鋼結構幕墻一體化設計施工技術

陳 立

上海市機械施工集團有限公司 上海 200072

鋼結構框架梁柱位置靈活多變、節點復雜，幕墻體系中預埋件、轉接件及龍骨體系依附主體結構，且構造復雜。傳統的施工工藝將鋼結構和幕墻作為2個獨立的專業分別設計施工，相互配合有限，難以做到無縫銜接，易產生兩方面問題[1-2]。

1）幕墻埋件、轉接件現場和鋼結構焊接，電弧和高溫會直接破壞防腐和防火層，降低結構耐久性，焊接收縮應力的累積也會影響結構安全性。

2）幕墻骨架系統和鋼結構空間碰撞沖突無法提前發現，現場施工碰到問題的解決途徑僅剩調整幕墻體系。局部構造變化不但使質量和精度無法保證，影響建筑整體效果，而且造成返工和材料浪費，影響施工進度。

西湖大學PPP建設工程通過鋼結構幕墻一體化設計施工，有效地將鋼結構與幕墻結合起來，通過整體深化建模，或微調結構、或調整幕墻骨架，從設計源頭上解決2種體系間的空間干擾問題。鋼結構在工廠制作時將幕墻埋件和轉接件同步加工好，解決了現場焊接對結構的影響，優化了施工工序。現場鋼結構安裝過程中控制鋼結構精度，校核轉接件偏差，進一步保證施工精度，局部較大偏差值通過模型模擬后微調幕墻龍骨，消化前道工序偏差，保證幕墻整體精度，通過精度保證整體外觀效果，精密性保證氣密性，氣密性保證水密性，最終做到幕墻不漏水。通過鋼結構幕墻一體化設計施工，既解決了空間干擾問題，確保了施工精度，又減少現場工作量，降低了施工難度，有效地保證了施工質量和整體效果，節約了施工成本，加快了整體施工進度。

1 工程概況

1.1 建筑概況

西湖大學位于杭州西湖區三墩雙橋區域，東鄰已建三墩小學，南至規劃墩余路，西靠云濤北路，北側為預留用地且靠近杭長高速。用地面積約42.2萬 m2，地上建筑面積32萬 m2，地下建筑面積約13萬 m2，共43個單體（圖1）。

圖1 西湖大學整體效果圖

1.2 鋼結構幕墻概況

西湖大學鋼結構分布在10個單體中，總計用鋼量約1.34萬 t。最大單體學術環為地上4層鋼框架及四大學院屋頂鋼架，鋼結構質量9 820 t。學術會堂屋頂螺栓球網架質量340 t，學術交流中心18層外框鋼結構2 073 t。其他包括連廊、網殼、挑梁等零星結構（圖2）。

圖2 鋼結構分布示意

本工程幕墻約33.9萬 m2，主要含10套系統：玻璃幕墻、石材幕墻、鋁板幕墻、UHPC超高性能混凝土掛板、金屬屋面、采光頂、鋁合金門窗、鋁合金格柵、玻璃欄板、蜂窩鋁板等。

2 一體化設計施工工藝

2.1 一體化設計

鋼結構幕墻整體同步開展深化設計，使用BIM軟件建立鋼結構幕墻整體模型。深化前同設計溝通，先對鋼結構和幕墻設計圖紙進行審圖分析，建模按照深化進度分為2個階段進行，每個階段模型達到的深度不同，發揮的作用也不同。

第1階段建設計模型，主要目的是解決2種相互依附體系空間碰撞問題，深度到主構件和表皮，將鋼結構主體梁柱框架和幕墻骨架體系及表皮建完，進行鋼結構和幕墻系統第1次合模（圖3）。

圖3 設計模型

設計模型建成后通過碰撞測試從而直觀展示2種系統主要構件的空間關系，在模型中篩查出沖突部位，提出優化調整建議，便于結構設計師和幕墻設計師及時決策調整。同時可以在模型中對2種體系交界處操作面尺寸位置進行分析，后續施工是否便捷、操作空間是否滿足施工要求，提前發現施工難題，可以針對性地找到解決措施。

第2階段是深化模型，設計模型解決好空間沖突關系后，進一步進行模型深化，達到按照模型出深化圖紙、提料清單的要求，深化模型深度要建到各零件細部節點圖，將鋼結構主體梁柱連接節點、幕墻骨架詳細節點及大面玻璃類型和膠條建完（圖4）。

圖4 第2階段模型

模型建好后待整體碰撞檢查無誤后，通過模型導出鋼結構深化加工圖及幕墻深化加工圖，并生成相應材料清單用于材料采購，幕墻埋件和轉接件及鋼龍骨圖紙反映到鋼結構加工圖中并成整體，鋼結構加工廠整體采購加工。

通過深化模型建立，提前發現幕墻防水構造上的缺陷和薄弱環節，便于進一步優化防水構造，并在后續施工階段重點把控薄弱環節，降低幕墻漏水概率。

2.2 一體化施工

鋼結構施工特點是“短頻快”、造型和跨度大，現場吊裝措施特殊，主要針對連接節點部位搭設，鋼結構安裝完成后進行防腐和防火施工。幕墻施工須先搭設操作措施，對主體結構進行復測，偏差糾正消化后進行整體放線，安裝定位鋼轉接件和鋼龍骨，精度調整后進行焊接固定，會對已經完成的主體結構防腐油漆和防火涂料造成極大破壞，密集的轉接件安裝及大量焊接工作也會對結構安全性和耐久性產生難以預估的影響，現場動火隱患大、安全文明施工要求高，破壞的防腐和防火層必須二次施工，大大增加了施工時間和施工成本。

通過一體化設計施工，鋼結構幕墻集成的深化圖紙設計審批后，工廠加工時按照一體化圖紙把幕墻的埋件和轉接件及鋼龍骨一并加工好，進行鋼梁、鋼柱調直校正，驗收合格、質量和精度滿足要求后進行防腐處理，按順序運至現場安裝。

施工現場在進行主體鋼結構組裝的同時，幕墻轉接件應同步到位，既能保證埋件、轉接件的精度和質量，又可節約施工時間，現場直接進入龍骨安裝階段。同時減少一道工序，大大降低幕墻施工成本。對于西湖大學異形幕墻，如水滴狀搪瓷鋼板，造型奇特，通過BIM技術進行一體化施工，確保外觀精度滿足設計要求。為保證整體外觀效果，首先按照深化模型尺寸現場安裝龍骨系統，模型發工廠加工面板，通過掃描龍骨及面材數據反饋進模型合模，發現偏差及時調整；接著在現場利用BIM建立施工模型，進行面材掛件和龍骨掛點的施工模擬，確保面材加工精度和現場安裝精度，從而達到整體效果。

第1步水滴柱鋼龍骨系統按照設計模型安裝，通過現場三維掃描鋼結構和轉接件、龍骨系統的實體捕捉參數，嚴格控制復測精度，將現場復測數據反饋進深化模型中進行合模，偏差較大處進行調整，確保龍骨系統的施工精度。加工廠同步按照設計模型下料加工異形搪瓷鋼板面板及掛件，加工完成后掃描數據，反饋進模型合模，如有偏差，在工廠內及時調整面板精度。

第2步龍骨系統和面板精度初步滿足施工要求后，進行模擬預拼。現場使用全站儀測量捕捉整個鋼龍骨面板掛點的空間坐標，加工廠同步測量捕捉面板掛件及面板特征點空間坐標，利用BIM技術建立現場龍骨和工廠面材的施工模型，將2個模型進行模擬預拼，工廠根據模擬結果進一步校正調整面板，確保模擬結果滿足精度要求。

3 結語

1）鋼結構和幕墻2種體系空間關系沖突問題在設計深化時解決，避免了現場大量返工修改、人材機浪費的情況；通過深化模型出圖，確保了構件加工圖紙精準度，為現場確保施工質量創造了條件。

2）鋼結構加工時集成幕墻埋件和轉接件，避免了大量幕墻埋件和轉接件在現場焊接可能對主體鋼結構耐久性和安全性造成的不利影響，減少現場埋件施工工序，直接進入龍骨安裝節點，大大節約了施工時間和成本，取得了顯著的效益。

3）異形幕墻的鋼結構龍骨系統和面板通過BIM技術模擬預拼，確保了施工精度，降低了加工難度，整體完成效果得到各界一致好評，克服了弧形幕墻體系安裝成品精度低、觀感差的難點，滿足了設計師和業主通過外立面幕墻造型提升整體建筑品質的需求。