大型穹頂多軸式金屬飾面板安裝技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用

吳 龍 簡齊超 李思瑾

1 工程概況

紹興大禹陵紀念館，主體結(jié)構(gòu)為鋼結(jié)構(gòu)，地下一層、地上二層，總高度約25.4 m，建筑面積27000 m2。地上約7000 m2，地下約20000 m2。其中核心筒區(qū)穹頂飾面采用了約9000 多塊銅磚，工程量較大（92 層，每層98 片，總共9016 片），現(xiàn)有的穹頂金屬飾面板安裝完成后，均為固定狀態(tài)無法活動，容易出現(xiàn)不平整或者板縫不齊的情況，很難通過其他的方式進行調(diào)整，對飾面板進行調(diào)整變更飾面效果更是無法操作，只能拆除現(xiàn)有飾面板重新安裝，且拆除時很難保證飾面板不被損壞。飾面板常規(guī)安裝方式，雖然技術(shù)成熟，但是調(diào)整操作很難實現(xiàn)，如需調(diào)整只能采取拆除重裝的方式，會造成材料浪費、人工成本增加等問題。確保銅磚平整度和安裝效率的提升，是穹頂金屬板安裝的施工質(zhì)量及觀感上提升的關(guān)鍵。

2 工藝特點

施工簡單快捷。通過調(diào)整鋼架安裝順序，大量減少了工人仰頭操作的次數(shù)，降低了勞動的強度與難度，縮短安裝時間，同時更好的保證了鋼結(jié)構(gòu)的安裝質(zhì)量。

接縫高低差、接縫寬度控制好。多軸式連接件可調(diào)節(jié)范圍：X軸最大可調(diào)8 cm，Y軸最大可調(diào)8 cm，Z軸最大可調(diào)10 cm，飾面角度可調(diào)–12°～+15°。多軸調(diào)節(jié)有效的保證了飾面金屬板弧形造型的連續(xù)性，并降低了后續(xù)檢查和調(diào)整的難度。

裝飾弧形效果好。飾面金屬板、多軸式連接件與基層鋼架連接牢固后，通過多軸式連接件進行調(diào)和，達到完美的弧形效果。

輕質(zhì)經(jīng)濟施工簡單便捷，降低勞動強度，加快施工進度，節(jié)約工程總造價。

3 全過程管理

3.1 設(shè)計方案的確定

鑒于現(xiàn)場為大型穹頂式建筑，現(xiàn)場安裝飾面前期設(shè)計方案為瓷板安裝。但考慮到干掛瓷板及單塊安裝重量大約為2.5 kg，穹頂上部瓷板基本呈倒掛形式，在能滿足整體效果的前提下，安全性需要進一步進行驗證，且在一定程度上需要保證瓷板穩(wěn)定性，內(nèi)部鋼結(jié)構(gòu)掛接基層為不可調(diào)節(jié)式，在施工過程中，對于精度的要求比較高，若瓷板后場加工出現(xiàn)偏差，材料損耗率較大。

基于以上考慮，項目部應(yīng)該及時與建設(shè)、設(shè)計單位進行協(xié)商討論，優(yōu)化設(shè)計方案，最終確定利用科調(diào)節(jié)式鋼結(jié)構(gòu)基層和輕質(zhì)手工銅磚，在保證了安全性的前提下，最大程度上還原設(shè)計效果。

3.2 工期控制

該項目施工工期僅為83 d，施工工期較為緊張，體量大，施工工藝造型復(fù)雜。工程施工工期的控制緊密結(jié)合進度目標進行施工方案確定，理清項目施工重難點及工程計劃關(guān)鍵線路。施工中根據(jù)實際情況實施合理糾偏，動態(tài)調(diào)整和控制，進而按照規(guī)定和計劃規(guī)定的時間完成施工目標，實現(xiàn)有效控制。具體施工工期控制要根據(jù)施工計劃進行合理規(guī)劃、控制和協(xié)調(diào)，管理人員具有重要責任，同時也是其擔負的職責和基本的工作要求。

3.3 材料的選取和加工

項目穹頂涉及大量銅磚，且材料質(zhì)量、運輸距離及加工排產(chǎn)周期是材料選取的關(guān)鍵因素，項目遵循在材料的性能標準以及成本預(yù)算可控的情況下，堅持“貨比三家”，對材料的供應(yīng)商資質(zhì)進行嚴格審查，并能提供相關(guān)的材料性能檢測報告等質(zhì)量證明文件，優(yōu)先選用具有ISO9000 體系審核認證的生產(chǎn)廠家，在其材料符合采購計劃時選擇距離施工項目較近的材料供應(yīng)商。

3.4 材料的后場加工

現(xiàn)場大部分面層材料要求后場加工完畢后直接現(xiàn)場安裝，省去現(xiàn)場二次深化加工的繁雜程序，降低施工現(xiàn)場粉塵污染，提升項目施工效率。但材料后場加工對尺寸和精度要求極高，為避免材料運抵現(xiàn)場后因下單尺寸偏差無法安裝，現(xiàn)場利用建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）點云放線技術(shù)對現(xiàn)場完成面進行復(fù)原處理，對曲面及造型復(fù)雜區(qū)域進行精細化排版下單。施工管理人員將切割排版圖與現(xiàn)場實際情況進行二次比對調(diào)整，確保后場加工材料運抵現(xiàn)場后可直接使用，避免二次深化加工，增加粉塵污染。

4 施工關(guān)鍵技術(shù)

4.1 基層鋼架分段式安裝

基層鋼架環(huán)形部分經(jīng)過深化設(shè)計，進行合理分段，預(yù)先在地面完成焊接安裝[1]。再通過機械設(shè)備將每段鋼架臨時抬送到預(yù)定位置，最后將其與豎向的鋼架和建筑鋼結(jié)構(gòu)焊接牢固。通過調(diào)整鋼架安裝順序，大量減少工人仰頭操作的次數(shù)，降低了勞動強度與難度，縮短安裝時間，同時更好的保證了鋼結(jié)構(gòu)的安裝質(zhì)量。

4.2 多軸式連接件組裝

如圖1 所示，自研結(jié)構(gòu)構(gòu)件多軸式連接件各子部件在工廠生產(chǎn)，現(xiàn)場快組裝[2]。子部件1 ～3 通過結(jié)構(gòu)造型組裝成多軸式連接件，并保持上下、前后、左右、飾面角度均可調(diào)節(jié)的狀態(tài)。前文已述，多軸式連接件可以調(diào)節(jié)范圍為：X軸最大可調(diào)8 cm，Y軸最大可調(diào)8 cm，Z軸最大可調(diào)10 cm，飾面角度可調(diào)–12°～+15°。多軸調(diào)節(jié)有效的保證了飾面金屬板弧形造型的連續(xù)性，并且降低了后續(xù)檢查和調(diào)整的工作難度。

圖1 多軸式連接件拆分效果圖（來源：作者自繪）

4.3 飾面金屬板套筒式連接

如圖2 所示，飾面金屬板在工廠預(yù)先打孔，在現(xiàn)場快速與多軸式連接件的子部件3 螺釘連接，形成金屬板與多軸式連接件組合的整體后，將其通過機械設(shè)備運送到安裝部位，通過子部件1 與基層鋼架套筒式連接。確定飾面金屬板、多軸式連接件與基層鋼架連接牢固后，通過多軸式連接件進行調(diào)和，達到完美的弧形效果。

圖2 多軸式連接件與連接板示意圖（來源：作者自繪）

5 工藝流程和操作要點

5.1 施工工藝流程

施工準備—三維測繪掃描定位—BIM 深化設(shè)計—材料下單與加工—基層鋼架安裝—多軸式連接件組裝—飾面金屬板安裝—飾面金屬板調(diào)和—三維掃描復(fù)核—飾面金屬板局部調(diào)和—驗收。

5.2 操作要點

5.2.1 施工準備

施工準備工作應(yīng)該按照以下2 個步驟著手進行：第1，模型與圖紙準備。確定銅板穹頂?shù)娜SBIM 模型，對于不同高度安裝段，導出二維平面圖紙。第2，材料準備。按進場計劃將施工所用的三維測繪掃描儀，多軸式連接件、飾面金屬板、螺釘、基層鋼架、腳手架鋼管、升降機、手電鉆、等工具和材料運至現(xiàn)場；工具和材料的合格證書、性能檢測報告、進場驗收記錄和復(fù)檢報告應(yīng)齊全并符合要求。

5.2.2 三維測繪掃描定位

首先，使用三維測繪儀器對現(xiàn)場鋼結(jié)構(gòu)進行掃描，通過專業(yè)軟件處理形成點云模型，并與設(shè)計原始模型進行對比擬合[3]；其次，通過對比擬合，在地面確定基準點，在穹頂各個高度段確定豎向和水平向的關(guān)鍵點位；最后，使用全站儀在施工現(xiàn)場進行精準定位，標記出基礎(chǔ)點和各高度段的各關(guān)鍵點位。

5.2.3 BIM深化設(shè)計

首先，根據(jù)三維測繪掃描形成的點云模型調(diào)整原始設(shè)計模型；其次，根據(jù)修改調(diào)整后的三維模型進行基層鋼架的深化，對基層鋼架進行合理分段，導出現(xiàn)場基層鋼架加工安裝圖；最后，同時對多軸式連接件進行深化，繪制加工圖，注明加工精度[4]。

5.2.4 材料下單與加工

根據(jù)調(diào)整后的三維BIM 模型確定基層鋼架、多軸式連接件、金屬板等材料的加工圖和用量，并通過工廠下單加工。

5.2.5 基層鋼架安裝

首先，依據(jù)標記好的豎向關(guān)鍵點位，完成豎向基層鋼架的安裝；其次，根據(jù)BIM 圖紙將分段式環(huán)形基層鋼架在地面安裝完成；再次，依據(jù)標記好的水平向關(guān)鍵點位，通過機械設(shè)備將分段式環(huán)形基層鋼架臨時抬送到預(yù)定位置；從次，將分段式環(huán)形基層鋼架與豎向的鋼架和鋼結(jié)構(gòu)焊接牢固；最后，抽檢焊接點位。

5.2.6 多軸式連接件組裝

多軸式連接件的組裝在現(xiàn)場地面進行，將各子部件通過結(jié)構(gòu)造型進行套筒式連接，再將兩者的整體與子部件通過結(jié)構(gòu)凹凸造型進行組裝，形成多軸式連接件整體。

組裝成型后，檢查套筒連接的可轉(zhuǎn)動性與可移動性，檢查凹凸造型連接處的可調(diào)節(jié)性，符合要求后，將子部件臨時拆下，利于下一步飾面金屬板安裝。

5.2.7 飾面金屬板安裝

在地面進行與多軸式連接件的安裝，通過飾面金屬板預(yù)加工好的孔眼進行與多軸式連接件的定位，定位準確后使用手電鉆和螺釘將兩者連接，再將子部件重新組裝，形成飾面金屬板與多軸式連接件的整體。

使用升降機將材料抬升至待安裝部位進行，將整體的子部件與基層鋼架進行套筒式連接，并檢查兩者之間進出位置的可調(diào)性是否滿足要求，如圖3 所示。

圖3 飾面金屬板整體安裝圖（來源：作者自繪）

5.2.8 飾面金屬板調(diào)和

根據(jù)左右上下及關(guān)鍵點的對比，進行飾面金屬板的調(diào)和。首先通過子部件與基層鋼架調(diào)整飾面金屬板的前后進出位置；其次，通過各子部件間的凹凸連接調(diào)整飾面金屬板的上下位置；最后，在上一步驟調(diào)整到位后，通過各子部件間的套筒連接調(diào)整飾面金屬板的左右位置和飾面傾斜角度。

5.2.9 三維掃描復(fù)核

飾面金屬板全部安裝并調(diào)和后，進行三維測繪掃描，并將測繪得到的點云模型與深化后的BIM 模型進行色譜分析，檢查安裝效果，得到需要調(diào)整的金屬板的位置和偏差信息。

5.2.10 飾面金屬板局部調(diào)和

依據(jù)色譜分析可得到需要調(diào)整的銅版紙的位置和偏差信息，進行飾面金屬板的局部調(diào)和，調(diào)整方法和前文相同。

5.2.11 驗收

飾面金屬板經(jīng)過局部調(diào)和后，再次進行三維測繪掃描，重新進行色譜分析，達到驗收要求。

6 質(zhì)量控制

6.1 主控項目

首先，焊接材料應(yīng)符合設(shè)計要求和有關(guān)標準的規(guī)定，應(yīng)檢查質(zhì)量證明書及烘焙記錄。其次，焊工必須經(jīng)考試合格，檢查焊工響應(yīng)施焊條件的合格證及考核日期。再次，Ⅰ、Ⅱ級焊縫必須探傷檢驗，并應(yīng)符合設(shè)計要求和施工及驗收規(guī)范的規(guī)定，檢查焊縫探傷報告。最后，焊縫表面Ⅰ、Ⅱ級焊縫不得有裂紋、焊瘤、燒穿、坑等缺陷。Ⅱ級焊縫不得有表面氣孔、夾渣、坑、裂紋、電插傷等缺陷，且Ⅰ級焊縫不得有咬邊、未焊滿等缺陷。

6.2 一般項目

焊縫外觀：焊縫外形均勻，焊道與焊道、焊道與基本金屬之間過渡平滑，焊渣和飛濺物清楚干凈。

表面氣孔：Ⅰ級、Ⅱ級焊縫不允許，Ⅲ級焊縫每50 mm 長度焊縫內(nèi)允許直徑≤0.4 t；且≤3 mm 氣孔2 個；氣孔間距≤6 倍孔徑。咬邊：Ⅰ級焊縫不允許。Ⅱ級焊縫：咬邊深度≤0.05 t,且≤0.5 mm，連續(xù)長度≤100 mm，且兩側(cè)咬邊總長≤10%焊縫長度。Ⅲ級焊縫：咬邊深度≤0.1 t，且≤1mm。金屬板安裝允許偏差及檢驗方法另計[5]。

7 結(jié)語

紹興大禹陵紀念館利用基層鋼架分段式安裝、多軸式連接件組裝、飾面金屬板套筒式連接等先進施工技術(shù)，有效提升了穹頂銅板安裝質(zhì)量，并且施工進度快、觀感效果好、設(shè)計方案還原度高。

大禹陵紀念館作為景區(qū)的核心部分，公祭典禮的場所，每年舉辦活動，祭拜祖先，寄托追思、緬懷先祖、追念禹王的圣功偉業(yè)，同時兼顧了公祭典禮作為國家級非物質(zhì)文化遺產(chǎn)的傳承性和莊嚴性（圖4）。

圖4 整體安裝完成效果圖（來源：作者自繪）