基于BIM技術的組合裝配式干掛石材安裝工藝

何華 羅金萍 鄧小華 毛運濤 彭德坤

在建筑工程的外墻裝飾過程中，現場常用的干掛石材安裝方法已無法滿足現如今的行業需要。要求建筑施工技術現代化，安裝簡單快捷，縮短安裝時間，提高構件安裝的質量等方面已顯示出局限性。所以，在傳統干掛石材安裝的基礎上，提出了組合裝配式干掛的安裝工藝。

BIM建模； 裝配式；? SE組合分離式掛件

TU767.6 B

［定稿日期］2022-08-11

［作者簡介］何華（1977—），男，本科，工程師，主要從事建筑工程質量管理工作。

傳統的干掛石材安裝方法存在著不同程度的缺點。為有效地縮短關鍵工序的施工工期，降低施工現場環境污染，推廣應用裝配式分離組合掛件，使得維修更換更加便利，實現建設工程的全面履約，減少勞動強度和工程成本，提高施工效率，進行了組合裝配式干掛安裝技術的研究。

1 傳統石材干掛方式存在的問題

1.1 針銷式

顧名思義，就是將銷針與墊木和板材邊沿進行開孔實現以剛性對接，此種干掛件及方法于為國內最早的一種干掛方式，為干掛石材的后續技術提供了基礎。但是由于這種方法靠銷針受力，在實際應用過程中發現的銷孔內應力也較為集中，從而造成了石材內部較容易出現裂碎的情況，并且在實際運用的過程中也較費工、耗力、費料等。

1.2 蝴蝶式

此種方式在工藝成型時容易損壞掛件導致的硬度不足。在施工過程中，由于上、下的翻頭厚薄和彎度使得所切溝槽需要進行加寬處理，導致在施工時對石材的極易產生劃傷和損壞。

1.3 焊接式

在焊接時高溫受熱會影響掛件的硬度，如果焊接溫度不飽滿還會形成金屬氧化性腐蝕脫落，這樣就會使掛件的牢固性、安全性都無法獲得保證，而荷載在負載作用下也會造成破壞，并且在焊縫處腐蝕后的銹水很容易順著槽縫隙滲入石材內產生污垢，從而嚴重形響了環境與美觀。

1.4 背栓式

此工藝是金屬與金屬、或石材與金屬之間的直接接觸，在施工作業過程中難免會存在碰撞的情況，所以這種干掛會極易造成因溫度變化引起的熱脹冷縮而變形，需要維護較多。

1.5 短槽式

該方法受力較差，相對承載力不足，在干掛點中的抗拉強度也較低，同時還必須對槽段進行嵌填，這就造成了施工費用的增加；另一個弊端則是當石材面積大、且使用高度較高時存在著不能正確布點的問題，同時該方法同樣不方便進行后期損壞石材的更換處理。

2 組合裝配式干掛安裝工藝原理

通過采用熱鍍鋅+槽鋼的方式與建筑主體結構預埋件相連，采用飾面石材面板和鋁合金SE副掛件由廠家進行小單元體拼裝，在現場直接使用石材拼裝板和副掛件通過主體螺栓進行相連，并固定組裝于石材龍骨上，板材之間的空隙用泡沫棒填補后，再用硅酸耐候密封膠進行封閉，從而構成整體的裝飾面板以保障安裝質量效果。從而達到減少環境污染、省時省力、安裝方便快捷且易拆卸的目的。除此之外還具有幾個特點：

（1）石材幕墻的預埋件在主體結構施工時完成預埋，對于尺寸不合適及漏埋的錨板采用化學錨栓后置埋板，避免后期鑿孔破壞結構。

（2）利用BIM技術導出構件間定位關系，實現施工過程預演，得出構件間加工數據清單，實現三維可視化交底［1］。

（3）采用SE組合分離式掛件實現石材加工制作工廠化，施工現場不開槽、主副掛件掛接、螺栓擰緊即可快速實現安裝、更換。

3 工藝流程與要點分析

3.1 工藝流程

組合裝配式干掛石材安裝工藝流程見圖1。

前期先利用BIM技術進行建模設計，搭建模型，通過修正模型后，采用BIM導出的模型數據進行塊材的工廠處理。現場通過測量放線確定位置，進行預埋件的安裝工作。需要注意的是部分邊角處需要留意后置埋件的安裝，同時還需要進行抗拔實驗以確定其抗拔能力，保證安全可靠；然后依次進行結構及埋件檢查、轉接件安裝、鍍鋅鋼立柱安裝、鍍鋅鋼立柱安裝、鍍鋅角鋼橫梁安裝、保溫巖棉、防火、防雷安裝。在隱蔽驗收合格后，進行石材的安裝工作。

3.2 施工要點分析

3.2.1 BIM建模設計

通過結構模型與石材模型的整合，可直接得出埋件與鋼架、鋼架與石材面板之間的位置關系。從BIM模型中導出埋件、龍骨等具體定位點（圖2）。

在BIM模式下，石材與龍骨、龍骨與結構所有構件均按1∶1實物呈現。石材單元板塊加工數據可直接導出，進而方便廠家進行石材組裝生產。

3.2.2 測量放線

首先要確認好建筑的基準軸線及其水平位置，然后利用儀器（全站儀或者經緯儀）從建筑物底部處引出控制點及其拐角控制線，然后通過激光垂直度儀，將外控制軸線引至頂層的水平層處并加以確定，最后依據外控制點的水平位置與標高位置，確定幕墻的水平位置控制線。

3.2.3 預埋件施工

（1）預埋板焊接：對預埋件采取埋弧焊方法，在焊接過程中為了確保焊后的質量品質，就必須及時地清除電板鉗口污染物如電渣灰塵等，保證電極反應中焊接的精確，并根據焊接效果及時進行調試，而一旦在焊接過程中出現了鋼筋大直徑咬線的問題或者鋼板焊穿焊縫質量差的問題，就必須要盡快找出問題，消除焊縫的質量問題。在施工過程中一般采取手工焊的方式，通過控制焊接電流大小，來預防鋼筋的燒傷。

（2）調整誤差：按照BIM模型中生成的預埋件所定位的點和現場的尺寸布置，再結合幕墻的區域分格，就可以計算出誤差每分格內的均值，如果均值未超過規范允許范圍，則按照現場尺寸進行分格埋設，如果超過允許誤差的值，則需要進行重新安裝后補埋件。

（3）預埋件施工過程的固定方式：因為混凝土澆灌后在外表所占的面積不是很大，以至于僅靠澆筑來固定是不牢固的，這時候就需要螺栓來緊固卡子，使預埋件與模板保持嚴絲合縫，另外也可以利用一般鐵釘或者木螺絲放在之前在預埋件打好的孔上面。當預埋件的面積比較大的時，可以利用預埋件的內側焊接螺帽，然后穿過板和模板與螺帽連接并固定［2］。預埋件的固定位置切記不能與主筋相相接觸。這樣會使預埋件的位置發生偏差，在設置預埋件時，要計算好埋設的位置，保證位置的精確，不影響澆灌混凝土。

3.2.4 后補埋件安裝

對于邊角位置無預埋件的需要增加Q235B后置埋件，規格為250 mm×200 mm×8 mm，鋼材表面熱浸鍍鋅處理，化學錨栓依據計算結果采用M12×160 mm化學錨栓，埋件安裝順序為：放線定點—沖擊鉆打孔—清埋洞眼—復核中心線—化學錨栓安裝—鋼埋板安裝—埋件的清理與防腐—拉拔試驗［3］。

（1）放線定點：埋件位置應根據幕墻分格線、結構設計的軸線位置、樓層標高線，標注出相應埋件點位的線（圖3）。

（2）沖擊鉆鉆孔：為保證孔的深度，可以在沖擊鉆上加設立標尺，鉆孔深度及打孔直徑依據表1進行，混凝土配孔直徑（適應ASQ 混凝土強度為C25～C60）。

（3）清埋孔洞：在結構上鉆孔后，應及時清理掉孔內的灰塵，保證孔內清潔無殘留的沉渣。

（4）復核中心線：標高允許偏差為±10 mm，軸線左右允許偏差為±20 mm，軸線前后允許偏差為±20 mm。

（5）錨栓安裝：清孔完畢后，將化學藥劑放入孔中，再將化學錨栓插入鋼板內與結構固定進行安裝。同時需要高速進行攪拌（手槍鉆轉速為750 r/s），待洞口內有少許混合物外露后即可停止（圖4）。

3.2.5 結構及埋件的檢查

（1）埋件左右、上下偏差的檢查：首先將支座的定位線彈在結構上，便于檢查預埋件中心線與支座的定位線是否有偏差的情況，利用十字定位線，檢查出埋件上下、左右的偏差，一般要求埋件的標高偏差不應大于10 mm，埋件位置差不應大于10 mm。

（2）結構定位的檢查：支座的定位線確定以后，在結構處依據外控網拉垂直鋼線，以及橫向線作為安裝控制線，核實埋件定位尺寸和結構的標高，記錄安裝數據定位［4］。

3.2.6 轉接件安裝

初步確定轉接件后，對不合格的進行調校修正以滿足誤差要求。自檢合格后，再進行抽檢，抽檢數量應為總數量的百分之五以上，且不少于5件，在抽查合格后將所有連接件焊接固定，焊縫位置及尺寸按工程設計要求，焊縫高度不小于7 mm，且需要滿足規范要求，同時焊接完成后的連接件必須涂刷防銹漆［5］。

3.2.7 鍍鋅鋼立柱安裝

（1）柱的安裝，根據放線的部位進行安排。安裝立柱的施工順序為從底層開始由下往上進行施工流水作業。

（2）為確保平整度，需使角位垂直鋼絲布置精確。保證作業人員可以根據鋼絲作為定位基準，進行角位立柱的安裝。

（3）立柱在安裝之前，首先對立柱進行直線度的檢查，采用拉線法檢查若不符合要求，矯正后再上墻進行安裝，將誤差控制在允許的范圍內［6］。在檢驗完畢后，用不銹鋼螺栓將鋼立柱與鍍鋅鋼板轉接件相連，以調節立柱的垂直度和水平度，而后往上擰緊固定螺栓。并在鋼立柱和鋼板轉接件的中間，加設防銹墊片以防止兩構件直接接觸造成電化學腐蝕。

（4）立柱在固定好就位后，通過之前所布置的鋼絲線，結合施工圖進行確認檢查，在確定了各尺寸滿足要求后，再對鋼龍骨進行垂直度的檢查，確保鋼龍骨的軸線偏差在允許范圍之內。豎向必須在每個層間設置一處伸縮縫，以保證伸縮度要求，豎向伸縮縫設置間隙為20 mm，使用插芯連接，連接長度在250 mm以上。同時間隙處用密封膠進行填充處理以保證密實（圖5）。

3.2.8 鍍鋅角鋼橫梁安裝

（1）在立柱安裝完畢之后，檢查分格情況，符合規范要求后進行角鋼橫梁的安裝。通過實際操作后發現，為達到安裝便捷，橫梁的下料尺寸應比分割尺寸小3 mm。安裝橫梁前，將鋼角碼與鋼立柱焊接固定在一起。

（2）待鋼角碼與鋼立柱安裝完畢后，即可進行角鋼橫梁的安裝，一端螺栓固定，一端焊接固定。

3.2.9 保溫巖棉、防火、防雷安裝

（1）先進行巖棉板的裁剪，裁剪大小通過按照石材龍骨的間距來進行，裁剪后由自下而上沿水平方向橫向交錯鋪貼。從墻體拐角處開始垂直交錯連接固定板材。陰、陽角處巖棉板交錯互鎖。門窗洞口四角處巖棉板不得拼接，應采用整塊巖棉板切割成形切口與板面垂直，墻面的邊角處應用同樣的保溫板粘貼固定［7］。板上、下應錯縫排列，錯開距離為1/2板長，縫隙嵌填用窄條巖棉板。另外錨固件選M8×120 mm的塑料膨脹螺栓來進行錨固，保證巖棉板與外墻面的緊密結合。 需要注意的是錨固點緊固后不應超過巖棉板的表面，應低1～2 mm。

（2）石材干掛應滿足防護要求，每層樓的樓板頂標高處應設層間防火隔離帶。防火層使用鍍鋅防火鋼板的，厚度應滿足防護要求，一般不小1.5 mm；使用的巖棉的厚度應不小于 100 mm。

（3）先將避雷連接鋼筋與均壓環、避雷環與接地端子的焊接，采用三角形滿焊，焊接長度不小于100 mm，所有焊縫應修光，表面刷防銹漆，另一端與主體防雷鋼筋連接［8］。然后均壓環與防雷引下線采用12 mm圓鋼連接，連接處采用雙面焊接方式，接縫采用角焊縫，焊縫高度取6 mm，長度為100 mm（圖6）。

3.2.10 石材安裝

3.2.10.1 SE分離式掛件

（1）SE掛件結構原理：主件與副件在滑槽內采用了滑動配合，在凹槽內設有橡膠條，用來避免主件和副件的硬碰撞接觸。主件的平板上設有安裝孔洞，通過角鋼進行螺栓連接。副件嵌板槽開口為上的是S型副件，嵌板槽開口向下為E型副件。當主件的滑槽為一組時，安裝在最上層或最下層，當主件的滑槽為2組時，兩滑槽應上、下依次排列，安裝在中間各層，S型副件與主件位于上面的滑槽進行連接配合，E型副件與主件位于下面的滑槽連接配合［9］。

（2）SE掛件的主要性能：①通過對石材兩邊的定位切割開槽，能夠提高整個墻面的平整度要求。因為使用的是組合式掛件，使得其具有強度大，牢固性強的特點，優化了抗震的性能。另外以角鋼作為次龍骨，在不增加額外安裝材料的情況下，還可提高其承載荷重，同時也可滿足板材尺寸加大的要求。另外SE掛件的上、下與板之間沒有直接聯系，不會產生相應連接后造成的不確定性因素影響如應力集中等，受力情況相對簡潔明確。在正常使用狀態下能充分利用板材的抗彎強度特性，同時當結構產生較大位移或溫差較大時，板材的內部不會產生額外的附加應力，或殘留積累壓力等，該種掛件適用于高層建筑和具有較嚴格的抗震要求的幕墻構件上;②S型或E型副件與石材裝飾板通過干掛膠粘結在一起后形成小單元式組件。作業時先將主件分層固定在幕墻次龍骨上，再將小單元式組件S型、E型兩副件的滑槽結合，這樣就形成了可便攜拆卸的石材幕墻。這種小單元組件的使用將會大大簡化了石材幕墻的安裝方式及安裝要求，提高了干掛石材的成型質量。另外石材裝飾板與副件通過利用干掛膠進行粘接，顯著的提高了粘接的強度與安全可靠性，由于小單元式組件安裝拆卸簡單，這也就為后期幕墻的維修與保養提供了保證（圖7）。

（3）SE掛件的主要特點：①拆裝簡單、可靠，為維修保養提供了便利；②可進行左右滑動，為拼裝創造了發展空間；③由角鋼為次龍骨材料，對提高鋼板厚度和寬度所帶來的壓力增大也起到了保證，從而增加了安全系數；④裝飾板與板之間沒有連接，是單一承載獨自受力的個體，因此不會產生因相互連接造成的復雜受力情況導致的應力集中或殘留壓力積累。

3.2.10.2 石材與SE副掛件在工廠組裝

在完成石材幕墻BIM設計建模之后，工廠開始加工組裝石材板塊，保證了質量與供給需求，使施工時間得到了節約，同時減少了因材料不過關引起的返工。將石材裝飾板和掛件中的S型、E型副件在工廠加工后，組裝成小單元式組件，運往工地直接固定在主件上，最后再進行整幅的幕墻施工。

采用這種小單元式組件安裝石材幕墻最大的特點是工程工期短，同時由于在工廠組裝，可以根據需要進行調整設計，各個單元組件可以拼裝成形形色色的單元組件，也為建筑師們充分發揮想像力創造了很大的創作空間。

采用工廠組裝掛件，施工現場中不需要進行石材裝飾板和掛件之間的連接，只需掛件也主掛件螺栓連接。改善了石材幕墻安裝方式，大大提高了安裝質量和安裝速度；小單元式組件在工廠中通過工業方式生產，提高了生產效率。

4 結束語

組合裝配式干掛石材安裝是在鋼銷式、背栓式及短槽式干掛工藝施工經驗的基層上整合、提煉而成，總結了BIM建模設計幕墻鋼架、測量、埋板定位、龍骨定位安裝制作、單元石材的排版加工、石材與各建筑裝飾收口關系的詮釋等工序的施工方法、操作要點和保障措施，在天府機場建設中得到了廣泛的應用。

通過使用SE組合分離式掛件和石材在工廠內完成組合裝配式石材板塊，大大提高了生產效率，保證了材料的質量，同時通過機械流水生產，也有效的降低了工作人員的勞動強度和建設單位的施工成本，簡化了施工工序，大大提高了施工效率，減少了現場的環境污染，同時使得后期石材的更換維修更加的便利，具有較好的推廣應用價值。

參考文獻

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