曲面裝飾中移動(dòng)輕鋼結(jié)構(gòu)腳手架制作安裝技術(shù)分析

陳俊，韓正虎，陳昌燕，袁帥，吳凡 （中國(guó)建筑第二工程局有限公司，北京 100160）

0 前言

隨著國(guó)民對(duì)精神文化追求的不斷提升，新文旅時(shí)代開啟了新生態(tài)，文化與科技的融合，傳統(tǒng)與新思維的碰撞、主題IP和藝術(shù)的交融，文旅項(xiàng)目的發(fā)展正在持續(xù)地融合與創(chuàng)新。伴隨新文旅時(shí)代浪潮而來的是項(xiàng)目主題IP造型越來越新穎、奇特，異型曲面的外立面裝飾層出不窮。因此，有必要對(duì)曲面裝飾層的施工技術(shù)進(jìn)行探索分析。

1 工程概況

合肥萬達(dá)文化旅游城4#樓（商業(yè)茂）外立面造型為“書卷形”曲面結(jié)構(gòu)，兩側(cè)長(zhǎng)達(dá)390m，雙面曲率為180°。其中電影樂園與娛樂樓東立面部分蜂窩板7666m2，墻身拉毛漆面積2656m2。北立面幕墻工程屬玻璃幕墻開中空夾膠逃生窗，建筑高度31m/26.8m；西立面主入口玻璃幕墻中空夾膠玻璃高17m。屋面直立鎖邊系統(tǒng)及吊頂鋁單板為沖孔鋁板。

2 工藝原理

移動(dòng)輕鋼結(jié)構(gòu)腳手架將用于萬達(dá)文化旅游城外側(cè)曲面幕墻的施工作業(yè),其原理為通過建模及安全性驗(yàn)算分析曲面幕墻曲率[1]，選擇輕鋼結(jié)構(gòu)分段組裝和拼接，實(shí)現(xiàn)架體與曲面結(jié)構(gòu)的高精度契合，利用遙控動(dòng)力裝置，預(yù)制移動(dòng)腳手架滑動(dòng)基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)架體的線性移動(dòng)，確保幕墻安裝精度。

由于合肥萬達(dá)文化旅游城側(cè)面為180°曲面幕墻，采用常規(guī)的移動(dòng)鋼管腳手架[2]無法滿足安裝需求，故利用Midas軟件進(jìn)行建模分析（圖1），制作契合幕墻曲率的特定形狀Q235-A方鋼施工操作平臺(tái)，層間鋪設(shè)平臺(tái)鋼絲網(wǎng)，屋面拉設(shè)附軌道，架體設(shè)置生命線，既解決了曲面幕墻安裝難的問題，又確保了架體穩(wěn)定性，移動(dòng)腳手架效果如圖2所示。

圖1 整體計(jì)算模型圖

圖2 移動(dòng)腳手架效果圖

3 技術(shù)難點(diǎn)分析

目前市場(chǎng)上應(yīng)用移動(dòng)式腳手架技術(shù)的大多是室內(nèi)屋面鋼結(jié)構(gòu)施工，且多用鋼管作為架體，而針對(duì)特殊外立面施工的移動(dòng)架較少，因本工程外立面的特殊性，無法使用普通鋼管架，故設(shè)計(jì)曲面移動(dòng)輕鋼結(jié)構(gòu)腳手架時(shí)采用了方鋼[2]，滿足自重的同時(shí)，方便曲面形狀的拼裝，但該類型的腳手架鋼骨架梁制作易變形，對(duì)幕墻的正常安裝產(chǎn)生影響。

制作變形分為兩種：一是下料、組對(duì)、堆放不合理造成的變形;二是焊接工藝不合理造成的應(yīng)力變形。變形的形式主要有上、下翼板彎曲變形（側(cè)彎）上拱、下拱變形、扭曲變形三種。變形的因素有腹板因下料邊緣不齊和組對(duì)不平整，會(huì)造成上拱、下拱變形。因火焰切割下料，翼板兩邊切割受熱的時(shí)間和溫度差異以及焊接順序，焊縫的高度、寬度不同而造成側(cè)彎變形，骨架梁翻轉(zhuǎn)、固定，支墊不合理造成的扭曲變形。

根據(jù)以上變形情況制定反變形焊接、胎具[3]組對(duì)等措施。首先，合理下料幾何尺寸（包括焊接收縮余量，切割余量）長(zhǎng)度偏差不大于±3mm，上、下翼板的平直度不大于±5mm，腹板上、下邊緣平直度不大于±5mm，高度不大于±2mm，部件劃線精度控制在2mm，對(duì)角線不大于3mm，火焰切割割紋深不大于1mm，所有劃線和下料后及組對(duì)前必須進(jìn)行尺寸復(fù)核，并做必要調(diào)整，確保組對(duì)的精確度。再利用反變形控制，鋼板組對(duì)時(shí)，在焊縫處反向墊高，反向變形控制。腹板與上、下翼板采用坡口焊接，胎具的角度可根據(jù)梁的高度而定，胎具上的腹板與腹板拼接的角度大于90°，主骨架焊接形式如圖3所示。

圖3 主骨架分段焊接圖

由于移動(dòng)腳手架高31m，寬6.42m，其高寬比較普通鋼管架大，而按照我國(guó)現(xiàn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50011-2001）中，并無高寬比限值，高寬比是結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度、整體穩(wěn)定、抗傾覆能力、承載能力和經(jīng)濟(jì)合理的宏觀控制指標(biāo)。本工程為保障施工安全，對(duì)此移動(dòng)式腳手架采取在屋面設(shè)置附軌道（圖4）、拉設(shè)纜風(fēng)繩的方式（圖5），增強(qiáng)整體側(cè)向安全性。

圖4 屋面附軌道示意圖

圖5 纜風(fēng)繩示意圖

4 工藝流程與施工要點(diǎn)

4.1 工藝流程

施工準(zhǔn)備→預(yù)制基礎(chǔ)制作→鋼軌安裝→底部驅(qū)動(dòng)裝置安裝→底部承重平臺(tái)→導(dǎo)軌主骨架焊接安裝→纜風(fēng)繩懸掛→附軌道安裝→配重放置→檢查驗(yàn)收（自檢）→專家驗(yàn)收→投入使用。

4.2 設(shè)計(jì)原則及預(yù)制基礎(chǔ)

設(shè)計(jì)層高應(yīng)符合人體常規(guī)高度，故設(shè)計(jì)步距為1800mm，工人施工操作平臺(tái)內(nèi)弧懸挑部分寬度至少為900mm，局部達(dá)不到900mm，設(shè)計(jì)應(yīng)至少達(dá)到600mm，便于人們通行。通過結(jié)構(gòu)軟件計(jì)算，局部鋼材撓度需要壁厚加厚處理，加厚處應(yīng)于圖紙?zhí)幾⒚鳌Ｍ瑫r(shí)，在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)考慮人員上下行樓梯及生命通道設(shè)置，本工程于架體中間部位左右對(duì)稱設(shè)置上下行生命通道[4]，外圍作業(yè)區(qū)設(shè)置1200mm高護(hù)欄鋼焊連接。

預(yù)制混凝土基礎(chǔ)設(shè)計(jì)為圖7所示，基礎(chǔ) b×h（0.35m×0.5m），施工工序如圖6所示。首先，在預(yù)制加工區(qū)域進(jìn)行放線處理（其下墊置模板1塊）涂刷脫膜劑，鋼筋綁扎（上部4C22，箍筋為C8@200，下部8C16，2C22中間2C22），模板安裝加固，軌道鋼軌兩側(cè)分別預(yù)埋直徑為C16豎向螺栓桿@300的預(yù)埋件，調(diào)直校準(zhǔn)后，進(jìn)行C25混凝土澆筑、養(yǎng)護(hù)（養(yǎng)護(hù)時(shí)間不小于7 d）及驗(yàn)收。

圖6 預(yù)制基礎(chǔ)工序圖

圖7 預(yù)制基礎(chǔ)剖面圖

混凝土基礎(chǔ)制作要求如下：

①嚴(yán)格控制基礎(chǔ)的標(biāo)高及平整度，平整度要求控制在±2cm；

②鋼筋綁扎注意鋼筋的連接及鋼筋箍筋的間距控制；

③模板安裝完成后，復(fù)核模板截面尺寸，使之符合既定方案要求；

④嚴(yán)格控制預(yù)埋件安裝位置，防止后期安裝困難；

⑤灑水養(yǎng)護(hù)，必要時(shí)用養(yǎng)護(hù)液進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。

4.3 鋼軌安裝

將導(dǎo)軌車基礎(chǔ)吊運(yùn)至相應(yīng)位置，用1:2水泥砂漿進(jìn)行地面找平，再安裝16#工字鋼正線鋼軌[5]，正線鋼軌通過鐵墊板進(jìn)行調(diào)平使兩條鋼軌與v軸方向（即與萬達(dá)城外立面平行軸線）平行，嚴(yán)禁形成夾角。在鋼軌調(diào)平后，使用墊板或反向墊板套住上一步工序預(yù)留下來的螺桿來固定鋼軌，以保證鋼軌的平整度，如圖8所示。

圖8 鋼軌剖面圖

4.4 安裝驅(qū)動(dòng)裝置

安裝4臺(tái)型號(hào)YDE90L-4，功率15kW，電壓380V，堵轉(zhuǎn)電流7.5A，同步轉(zhuǎn)速1500r/2-10Nm的合力牌三相異步驅(qū)動(dòng)電機(jī)。先對(duì)主動(dòng)輪進(jìn)行定位，確保主動(dòng)輪與軌道形成90°，輪軌運(yùn)行方向與軌道方向絕對(duì)平行。再對(duì)從動(dòng)輪進(jìn)行定位，確保從動(dòng)輪與軌道形成90°，輪軌運(yùn)行方向與軌道方向絕對(duì)平行，并復(fù)測(cè)四個(gè)輪軌對(duì)角線是否相等，然后進(jìn)行驅(qū)動(dòng)電機(jī)與波箱與主動(dòng)輪安裝。確保波箱與主動(dòng)輪軸心安裝間隙達(dá)到機(jī)械安裝精度要求，確保電機(jī)軸心與波箱安裝間隙達(dá)到機(jī)械安裝精度要求，并加注波箱齒輪油進(jìn)行潤(rùn)滑。

4.5 底部承重平臺(tái)安裝

現(xiàn)場(chǎng)加工制作三組截面尺寸為8m×0.3m×0.3m、6m×0.3m×0.3m 的矩形底板桁架，放置一邊待用。將制作好的矩形鋼桁架通過鋼板鋼焊連接至驅(qū)動(dòng)輪上部，并對(duì)鋼桁架水平方向及垂直方向校正，將分散的六榀鋼桁架焊接成一個(gè)整體，形成承重結(jié)構(gòu)體系平臺(tái)，如圖9所示。

圖9 底部承重平臺(tái)

4.6 導(dǎo)軌主骨架焊接安裝

將所需的鋼桁架全部準(zhǔn)備完畢，先將兩端豎向鋼桁架通過鋼焊連接于軌道承重平臺(tái)之上，利用拉通線法校正腳手架兩榀桁架的對(duì)角線以確保其受力均勻。逐一安裝中間三榀豎向鋼桁架，與上部已安裝完成的兩端桁架對(duì)齊，焊接至軌道承重平臺(tái)之上。再進(jìn)行水平支撐單元與斜向支撐單元構(gòu)件的焊接[6]。第一段最上部水平方向單元桿件與第二段水平方向單元桿件在水平方向四角用厚度20mm鋼板螺栓錨固鉸接，螺栓孔間距250mm，再進(jìn)行下一段鋼桁架的焊接安裝。輕鋼結(jié)構(gòu)根據(jù)外立面造型，分三段至四段進(jìn)行鉸接，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，各段不同位置處，需要的型鋼型號(hào)也不一定相同，輕鋼平臺(tái)制作工藝如圖10所示。

圖10 輕鋼平臺(tái)制作工藝

4.7 纜風(fēng)繩懸掛及附軌道安裝

為確保移動(dòng)腳手架載大風(fēng)天氣不移動(dòng)搖晃，施工至第三段時(shí)，加設(shè)4道直徑12的鋼絲繩纜風(fēng)繩[7]。軌道移動(dòng)腳手架時(shí)，將纜風(fēng)繩拆卸，靜止后再安裝，外圍作業(yè)區(qū)設(shè)置1200mm高護(hù)欄鋼焊連接，確保纜風(fēng)繩安裝拆除過程中施工安全。

附軌道的測(cè)量放線必須依據(jù)V軸平行方向設(shè)置，不平行易造成軌道運(yùn)行夾角形成，運(yùn)行不暢，骨架扭曲變形，附軌道設(shè)置是為了保障軌道車運(yùn)行過程的平穩(wěn)，從動(dòng)輪與附軌道的連接必須按圖安裝，附軌道與原結(jié)構(gòu)的鋼焊連接必須牢固，并保證熱應(yīng)力釋放不會(huì)造成原鋼結(jié)構(gòu)受傷。各受力翼板焊接符合結(jié)構(gòu)要求，在附軌與軌道車連接完成之后，在軌道車靜止作業(yè)施工期間，把軌道車通過12mm鋼絲繩與屋面原鋼結(jié)構(gòu)上連接防護(hù)。防止因突發(fā)惡劣氣候及非人力控制因素發(fā)生軌道車傾倒造成次生傷害。

4.8 配重放置

本移動(dòng)腳手架配重采用在下部平臺(tái)設(shè)置沙袋的方案[8]，沙袋重量相差不大，均勻堆放，宜堆放在平臺(tái)上四周設(shè)置維護(hù)，沙袋總重量為2000kg。因驅(qū)動(dòng)運(yùn)行利用行業(yè)常規(guī)航吊車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電機(jī)，以16t位驅(qū)動(dòng)動(dòng)力，則配重?zé)o須經(jīng)常在運(yùn)行時(shí)需求上下卸運(yùn)，依據(jù)前端動(dòng)力設(shè)置，不會(huì)發(fā)生側(cè)翻。

4.9 檢查驗(yàn)收

檢查驗(yàn)收階段包括軌道式移動(dòng)輕鋼結(jié)構(gòu)異形腳手架加工及安裝調(diào)試完成后。定期檢查項(xiàng)目包括：①底部基礎(chǔ)平整度是否滿足要求；②鉸接點(diǎn)位置處螺栓是否擰緊、生銹及松動(dòng)；③所有焊接點(diǎn)焊縫是否滿足要求；④纜風(fēng)繩是否處于預(yù)受力狀態(tài)；⑤配重是否均勻；⑥是否超載；⑦限位器是否靈敏可靠。

5 實(shí)施效果

通過本項(xiàng)目的實(shí)際應(yīng)用，移動(dòng)輕鋼結(jié)構(gòu)腳手架完成了合肥萬達(dá)文化旅游城項(xiàng)目曲面幕墻結(jié)構(gòu)的精準(zhǔn)安裝，取得了良好的效果。其中，移動(dòng)輕鋼結(jié)構(gòu)腳手架多次移動(dòng)使用，完成幕墻安裝及安裝期間的幕墻維護(hù)、維修工作，保證了施工期間工人作業(yè)安全，加快了整體施工進(jìn)度。

相比于搭設(shè)滿堂腳手架，采用移動(dòng)輕鋼結(jié)構(gòu)腳手架制作安裝技術(shù)的用鋼量節(jié)約了60%～70%，節(jié)約成本72.61萬元，節(jié)省工期近30天。同時(shí)，避免了腳手架的反復(fù)安拆，保障了曲面幕墻的施工質(zhì)量。該技術(shù)因新穎性被業(yè)主及社會(huì)各界廣泛關(guān)注，并獲得建設(shè)主管部門的高度評(píng)價(jià)。

6 結(jié)語

采用移動(dòng)輕鋼結(jié)構(gòu)腳手架制作安裝技術(shù)施工，單位時(shí)間內(nèi)僅需要完成基礎(chǔ)的制作、滑軌的安裝、移動(dòng)輕鋼結(jié)構(gòu)腳手架的拼裝，就能夠完成數(shù)十倍于移動(dòng)腳手架體積的曲面幕墻安裝。該技術(shù)通過構(gòu)建契合曲面曲率的輕鋼腳手架，不僅實(shí)現(xiàn)了大曲率曲面幕墻的精準(zhǔn)安裝，也解決了傳統(tǒng)意義上腳手架搭設(shè)耗費(fèi)人工、工期的問題，同時(shí)確保了施工安全、保證了工程質(zhì)量。通過本工程的實(shí)踐總結(jié)，可為同類工程異形曲面幕墻的施工提供參考。