外傾階梯式懸挑玻璃幕墻施工技術(shù)研究

郭志強(qiáng)

(中鐵十七局集團(tuán)建筑工程有限公司 山西太原 030032)

1 引言

隨著現(xiàn)代建筑的快速發(fā)展，外圍護(hù)結(jié)構(gòu)形式也更加趨于風(fēng)格迥異化，復(fù)雜多變的外幕墻形式及造型越來越受到青睞[1]，而造型獨(dú)特、復(fù)雜多變的幕墻帶來的是安裝技術(shù)難度增加和質(zhì)量要求提高。晉城文化藝術(shù)中心外觀為層疊紫薇花，造型獨(dú)特，外幕墻與地面呈79°外傾，采用階梯式懸挑結(jié)構(gòu)，無法在有限的工期內(nèi)通過傳統(tǒng)的配重吊籃法或者搭設(shè)通高腳手架作業(yè)法完成施工。基于此，必須要通過開展技術(shù)攻關(guān)研發(fā)總結(jié)出一整套外傾階梯式玻璃幕墻安裝技術(shù)，來保證幕墻的安裝速度、精確度、質(zhì)量、安全等目標(biāo)，并實(shí)現(xiàn)幕墻外傾斜階梯造型效果。

2 工程概況及重難點(diǎn)分析

2.1 工程概況

晉城文化藝術(shù)中心坐落于主城區(qū)鳳臺(tái)東街以北，文化路以東。建筑整體造型恰似一朵盛放的紫薇花，總建筑面積4.5萬m2，其中地上3萬m2，地下1.5萬m2。南北大廳裝飾采用整體外傾階梯式懸挑玻璃幕墻，幕墻頂距地面29.1 m，幕墻懸挑重量大，單塊玻璃自重達(dá)到150 kg，幕墻整體向外傾斜79°，幕墻豎向主龍骨與抗風(fēng)鋼桁架連接，形成開放的花瓣造型，如圖1所示。

圖1 外傾階梯式懸挑玻璃幕墻效果

2.2 重難點(diǎn)分析

外傾階梯式懸挑玻璃幕墻結(jié)構(gòu)復(fù)雜，本工程外幕墻與地平面夾角為79°，體量大、工期緊、作業(yè)面有限，優(yōu)美的花瓣幕墻造型意味著對(duì)幕墻安裝的高精度、高質(zhì)量要求，幕墻骨架安裝定位難以控制，幕墻原件單塊玻璃重量大，施工過程中易碎，幕墻安裝過程中整體穿插作業(yè)多，施工難度極大。

3 幕墻安裝關(guān)鍵技術(shù)

3.1 總體方案

主體結(jié)構(gòu)完工經(jīng)驗(yàn)收合格后，通過三維掃描技術(shù)及BIM技術(shù)三維建模，解決因空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜造成的幕墻與原結(jié)構(gòu)構(gòu)件發(fā)生的碰撞問題，并為后續(xù)幕墻深化設(shè)計(jì)、下料及精確定位放樣提供依據(jù)。通過金屬抱箍裝置將幕墻龍骨與抗風(fēng)鋼桁架可靠連接，構(gòu)建出外傾斜階梯幕墻骨架結(jié)構(gòu)體系，在施工安裝過程中采用無支架、無配重懸掛吊籃，在保證安全、質(zhì)量前提下實(shí)現(xiàn)幕墻快速安裝。

3.2 應(yīng)用了三維掃描＋BIM技術(shù)

工程結(jié)構(gòu)主體建造完成后不可避免地存在施工誤差[2]，因此，在玻璃幕墻安裝前必須對(duì)主體結(jié)構(gòu)的實(shí)際空間尺寸進(jìn)行測(cè)量復(fù)核，然后根據(jù)復(fù)核空間尺寸開展深化設(shè)計(jì)及幕墻玻璃的加工制作，以滿足玻璃幕墻的精準(zhǔn)定位和精度要求。為此應(yīng)用三維掃描的快速測(cè)量技術(shù)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)抗風(fēng)桁架結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維掃描，如圖2所示，通過對(duì)傳統(tǒng)測(cè)量復(fù)核作業(yè)進(jìn)行改進(jìn)，采用三維掃描快速精確測(cè)量，降低了測(cè)量誤差，大幅提高工效。

圖2 抗風(fēng)桁架三維掃描模型

根據(jù)三維掃描結(jié)果對(duì)外幕墻進(jìn)行BIM建模，如圖3所示，并將最終數(shù)據(jù)反饋至現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)員和深化設(shè)計(jì)人員，根據(jù)三維建模反饋數(shù)據(jù)，對(duì)幕墻進(jìn)行深化設(shè)計(jì)[3]，在正式進(jìn)行玻璃制作安裝前需對(duì)吊籃及玻璃幕墻進(jìn)行放樣，以指導(dǎo)玻璃制作及確保玻璃安裝準(zhǔn)確。利用三維掃描＋BIM技術(shù)，解決了因空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜造成的幕墻與原結(jié)構(gòu)構(gòu)件發(fā)生的碰撞問題，提高了幕墻骨架定位安裝的準(zhǔn)確性，同時(shí)也提高了玻璃幕墻安裝的施工效率。

圖3 幕墻骨架BIM模型

3.3 研發(fā)了管桁架外接抱箍裝置

本工程南北入口結(jié)構(gòu)形式為主、次雙向平面桁架、環(huán)向空間立體桁架、立面空間抗風(fēng)桁架[4]以及水平支撐和系桿組合而成的結(jié)構(gòu)體系，而外幕墻主龍骨為箱形柱，針對(duì)管桁架焊接容易產(chǎn)生殘余應(yīng)力及應(yīng)力集中變形[5]，影響結(jié)構(gòu)安全，研發(fā)了一種管桁架外接抱箍裝置，如圖4所示，解決了在管桁架外接幕墻龍骨結(jié)構(gòu)安全的問題。現(xiàn)場(chǎng)安裝使用操作簡(jiǎn)便，連接穩(wěn)定可靠，安裝效果如圖5所示，縮短了施工周期，加快了施工進(jìn)度，同時(shí)在溫度應(yīng)力變形時(shí)可自由伸縮[6]，振動(dòng)環(huán)境下隔振減震，下側(cè)抱箍具備防滑作用，保證了結(jié)構(gòu)安全性能[7]。

圖4 管桁架外接抱箍裝置

圖5 現(xiàn)場(chǎng)抱箍結(jié)構(gòu)

該外接抱箍裝置主要包括2個(gè)抱箍，上下2個(gè)抱箍半徑差1 mm，具體為10 mm厚抱箍鋼環(huán)與6副M12不銹鋼螺栓、1副M30高強(qiáng)螺栓、3塊16 mm半圓形鋼板、5 mm厚橡膠方形隔震墊與10 mm厚橡膠環(huán)形隔震墊組成。10 mm厚抱箍鋼環(huán)與16 mm半圓形鋼板在工廠里提前焊接完成，在主體桁架上安裝10 mm厚抱箍鋼環(huán)，套上10 mm厚環(huán)形橡膠隔震墊，接著在主體桁架上通過M12不銹鋼螺栓固定10 mm厚抱箍鋼環(huán)，抱箍鋼環(huán)里面墊5 mm橡膠隔震墊，最后通過M30高強(qiáng)螺栓與焊接在幕墻豎龍骨上的16 mm半圓形鋼板連接。

3.4 研發(fā)了無支架無配重懸掛吊籃

外傾階梯式幕墻與地平面的夾角為79°，最高安裝高度29.1 m，幕墻玻璃無法采用傳統(tǒng)的施工工藝或普通機(jī)械設(shè)備運(yùn)送至作業(yè)面[8]，為此，研發(fā)了一種無支架無配重吊籃，根據(jù)吊裝施工承載力，吊籃結(jié)構(gòu)強(qiáng)度經(jīng)檢算滿足幕墻及作業(yè)的要求，確保施工安全，根據(jù)本工程的特點(diǎn)，在原有抗風(fēng)鋼桁架主體結(jié)構(gòu)頂部設(shè)置懸挑鋼牛腿，作為吊籃的吊點(diǎn)，從最底層開始安裝，逐層將吊籃鋼絲繩穿到上一層的骨架內(nèi)，如圖6所示，保證吊籃和幕墻安裝作業(yè)面保持平行及適當(dāng)?shù)墓ぷ骶嚯x，保證幕墻快速可靠安裝[9]。

圖6 吊籃位置示意

3.5 外幕墻玻璃吊裝控制要點(diǎn)

從最底層開始安裝，逐層將吊籃鋼絲繩穿到上一層的鋁板骨架內(nèi)，玻璃安裝由最底層開始，將吊籃鋼絲繩通過臨時(shí)固定裝置固定于安裝層上層的鋁板龍骨內(nèi)，從而保證吊籃和玻璃安裝作業(yè)面平行[10]，以確保吊籃位于適合玻璃幕墻安裝作業(yè)的范圍內(nèi)。首先將玻璃運(yùn)送至吊籃內(nèi)臨時(shí)固定，2個(gè)作業(yè)人員一起跟隨吊籃提升至玻璃安裝位置[11]，使吊籃升至玻璃安裝位置下口齊平，固定提升鋼絲繩，然后采用吸盤將玻璃送至安裝位置進(jìn)行安裝[12]，如圖7所示，保證玻璃順利安裝。待玻璃安裝完成后，應(yīng)讓玻璃靜置24 h，觀察其整體變形情況從而進(jìn)行整體微調(diào)，最后才打膠和細(xì)部處理[13]。松開固定于上一層鋁板龍骨內(nèi)的臨時(shí)固定裝置，上移一層再臨時(shí)固定。逐層調(diào)整吊籃位置，每次調(diào)整吊籃至玻璃安裝位置的上一層的鋁板龍骨內(nèi)。采用該技術(shù)后解決了傾斜幕墻玻璃安裝的難題，施工更加便捷，節(jié)約了幕墻施工成本，加快了施工速度，提高了施工質(zhì)量。

圖7 外幕墻玻璃吊裝

4 結(jié)論與體會(huì)

外傾階梯式懸挑玻璃幕墻施工技術(shù)在晉城市文化藝術(shù)中心項(xiàng)目外幕墻施工中得到了很好的實(shí)際運(yùn)用，開發(fā)了集三維掃描快速測(cè)量、BIM建模深化設(shè)計(jì)、無配重吊籃、管桁架外接抱箍裝置于一體的外傾階梯式玻璃幕墻施工技術(shù)，為幕墻施工提供了技術(shù)支撐，解決了外傾幕墻玻璃安裝的難題，便捷、優(yōu)質(zhì)、高效地完成了晉城市文化藝術(shù)中心項(xiàng)目玻璃幕墻的安裝施工，通過分析總結(jié)，得到以下結(jié)論:

(1)針對(duì)完工后的實(shí)際主體結(jié)構(gòu)因施工誤差、溫度變形等原因存在一定的偏差，施工過程中采取的BIM＋三維掃描技術(shù)能夠有效地控制誤差，較好地實(shí)現(xiàn)深化設(shè)計(jì)效果，指導(dǎo)下料，有效地解決了復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)施工難定位的情況，保證放樣安裝的準(zhǔn)確性。

(2)根據(jù)本工程結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，為實(shí)現(xiàn)幕墻外傾斜造型效果的同時(shí)保證安全性，幕墻龍骨需要與抗風(fēng)鋼桁架可靠連接，并滿足一定程度可自由滑動(dòng)的溫度變形要求，通過使用自主研發(fā)的管桁架外接抱箍裝置，解決了受力問題，裝置穩(wěn)定可靠，安裝簡(jiǎn)便，美觀實(shí)用，提高了結(jié)構(gòu)整體的安全性和抗震性。

(3)因本工程幕墻為外傾懸挑結(jié)構(gòu)形式，且頂部屋面結(jié)構(gòu)不能承重，無法采用傳統(tǒng)的吊籃懸掛方式施工，通過設(shè)計(jì)采用無支架無配重懸掛吊籃裝置進(jìn)行安裝，解決了外傾幕墻玻璃安裝的難題，滿足了施工要求，加快了施工進(jìn)度。

(4)通過晉城文化藝術(shù)中心實(shí)際應(yīng)用總結(jié)的外傾階梯式懸挑玻璃幕墻施工技術(shù)，不需要過度依賴各類作業(yè)吊裝車輛和升降平臺(tái)，降低了能源消耗。通過對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)的優(yōu)化分區(qū)，加強(qiáng)幕墻安裝物料的集中管控，有效地降低了對(duì)環(huán)境的污染破壞，實(shí)現(xiàn)了綠色施工。節(jié)約工期10 d，獲得經(jīng)濟(jì)效益11萬元，取得了良好的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)效益。隨著我國(guó)大型公共建筑的獨(dú)特化設(shè)計(jì)、建設(shè)，該技術(shù)具有良好推廣應(yīng)用前景。