下單困難

鋁板幕墻中的菱形折拼板造型別致，整體呈不規(guī)則狀，鋁板的樣式有很多種，折拼的角度，大小，進(jìn)出位置均不相同，按常規(guī)的材料下單方式，精準(zhǔn)度及效率均無法保證。

2.4 菱形折拼鋁板加工及安裝難度大

實(shí)際加工中的菱形折疊鋁板的折角、尺寸大小不一，工廠加工時(shí)需折出不同的角度，并輔以焊接打磨；安裝時(shí)角度、進(jìn)出位置調(diào)整困難，整體排列無規(guī)律可循。

3 關(guān)鍵施工技術(shù)

3.1 BIM技術(shù)

在施工準(zhǔn)備階段，根據(jù)原有設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行深化，并利用BIM技術(shù)建立三維實(shí)體模型。在主體結(jié)構(gòu)完成后及時(shí)復(fù)尺，并對于結(jié)構(gòu)偏差及時(shí)進(jìn)行調(diào)整。

主鋼龍骨下單安裝完成后，再一次復(fù)尺。將誤差進(jìn)行嚴(yán)格地控制，接下來在BIM模型中調(diào)整實(shí)際主龍骨的位置。最后菱形鋁板要安裝到位，只需要控制次龍骨的相對安裝誤差即可。利用BIM對鋼結(jié)構(gòu)龍骨精準(zhǔn)建模完成后，在完成的小單元鋼架的基礎(chǔ)上對菱形鋁板進(jìn)行排版，此排版就是菱形鋁板的三維派位圖，然后可以直接進(jìn)行精準(zhǔn)加工圖的輸出，從而很大程度地降低了鋁板下單的難度，提高了工作效率和精準(zhǔn)度，保證了整體的美觀與質(zhì)量要求。鋁板輸出示意如下圖1：

圖1 菱形鋁板三維派位圖

3.2 3D掃描校對技術(shù)

對現(xiàn)場已經(jīng)安裝完成的鋼構(gòu)架龍骨利用3D掃描技術(shù)進(jìn)行掃描，然后將測量結(jié)果直接與CAD軟件接口，將測量的立體信息轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)能直接處理的數(shù)字信息，從而獲得鋼構(gòu)架的三維空間坐標(biāo)。將3D掃描得出的實(shí)際模型與BIM設(shè)計(jì)模型進(jìn)行整合校對，核查各構(gòu)件之間的位置關(guān)系，及時(shí)調(diào)整角度和長度有偏差的位置，從而很好地控制了因鋼龍骨偏差而造成其他問題，如導(dǎo)致后續(xù)無法安裝鋁板的情況。在確保外觀效果的同時(shí)，大幅節(jié)約加工費(fèi)和材料費(fèi)，不浪費(fèi)材料，同時(shí)縮短鋁板的加工周期，有效地推進(jìn)施工[2]。

3.3 鋼龍骨小單元安裝技術(shù)

鋼龍骨的安裝是本菱形鋁板幕墻安裝中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，也是難度較大的環(huán)節(jié)，其三維空間定位難。整個(gè)菱形鋁板幕墻的鋼結(jié)構(gòu)龍骨，如果采用常規(guī)方法將每支鋼構(gòu)件在立面上按順序拼裝，不能保證龍骨的安裝精度，且不能消化安裝錯誤，而且大量的高空拼裝作業(yè)將會帶來很多不安全因素。于是，經(jīng)過多次的商討，決定先在現(xiàn)場正式安裝前建立BIM模型進(jìn)行模擬和演示，通過空間觀察，找出可以進(jìn)一步優(yōu)化的措施。

將以往的現(xiàn)場按順序一根根拼裝方式改為在事先在加工廠進(jìn)行拼裝，形成小單元式鋼架，然后使用吊裝機(jī)快速提升小件。以BIM批量輸出的定位點(diǎn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進(jìn)行定位，對各定位點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)測量和調(diào)試，最終準(zhǔn)確、高效地完成鋼龍骨構(gòu)架上墻的操作在工廠加工拼裝成小單元不僅使安裝精準(zhǔn)度提升，同時(shí)還能較好地控制焊接冷卻收縮變形。

3.4 SAP2000及3D3S受力分析技術(shù)

菱形鋁板完成面距離主體結(jié)構(gòu)梁外邊線較大，最大位置達(dá)到700mm。當(dāng)菱形鋁板幕墻通過連接件及埋件固定于結(jié)構(gòu)梁上后，相當(dāng)于整個(gè)鋁板幕墻懸挑出結(jié)構(gòu)面700mm，且懸挑尺寸不一。

圖2 建模受力分析示意圖

由于懸挑結(jié)構(gòu)根部彎矩較大，端部變形也較大，故需重點(diǎn)關(guān)注其安全可靠性。且對于這種非標(biāo)準(zhǔn)幕墻，通過普通的計(jì)算軟件及公式無法準(zhǔn)確計(jì)算整個(gè)鋼龍骨的受力。于是采用了SAP2000建模，在考慮風(fēng)荷載，自重荷載，地震荷載的作用下，對整個(gè)鋼構(gòu)件進(jìn)行了受力分析，確保構(gòu)件的強(qiáng)度，變形，穩(wěn)定性均能滿足規(guī)范要求。同時(shí)為了安全起見，也采用了3D3S進(jìn)行了受力分析核對，得出的結(jié)論不相上下，均能滿足規(guī)范要求。

對于小單元的起吊點(diǎn)數(shù)，起吊位置我們也通過受力分析得出最合適的起吊方案。以確保起吊過程中的變形幾乎可以忽略。

3.5 單元鋼構(gòu)架的運(yùn)輸與吊裝技術(shù)

在運(yùn)輸及吊裝過程中，單元鋼構(gòu)架的整體強(qiáng)度及穩(wěn)定性關(guān)系到能否安全吊裝以及吊裝過程中是否變形，為此鋼構(gòu)架的整體強(qiáng)度及穩(wěn)定成為該系統(tǒng)控制的重點(diǎn)。于是，在運(yùn)輸前先將鋼構(gòu)架用硬質(zhì)木枋進(jìn)行綁扎保護(hù)，防止在運(yùn)輸及吊裝過程中變形，同時(shí)也達(dá)到保護(hù)鋼構(gòu)架表面質(zhì)量的目的。

鋼構(gòu)架的吊點(diǎn)位置和吊點(diǎn)數(shù)，通過受力分析得出最合適的起吊方案。另外，在吊點(diǎn)位置設(shè)計(jì)了專門吊裝夾板，確保吊點(diǎn)部位局部有足夠的強(qiáng)度。并在鋼構(gòu)架底部設(shè)置牽引繩防止在吊裝過程中擺動過大，當(dāng)?shù)跹b到合適高度時(shí)，利用牽引繩輔助對鋼構(gòu)架進(jìn)行就位安裝。同時(shí)，在吊裝過程中還必須控制好吊車的速度，避免急停急送。

通過以上系列的措施設(shè)計(jì)的單元鋼構(gòu)架，從局部到整體均有足夠的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，確保了所有鋼構(gòu)架安全可靠地運(yùn)輸與吊裝。

3.6 菱形鋁板的折拼與加工

本系統(tǒng)中的鋁板有標(biāo)準(zhǔn)菱形板、單曲菱形板、和由4片不共面的三角板折拼組合而成的三維立體板。其中最為復(fù)雜的是角度不一、大小不一的三維折拼立體菱形板。前面采用BIM建模及3D校對，均為菱形鋁板的加工奠定了基礎(chǔ)。需要從BIM模型中提取各鋁板的板塊信息，制作成加工單，然后廠家按加工單用標(biāo)準(zhǔn)鋁板按一定角度裁切去多余部分，再經(jīng)過如下操作流程：裁板→折彎→施焊→打磨→酸洗→表面處理→安裝附件。最后通過鋁角碼掛件，用ST4.8mm×35mm不銹鋼自攻自鉆螺釘固定在角鋼龍骨上[3]。

4 結(jié)束語

本項(xiàng)目中的單曲面菱形鋁板幕墻施工采用了先進(jìn)的BIM技術(shù)、3D實(shí)體掃描校對技術(shù)、小單元拼裝技術(shù)、SAP2000及3D3S軟件受力分析技術(shù)等，對此幕墻進(jìn)行了實(shí)體建模，受力分析等。并利用BIM空間模型信息，自動生成二維CAD加工圖紙和EXCEL表格進(jìn)行精準(zhǔn)下單。同時(shí)根據(jù)需要做成三維動畫，對項(xiàng)目管理人員、現(xiàn)場施工人員進(jìn)行技術(shù)交底，幫助施工人員理解設(shè)計(jì)意圖和施工要點(diǎn)，提高了技術(shù)交底的質(zhì)量和效率，也大大提高了加工安裝的精準(zhǔn)度和整體工作效率。