雙曲異形大跨度月牙格柵幕墻建造技術(shù)

【摘要】熊貓塔為外形類似“春筍”仿生建筑，整體由形狀各異的鋼結(jié)構(gòu)弧形構(gòu)件編織而成。由于雙曲月牙格柵造型獨特，受格柵的可開啟、鋼結(jié)構(gòu)焊接變形，異形構(gòu)件數(shù)量眾多等諸多不利因素影響，導致圖紙深化設(shè)計、材料加工、測量定位、現(xiàn)場安裝等環(huán)節(jié)遇到多重技術(shù)難題。介紹了異形雙曲大跨度月牙格柵設(shè)計、加工、現(xiàn)場實施的全過程。

【關(guān)鍵詞】仿生建筑; 雙曲異形; 月牙格柵; 可開啟; 格柵建造技術(shù)

【中圖分類號】TU17A

0 引言

仿生建筑是一種貼近自然、符合科學規(guī)律的建筑形式。因其設(shè)計巧妙、外觀獨特、結(jié)構(gòu)合理及節(jié)約能源等優(yōu)勢，在當今耗能巨大、資源短缺及污染嚴重的社會中被廣泛應用［1］。仿生建筑既是建筑的最高追求是形式和功能的完美結(jié)合，仿生建筑既是其建筑的支撐骨架又是其空間美感的來源［2］。

本論文依托熊貓塔作為研究載體，熊貓塔塔身由720塊形狀各異的鋼結(jié)構(gòu)弧形構(gòu)件編織而成，外部柱網(wǎng)為由下向上逐漸向后收緊的斜交網(wǎng)格結(jié)構(gòu)構(gòu)建而成。形狀類似“春筍”造型，塔冠部分的格柵是“春筍”發(fā)芽的單元。與熊貓基地主題相互呼應，寓意熊貓基地熊貓吃的竹筍，在整個仿生異形建筑物外立面設(shè)計有雙曲異形大跨度月牙格柵。在復雜幕墻智能建造技術(shù)［3］中提到了格柵的建造，但是不夠系統(tǒng)和全面，也未能將雙曲異形大跨度月牙格柵建造的整個建造過程解析完整和清楚。熊貓塔為仿生建筑，實施過程中，由于雙曲月牙格柵造型獨特，受頂部格柵的可開啟，鋼結(jié)構(gòu)焊接變形，構(gòu)件數(shù)量眾多及造型不一致等諸多不利因素影響。特別是在缺乏類似建筑的借鑒案例的情況下，深化設(shè)計、材料加工、測量定位、現(xiàn)場安裝等環(huán)節(jié)存在多重技術(shù)難題。本論文重點從施工準備（深化設(shè)計）、測量放線、格柵加工到具體安裝，完整的解析復雜異形雙曲大跨度月牙格柵建造技術(shù)。

1 工程概況

熊貓觀光瞭望塔位于成都大熊貓繁育研究基地核心區(qū)域，建筑總高度為70 m，其中建筑標準層高度為49.95 m，建筑層數(shù)為地下1層，地上9層。是城北地區(qū)的制高點、地標和視覺中心。月牙格柵總數(shù)為672根，其中塔冠由75根可活動的桿件組成，最長桿件約13 m，每根桿件按照一定規(guī)律進行開啟和關(guān)閉，形成完美的開啟效果。每根格柵下端與支座鉸接連接，另一端則完全懸挑（閉合時候端部通過限位卡槽與主結(jié)構(gòu)相靠）。格柵下端和支座上端會有對應節(jié)點安裝液壓推桿，通過液壓桿的長度位移得到格柵根部旋轉(zhuǎn)的角度變化，進而達到開啟效果，同時也增加現(xiàn)場建造的難度。

在“春筍”頂部設(shè)計有67根可開啟的格柵。每根格柵需要按照規(guī)律以根部為中心旋轉(zhuǎn)一定角度打開，設(shè)計最大開啟角度為60°；單根立桿重量600～1200 kg之間，最長長度約為13 m（圖1）。

2 工藝原理及施工流程

2.1 工藝原理

運用BIM技術(shù)和3D打印技術(shù)優(yōu)化設(shè)計、施工方案，以技術(shù)指導現(xiàn)場施工。通過模型碰撞檢查，找出圖紙疑問、優(yōu)化節(jié)點，對建筑物進行模擬施工，提前分別對變截面焊接矩形鋼板、鋁單板、鋁型材的廠家做好技術(shù)交底。降雙曲異形大跨度月牙格柵幕墻下料、現(xiàn)場拼裝和精度調(diào)整的難度，縮短施工工期，提高施工質(zhì)量。

2.2 施工流程

施工準備—鋼結(jié)構(gòu)檢查—測量放線—轉(zhuǎn)接件安裝—格柵構(gòu)件加工—格柵組裝—格柵安裝—格柵調(diào)整固定—清洗驗收。

3 施工準備

3.1 深化設(shè)計

3.1.1 格柵結(jié)構(gòu)尺寸深化

因單根格柵最大長度達13.4 m，自重超600 kg。為保證格柵的結(jié)構(gòu)安全性，將格柵原結(jié)構(gòu)100 mm×100 mm方鋼管矩通深化為194 mm×135 mm矩形焊接鋼板，提高結(jié)構(gòu)安全性，降低格柵結(jié)構(gòu)的加工難度。

3.1.2 格柵數(shù)量優(yōu)化與間距調(diào)整

格柵截面加大后，導致格柵間距過密，影響塔身外觀效果，因此將格柵數(shù)由759根優(yōu)化為672根，每個區(qū)域減少一根格柵。在Grasshopper中修改控制格柵數(shù)量的編組參數(shù)，將格柵數(shù)量減少87根；再修改控制格柵位置的參數(shù)將優(yōu)化后的672根格柵，沿著格柵雙曲定位法線均分，達到塔身設(shè)計效果（圖2）。

3.1.3 格柵結(jié)構(gòu)尺寸深化

由于塔冠格柵與中部可開啟格柵需進行機械液壓裝置的設(shè)計，在Rhino中無法對機械裝置進行清晰、細膩的表達，因此選用Catia對格柵及開合液壓裝置進行深化設(shè)計。在Rhino中提取深化后的格柵定位法線，導入Catia中進行參數(shù)化格柵創(chuàng)建，并對需開合的格柵進行液壓推拉桿設(shè)計。

將開合裝置與配套格柵模型導入ABAQUS進行恒載+風標準組合下的位移、風工況下的位移驗算，以及恒載+風基本組合下的強度驗算，查看理論狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)安全性（圖3、圖4）。

3.1.4 格柵支座深化

結(jié)合深化后的格柵截面尺寸，為保證格柵安裝精度以及格柵安裝的可操作性，格柵連接節(jié)點最終深化為連接板+支座圓管+轉(zhuǎn)接矩管的形式，支座圓管尺寸由140 mm×10 mm深化為159 mm×10 mm。

3.2 施工準備

3.2.1 方案編制和審批

由專業(yè)技術(shù)人員編制雙曲異形大跨度月牙格柵專項施工方案，在完成公司審批后，組織專家論證，確保幕墻施工方案安全性、可靠性及經(jīng)濟性，且符合現(xiàn)場實際情況，確保方案的合法、合規(guī)性。

3.2.2 工藝及技術(shù)交底

借助BIM模型和創(chuàng)建的施工動畫，對參全體管理和操作人員進行工藝培訓及方案可視化交底，明確相關(guān)施工重難點、關(guān)鍵部位的構(gòu)造要求、特殊部位的做法、質(zhì)量和安全要求相關(guān)要求等，同時做好“三級”交底。

3.2.3 相關(guān)檢查

安裝前作好所需的材料檢查、施工機具、安裝人員等方面的準備工作。特別是雙曲異形月牙格柵面板、鋼龍骨、轉(zhuǎn)接件的規(guī)格、尺寸、數(shù)量是否符合設(shè)計要求，配套部件是否齊全，并具有出廠合格證、材質(zhì)檢驗報告書等。

3.3 格柵參數(shù)化下料

采用“參數(shù)化下料+數(shù)控切割機+專用平臺測量定位+技術(shù)人員復核指導”的模式，提升變截面焊接異形格柵構(gòu)件的制作精度。

3.4 數(shù)字化加工制造與3D打印

為了加快施工進度的同時保證格柵的加工質(zhì)量，項目對格柵加工采用了數(shù)字化加工制造的方式。

在Catia中將格柵進行分區(qū)編號，按分區(qū)編號導出格柵加工圖及料表、鋁合金型材加工圖及料表、格柵支座加工圖及料表。將型材截面尺寸信息導入數(shù)控機床，自動雕刻出型材模具，再根據(jù)Catia提取的加工料表自動生產(chǎn)出型材直料，最后再按照Catia提取的每根型材弧度，完成型材拉彎加工。

3.5 模擬吊裝

為保證吊裝過程的安全與可行性，首先采用BIM技術(shù)模擬吊裝過程，根據(jù)不同吊裝高度，采用150 t履帶吊（用于34.25～69.8 m高度階段）、80 t汽車吊（用于7.5～34.25 m高度階段）進行吊裝（圖5）。

3.6 鋼結(jié)構(gòu)檢查

3.6.1 三維激光掃描

通過掃描后的鋼結(jié)構(gòu)實體模型與下料模型對比分析，對鋼結(jié)構(gòu)的空間位置偏差進行檢驗、定位、其上、下、左、右偏差數(shù)值不應超過±50 mm。將分析檢查結(jié)果記錄下來，反饋給鋼結(jié)構(gòu)安裝單位。若鋼結(jié)構(gòu)安裝偏差較大，將由鋼構(gòu)單位自行整改。若鋼結(jié)構(gòu)安裝偏差較小符合模型修正要求，將由裝飾單位修正模型，從而確保月牙格柵安裝定位點符合設(shè)計要求。

3.6.2 格柵模型修正

將鋼結(jié)構(gòu)實體掃描模型導入Catia，對比掃描模型與鋼結(jié)構(gòu)標準模型的偏差。偏差大于10 mm的部位，將按照掃描模型修正格柵支座位置與格柵弧長。

4 現(xiàn)場實施

4.1 測量放線

4.1.1 施工定位坐標提取

使用設(shè)計確認后的格柵模型進行格柵支座定位坐標提取，按區(qū)段出具格柵支座定位坐標放樣數(shù)據(jù)表。

4.1.2 現(xiàn)場測量放線

按照建設(shè)單位提供確定的基準控制點坐標，用全站儀將從基準坐標點引到建筑物外圍確定其測量坐標點，并用油漆在地面做好10個標記坐標點以作為裝飾測量坐標點位。

將三維模型轉(zhuǎn)化為平面，利用坐標轉(zhuǎn)換法確定安裝定位連接板的4個關(guān)鍵點三維坐標值，并用全站儀進行調(diào)整、復測。將各支座坐標輸出為Excel文件并直接導入全站儀中進行測量放樣（圖6）。

在實際吊裝過程中，通過定制對穿專用吊鉤進行起吊安裝，保證格柵上端能準確套入支座，格柵下端通過升降吊鉤來調(diào)節(jié)到位，施工效率較高，一組吊車一天安裝約8根單元式成品月牙格柵。為了解決面材開對穿孔的美觀問題，增加裝飾扣蓋來保證整體觀感（圖7）。

4.2 萬向轉(zhuǎn)接件安裝

萬向轉(zhuǎn)接件由159×10 mm鍍鋅圓管（表面氟碳噴涂）+8 mm厚封口鋼板加工件組成。安裝過程首先將全站儀移動至已標記好的測量坐標點，對月牙格柵的上下轉(zhuǎn)接件進行三維坐標定位，通過全站儀來實際測量打點，調(diào)整控制點XYZ三個方向誤差，記錄第一次測量數(shù)據(jù)，檢查測量數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)的偏差，對轉(zhuǎn)接件的安裝定位連接板進行前后、左右、上下微調(diào)，微調(diào)完成后進行第二次測量，并記錄測量數(shù)據(jù)，檢查第二次測量數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)的偏差，以此類推，直至安裝定位連接板各控制點XYZ三個方向測量數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)符合尺寸偏差達到不大于2 mm為止，方可達到安裝精度要求。

通過全站儀來調(diào)整萬向轉(zhuǎn)接件的空間定位，空間定位無誤后進行轉(zhuǎn)接件滿焊安裝。焊接過程必須先除去鋼結(jié)構(gòu)上的油漆或防腐涂料進行焊接，先進行點焊固定調(diào)好位置確定無誤再進行滿焊（圖8）。

4.3 格柵安裝

4.3.1 組裝格柵

在現(xiàn)場地面先進行月牙格柵面材（鋁板+鋁型材）組裝，后進行月牙格柵整體裝配式吊裝。采用固定格柵相同方式，在地面平整場地，在定制專用安裝支架上，拼裝支座、油缸、桿件等成為一個整體。

4.3.2 吊裝格柵

將月牙格柵平放在鋼支架上，再用4 m長5 t的吊帶固定在月牙格柵長度的三分之一兩端位置，鎖緊吊帶，防止吊帶滑動，形成整體吊裝。要求每1次吊裝月牙格柵的根數(shù)不得超過1根，月牙格柵用膠皮防護到位，防止磕碰并綁扎牢固。

4.3.3 格柵安裝

在安裝過程中，采用腳手架將安裝開啟月牙格柵底端的標準件套入主體鋼結(jié)構(gòu)上。再將開啟格柵的專用活動桿件的一端固定在主體鋼結(jié)構(gòu)上。開啟格柵采用150 t履帶吊（34.25～69.8 m）配合進行垂直運輸至安裝點，人工指揮移動在對應的轉(zhuǎn)接件上；調(diào)整活動桿件長度和傾角后，通過專用活動桿件與開啟月牙格柵進行連接。根據(jù)模型圖，調(diào)整每根開啟月牙格柵的方向、角度。待月牙格柵完全固定后，取下吊帶，全面對標準件進行滿焊、打磨、噴漆施工。

重復以上工序，直至完成整個月牙格柵的安裝。

4.4 清理驗收

在打磨噴金屬氟碳漆后，揭開鋁板、鋁型材飾面保護膜清理，自檢合格后組織相關(guān)責任方進行完工驗收。

5 結(jié)束語

本論文從施工準備、鋼結(jié)構(gòu)檢查、測量放線、轉(zhuǎn)接件安裝、構(gòu)件加工、格柵組裝、格柵安裝、格柵調(diào)整固定、清洗驗收等關(guān)鍵工藝步驟，完整的解析復雜異形雙曲大跨度月牙格柵整體建造技術(shù)。借助此建造技術(shù)有助于解決格柵生產(chǎn)、加工、安裝等技術(shù)難題，提高異形大跨度格柵安裝精度、縮短建造周期、降低建造成本。

參考文獻

［1］ 姚琪. 仿生建筑結(jié)構(gòu)合理性及節(jié)能性研究［D］. 西安：西安科技大學， 2017.

［2］ 祝玉龍.我國鋼結(jié)構(gòu)仿生建筑的應用與展望［J］.2024，30（2）：165-169.

［3］ 吳諱.復雜幕墻智能建造技術(shù)［D］.北京.中國土木工程學會總工程師工作委員會：2021年度學術(shù)年會暨首屆總工論壇會議論文集.2021年.