大跨度懸挑鋁板幕墻整體吊裝技術(shù)研究與應(yīng)用

鄭新愿,魯永杰,閆文博

(中國水利水電第五工程局有限公司,成都 610066)

0 引言

隨著建筑行業(yè)的不斷發(fā)展,大跨度懸挑鋁板幕墻廣泛應(yīng)用于建筑裝飾工程。傳統(tǒng)幕墻安裝運(yùn)用吊籃或腳手架為施工平臺,幕墻結(jié)構(gòu)按單體構(gòu)件逐一吊裝或小單元構(gòu)件吊裝拼接方式安裝。針對跨度大、高度高、懸挑長度長等結(jié)構(gòu),采用傳統(tǒng)幕墻安裝方式施工存在吊裝施工效率低、措施成本高、施工難度大及施工周期長等問題。

為了解決這些問題,大跨度懸挑鋁板幕墻整體吊裝施工技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。通過將加工完成后鋁板幕墻構(gòu)件在地面胎架上拼裝成整體。并利用吊裝設(shè)備將其整體吊裝到預(yù)定位置。從而實(shí)現(xiàn)了施工的快速、高效。該技術(shù)不僅能夠提高施工效率,縮短施工周期,還能夠保證施工過程的安全和可靠。

本文將以蜀山泵站大跨度懸挑鋁板幕墻整體吊裝施工為研究對象,運(yùn)用BIM技術(shù)、有限元分析建立三維模型,進(jìn)行構(gòu)件精準(zhǔn)施工、吊裝點(diǎn)設(shè)計(jì)和構(gòu)件整體吊裝穩(wěn)定性分析。從吊裝設(shè)備選型、吊裝方法、步驟及安全措施入手,探討其整體吊裝施工技術(shù)。

1 工程概況

引江濟(jì)淮工程是一項(xiàng)以城鄉(xiāng)供水和發(fā)展江淮航運(yùn)為主,結(jié)合灌溉補(bǔ)水和改善巢湖及淮河水生態(tài)環(huán)境為主要任務(wù)的大型跨流域調(diào)水工程。其中江淮溝通段蜀山泵站樞紐為引江濟(jì)淮工程線路重要節(jié)點(diǎn)。蜀山泵站建筑方案以現(xiàn)代中式風(fēng)格建筑呼應(yīng)“水上絲路,盛世江淮”的設(shè)計(jì)主題,整體采用三段式,清晰劃分出基座、墻身、屋頂,造型穩(wěn)重大氣,于河段中間處形成視覺中心點(diǎn)。泵站建筑造型為樹立“水上門戶”的形象,突出中間主廠房形體,提取傳統(tǒng)建筑中大屋頂及飛檐的建筑元素,與立面豎向立柱一起,通過現(xiàn)代手法轉(zhuǎn)譯營造出壯觀的氣勢和特有的飛動輕快的韻味,同時(shí)形成建筑屋頂豐富的高低層次。

屋頂鋁板幕墻橫跨整個(gè)主廠房,長度為177.45 m,寬度為38.7 m。其中廠房北側(cè)飛檐造型為大跨度懸挑結(jié)構(gòu),縱向跨度33.5 m,懸挑長度12.45 m,安裝高度23 m。懸挑結(jié)構(gòu)采用鋼結(jié)構(gòu)支撐體系,為實(shí)現(xiàn)方案造型飛檐效果,采用鋁板幕墻外包裝飾。鋁板幕墻由鍍鋅方通龍骨和鋁單板組成,整體通過幕墻龍骨固定在鋼結(jié)構(gòu)支撐體系上,整體質(zhì)量29.57 t。

2 工藝原理

針對大跨度懸挑幕墻結(jié)構(gòu)跨度大、懸挑長度大、安裝高度高及結(jié)構(gòu)復(fù)雜等特點(diǎn),運(yùn)用BIM技術(shù)、有限元分析建立三維模型,進(jìn)行構(gòu)件精準(zhǔn)施工、吊裝點(diǎn)設(shè)計(jì)和構(gòu)件整體吊裝穩(wěn)定性分析。從吊裝設(shè)備選型、吊裝方法、步驟及整體吊裝安全措施入手。將加工完成幕墻龍骨和裝飾鋁板構(gòu)件在地面胎架上拼裝成整體,采用吊裝設(shè)備將鋁板幕墻一次整體吊裝至安裝位置。解決傳統(tǒng)幕墻安裝方式存在的施工效率低、施工難度大及施工周期長等問題,實(shí)現(xiàn)了施工快速、高效,降低施工難度和風(fēng)險(xiǎn)。

3 BIM技術(shù)應(yīng)用

大跨度懸挑鋁板幕墻結(jié)構(gòu)為倒掛三角形型式,鋁板造型凹凸有致,幕墻龍骨結(jié)構(gòu)型式復(fù)雜。采用傳統(tǒng)手工下料和二維平面圖下料加工存在誤差較大,加工精度難以保證。同時(shí)前期安裝鋼結(jié)構(gòu)支撐體系存在一定誤差。為了提高幕墻構(gòu)件加工和安裝精度,現(xiàn)場測量數(shù)據(jù),運(yùn)用BIM技術(shù),建立三維可視化模型。實(shí)現(xiàn)構(gòu)件安裝方案可視化,并從模型中提取加工數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)化提料,實(shí)現(xiàn)大跨度懸挑幕墻精確加工和快速安裝[1]。

4 吊裝設(shè)備選型及吊裝點(diǎn)設(shè)計(jì)

4.1 吊裝設(shè)備選型

吊裝設(shè)備選型應(yīng)綜合考慮吊裝場地、吊裝重量、吊裝高度、吊裝構(gòu)件吊裝點(diǎn)及構(gòu)件變形情況。吊裝位置場地空間開闊平整,滿足各種吊裝設(shè)備要求。本工程幕墻整體預(yù)制安裝完成后是一個(gè)長33.5 m,寬6.8 m的框架體。從BIM三維模型中提取質(zhì)量參數(shù),整體質(zhì)量29.57 t。由于構(gòu)件形體尺寸、重量大且吊裝安裝高度達(dá)23 m,選用單臺吊裝設(shè)備時(shí)吊點(diǎn)少,吊裝點(diǎn)應(yīng)力集中,構(gòu)件易變形,且需要更大型的吊裝設(shè)備。綜合考慮以上因素,選用2臺100 t汽車吊進(jìn)行抬吊施工。

4.2 吊裝點(diǎn)設(shè)計(jì)計(jì)算

吊裝點(diǎn)設(shè)計(jì)進(jìn)行吊點(diǎn)數(shù)量選取和吊裝點(diǎn)位置的布置,吊裝點(diǎn)設(shè)計(jì)合理是確保構(gòu)件吊裝安全的前提。吊裝點(diǎn)設(shè)計(jì)結(jié)合彎矩小、應(yīng)力小、撓度小準(zhǔn)則,吊裝點(diǎn)數(shù)量和吊裝位置布置要保證構(gòu)件吊裝穩(wěn)定、安全[2]。

根據(jù)構(gòu)件特點(diǎn),整體骨架呈橫臥直角三棱柱型,三棱柱骨架長度方向共分為14榀,單榀間距2.6 m。根據(jù)有限元模擬分析計(jì)算,整體吊裝共設(shè)計(jì)4個(gè)吊裝點(diǎn),單臺吊車為2個(gè)吊裝點(diǎn)。吊裝點(diǎn)位置布置在距骨架端頭第四榀骨架上,約1/4跨度位置。吊裝點(diǎn)將構(gòu)件沿長度方向分成三跨連續(xù)結(jié)構(gòu),有效減小構(gòu)件彎矩。吊裝時(shí)吊繩固定在吊點(diǎn)位置橫向龍骨上,焊接角鋼繩槽防止吊索滑動。根據(jù)吊點(diǎn)受力分析計(jì)算結(jié)果,吊裝點(diǎn)結(jié)構(gòu)自身強(qiáng)度滿足吊裝需求,同時(shí)吊裝構(gòu)件應(yīng)力、變形滿足要求。吊裝點(diǎn)布置示意見圖1。

圖1 吊裝點(diǎn)布置示意

5 整體吊裝施工流程及操作要點(diǎn)

5.1 準(zhǔn)備工作

幕墻整體吊裝前需準(zhǔn)備整體預(yù)制拼裝場地和吊裝場地,由于大跨度懸挑鋁板幕墻結(jié)構(gòu)體型較大,不方便整體移動。結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況,幕墻安裝位置下部地面作為整體預(yù)制拼裝場地。附近場地平整,無障礙物,滿足吊裝場地要求。場地選定后進(jìn)行清理和壓實(shí)處理,確保場地堅(jiān)實(shí)、平整。

5.2 幕墻龍骨、裝飾鋁板整體拼裝

幕墻龍骨骨架斷面型式為三角形,直角邊長度分別為6.8 m和6.0 m,縱向由14榀桁架連接縱向龍骨組成。整體結(jié)構(gòu)形式為倒置式三角形,無法靠結(jié)構(gòu)自立穩(wěn)定。所以,場地平整后需進(jìn)行安裝胎架施工。胎架采用矩形方管根據(jù)幕墻骨架結(jié)構(gòu)形式拼裝加固。

鋁板幕墻構(gòu)件根據(jù)下料單在加工廠按單元構(gòu)件加工制作挖完成,為減少現(xiàn)場加工、焊接工作量,根據(jù)幕墻龍骨結(jié)構(gòu)特點(diǎn),將整體骨架按榀為單位分成14個(gè)單元在加工廠焊接完成,加工完成運(yùn)至安裝現(xiàn)場,在地面胎架上按單元組成順序拼裝成整體。在地面拼裝能更好的控制幕墻龍骨和鋁板的安裝、焊接質(zhì)量[3]。

安裝過程采用全站儀進(jìn)行構(gòu)件精確定位放樣和檢驗(yàn)[4],骨架焊接完成進(jìn)行結(jié)構(gòu)整體復(fù)測和焊縫檢測,檢驗(yàn)合格后進(jìn)行鋁板安裝。鋁板安裝嚴(yán)格按分縫和鋁板編號進(jìn)行,保證安裝效果和外觀效果。安裝完成后采用全站儀和激光水準(zhǔn)儀檢查鋁板平整度和結(jié)構(gòu)整體線型。吊裝過程中可能存在一定變形,吊裝前鋁板縫不進(jìn)行封閉,并且保護(hù)膜留著保護(hù)鋁板。

5.3 整體吊裝穩(wěn)定性計(jì)算分析

吊裝前運(yùn)用有限元分析計(jì)算軟件3D3S Design建立幕墻整體有限元模型進(jìn)行吊裝穩(wěn)定性和構(gòu)件強(qiáng)度計(jì)算分析。根據(jù)吊點(diǎn)設(shè)置避免幕墻整體構(gòu)件在吊裝過程中發(fā)生變形[5]。根據(jù)構(gòu)件組成和吊裝點(diǎn)設(shè)置情況,計(jì)算模型建立1060個(gè)單元總數(shù)、606個(gè)節(jié)點(diǎn)總數(shù)和4個(gè)支座。考慮恒荷載和活荷載兩種工況進(jìn)行線性分析計(jì)算。

(1)構(gòu)件最大最小位移計(jì)算

根據(jù)結(jié)算結(jié)果,整體吊裝構(gòu)件最大豎向位移在跨中位置26 mm。線性組合最大最小位移見表1和圖2。

表1 線性組合最大最小位移

圖2 線性組合最大最小位移(整體)

(2)對整體吊裝構(gòu)件進(jìn)行應(yīng)力比驗(yàn)算,強(qiáng)度應(yīng)力比最大為0.939<1,滿足吊裝強(qiáng)度要求。穩(wěn)定性應(yīng)力比最大為0.813<1,滿足吊裝穩(wěn)定性要求。

根據(jù)以上驗(yàn)算結(jié)果,吊裝點(diǎn)設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)整體強(qiáng)度和穩(wěn)定性滿足整體吊裝要求。

5.4 整體吊裝施工

(1)吊裝前將汽車吊吊裝位置地面進(jìn)行壓實(shí)處理,尤其吊車支腿基礎(chǔ)位置壓實(shí)整平,防止沉降,吊裝時(shí)在支腿下放置墊板。

(2)由測量人員采用全站儀測放出幕墻構(gòu)件與鋼結(jié)構(gòu)連接點(diǎn)位置,并做明顯標(biāo)記。

(3)組織具體操作人員進(jìn)行吊裝前吊裝方法工藝和安全注意事項(xiàng)交底。

(4)針對作業(yè)環(huán)境、吊裝機(jī)械設(shè)備及吊具、鋼絲繩等方面進(jìn)行全面檢查。

(5)起吊設(shè)備就位,安裝吊繩至起吊點(diǎn)。

(6)試吊,幕墻整體構(gòu)件起吊距離地面約100 mm,檢查起吊設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)是否良好、鋼絲繩是否存在斷股等現(xiàn)象、起重設(shè)備支腿是否存在下沉、整體構(gòu)件是否有變形、焊縫開裂等現(xiàn)象。確保施工安全后方可正式吊裝。

(7)經(jīng)過檢查無安全隱患后,由起重設(shè)備信號工同步指揮2臺汽車吊緩慢上升,逐步到達(dá)設(shè)計(jì)安裝位置。

5.5 構(gòu)件固定

幕墻懸挑結(jié)構(gòu)龍骨為三角形結(jié)構(gòu),上部倒掛在支撐鋼結(jié)構(gòu)桁架上,側(cè)面與建筑外墻預(yù)埋鋼板連接。吊裝至設(shè)計(jì)安裝位置保持穩(wěn)定,用全站儀復(fù)測安裝位置和安裝對接點(diǎn),采用一臺50 t汽車吊對跨中和兩端進(jìn)行微調(diào),消除吊裝撓度變形,微調(diào)穩(wěn)定后開始焊接固定。焊接固定時(shí)從靠近吊裝點(diǎn)節(jié)點(diǎn)開始兩側(cè)對稱焊接固定,側(cè)面和頂面同步多人進(jìn)行。避免構(gòu)件在空中長時(shí)間停留發(fā)生位移。待全部連接點(diǎn)焊接完成后進(jìn)行焊接點(diǎn)檢查,檢查無誤后進(jìn)行緩慢放松吊鉤。

5.6 構(gòu)件保護(hù)和安全措施

在幕墻整體吊裝施工時(shí),為了保護(hù)構(gòu)件的安全和完整性,同時(shí)確保施工過程的安全,需要采取一系列的保護(hù)和安全措施。

在吊裝前,鋁板保護(hù)膜不拆除,防止鋁板表面受到損壞。吊裝過程中使用的吊裝工具如吊索、吊鉤等也需要進(jìn)行保護(hù),以防止其對構(gòu)件造成損害?？梢栽诘跛骱偷蹉^的接觸部位加裝保護(hù)套,或使用軟質(zhì)材料進(jìn)行包裹,以減少對構(gòu)件的摩擦和沖擊。由于吊裝幕墻構(gòu)件離墻面較近,在進(jìn)行幕墻整體吊裝時(shí),合理規(guī)劃吊裝位置,避免和墻面產(chǎn)生相互碰撞,設(shè)置纜風(fēng)繩防止吊裝過程構(gòu)件晃動,確保吊裝過程安全順利進(jìn)行。在吊裝過程前和吊裝過程中,需要進(jìn)行安全檢查,確保吊裝設(shè)備和構(gòu)件的狀態(tài)良好。

在進(jìn)行幕墻整體吊裝時(shí),需要控制吊裝速度,避免過快或過慢導(dǎo)致構(gòu)件的損壞?？梢酝ㄟ^調(diào)整吊裝設(shè)備的速度和力度,使吊裝過程平穩(wěn)進(jìn)行,減少對構(gòu)件的沖擊和振動。

吊裝人員需要經(jīng)過專業(yè)培訓(xùn),熟悉吊裝設(shè)備的操作規(guī)程和安全要求,掌握吊裝技巧和注意事項(xiàng)。具備良好的安全意識和團(tuán)隊(duì)合作精神,在吊裝過程中密切配合,確保施工安全。

6 應(yīng)用情況

大跨度懸挑鋁板幕墻整體吊裝施工技術(shù)在蜀山泵站工程得到成功應(yīng)用。若按傳統(tǒng)幕墻安裝方式,將幕墻龍骨和鋁板等構(gòu)件按單體逐一吊裝安裝,施工工期20天,且高空作業(yè)量大,吊裝設(shè)備臺班費(fèi)用高,高空懸挑倒掛結(jié)構(gòu)安裝施工質(zhì)量難以保證。在加工廠將幕墻構(gòu)件單元化加工運(yùn)至現(xiàn)場地面胎架上拼裝成整體后一次吊裝到位,總工期11天,吊裝完成后整體安裝精度滿足相關(guān)規(guī)范要求。該技術(shù)實(shí)施后大大提高了施工效率、縮短了施工周期、降低了施工成本,并且安全可靠。

7 結(jié)論

本文涉及一種大跨度懸挑鋁板幕墻結(jié)構(gòu)整體吊裝技術(shù),運(yùn)用BIM技術(shù)、有限元分析建立三維模型,進(jìn)行構(gòu)件精準(zhǔn)施工、吊裝點(diǎn)設(shè)計(jì)和構(gòu)件整體吊裝穩(wěn)定性分析。從吊裝設(shè)備選型、吊裝方法、步驟及整體吊裝安全措施入手。將大跨度懸挑鋁板幕墻在地面胎架上拼裝成整體一次吊裝至安裝位置。解決了傳統(tǒng)幕墻安裝方式存在的施工效率低、施工難度大及施工周期長等問題,對類似工程施工具有借鑒意義。