地下大型交通樞紐“費馬螺旋”異形吊頂施工技術

萬兆遷 趙海平 邵 兵 夏志威

1 工程概況

深圳市崗廈北城市綜合交通樞紐工程（以下簡稱“崗廈北樞紐”）位于深南大道與彩田路交叉口處，為地鐵2、10、11、14 號線四線換乘、市政過街、商業、常規公交接駁、出租及社會車輛接駁的綜合交通樞紐。共地下三層結構，其中地下一層為四線換乘站廳層，地下二層為11、14 號線站臺層，地下三層為10 號線站臺層?？偨ㄖ娣e約23.5 萬m2。站廳層中板設計長70.25 m、寬36.8 m，為下沉空間，形成貫穿站廳層和站臺層的2 層通高共享空間，是站廳層通往站臺層的主要通道，中庭共享空間吊頂的高度為12.8 m，站廳層空間吊頂高度為7.12 m。站廳公共區頂板中心位置為直徑12 m的自然采光天井。

采用費馬螺旋（Fermat's Spiral）數學原理異型吊頂位于城軌區站廳層公共區，南北跨度達185 m，東西跨度達196 m，面積約2.2 萬 m2，方通數量約6 萬 m。以核心區采光天窗中心點為天花造型基點，采用白色鋁合金單曲方通60 mm×120 mm×1.5 mm 和直通60 mm×120 mm×1.2 mm，通過控制費馬螺旋線曲率，由射線及正反曲線交匯所形成的類三角形，通過2 次加密，由小變大，再由大變小的異形吊頂。這樣的造型呈現出由里向外的生長趨勢，使得空間充滿蓬勃生機。

2 工程重難點分析

2.1 頂部結構復雜、轉換層及龍骨布設難度大

頂板為鋼混結構，鋼箱梁規格較大且不能焊接、頂部管線密集，分布大型風管、消防水及橋架等，且3 個方向的方通龍骨均為獨立重疊設置，轉換層及龍骨布設難度大、安裝空間影響較大。

2.2 吊頂造型拼裝定位難度大、拼裝質量要求高、材料管理難度大

吊頂3 個方向的型材方通，射線方向直方通為通長設置，2 個曲線方向的曲方通在直方通處斷開設置，直接斜拼，通過控制費馬螺旋線曲率，以幾何級數遞增外擴，每圈之間的曲方通曲率、長度均不同，拼裝定位難度大，拼裝質量要求非常高。吊頂構部件規格眾多，方通約6 萬 m，約30000 根方通，材料管理難度大。

3 工程重難點解決措施

3.1 深化設計

基于BIM 技術的平臺，貫徹“BIM+”設計優化理念，應用參數化設計思路，實現方案優化、虛擬建模、模塊化設計等內容[1]。通過對原始設計方案智能優化，降低施工難度，實現設計方案的可操作性：通過對比構件模型，選取最優方案。通過基于BIM 的雙曲面參數化擬合等分析，對預制構件進行深度拆分，完成設計方案優化。通過BIM 模擬建造過程，利用精細化模型指導施工，提前發現問題，保證施工順利進行。

3.1.1 采用“費馬螺旋”異形方通吊頂優化

應用BIM 技術，統一規格、化整為零，通過方案比選、樣板打造對原始設計方案進行優化，實現構件模塊化和標準化，為后續材料下單、批量生產、裝配式安裝提供最大化的技術支撐。通過BIM 模型多次進行曲直兩種方通交界處的虛擬建造、實體打樣，前后經過多次方案的推敲對比，不斷優化，創新性的提出了“米字節”方案，改變原方通斜拼方案，在曲直方通交接處，單獨加工成米字節作為連接單元，便于工廠預制米字節構件生產和現場裝配式組裝，極大提升構件精度，極大降低現場拼裝難度。米字節具有易模塊化、易加工、易安裝等優點，有效解決以下4 個方面問題：第1，解決現場工人施工的拼裝難度問題；第2，解決不同方位的方通拼接角度控制問題；第3，解決現場鋁方通的順滑度控制問題；第4，解決現場鋁方通間的縫隙控制問題。

3.1.2 轉換層及龍骨優化

原方案吊頂面層通過井字型鋼架轉換層和3 層隱藏式龍骨與結構頂板連接，3 層隱蔽式龍骨走向與面層鋁材走向相同。通過結構、機電安裝、裝修吊頂BIM 模型之間碰撞，經過多次方案討論，結合“米字節”方通安裝方案，最終確定，以深圳之眼為原點，沿著射線鋁方通方向布置轉換層龍骨，將轉換層由井字型優化成射線型。

根據轉換層布設特點，轉換層環向（切線方向）對應米字節中心點布置吊頂龍骨，米字節通過吊桿進行連接，將原設計方案沿3 個方向鋁方通布設的3 層龍骨龍優化為單層龍骨，經計算，滿足受力要求。通過優化，解決了在復雜結構和管線條件下，準確、高效的完成吊桿定位和安裝，直接達到隱藏龍骨效果，節約材料的同時，實現效果最優。

3.2 智能物料管理

施工前通過排板建模，利用 BIM技術形成各種構部件的下料清單，自動生成規格型號加工圖，并按照部位進行編號，解決了上千種規格型號帶來的加工和安裝難題。同時在模型屬性中為每個管理對象設置唯一編碼，方便后續的管理與維護；導出包含唯一編碼的材料清單，上傳到平臺上，自動生成二維碼標簽（包含唯一編碼、材料名稱、規格、數量等信息）；將二維碼標簽發給材料加工商，形成構部件的全流程智能管理。實行編號系統采用相同的英文字母，通過英文字母后添加數字，保證編碼的唯一性。通過各構件唯一的二維碼標簽進行物料跟蹤，實現裝配式構件現場準確定位安裝。

3.3 采用人工智能機器人輔助作業

首先通過三維激光掃描，采集實際施工過程數據，與BIM 技術結合進行多算對比，在建造過程中形成全面監督和及時反饋；然后應用BIM 技術，對場地、實體模型進行統籌，對安裝設備進行指導，完成精準施工、智能評判，從而提高工程效率和質量；最后采用放線機器人對施工現場進行精準定位放線。

3.4 吊頂空間高，跨度大

站廳層中板設計長70.25 m、寬36.8 m 下沉空間，形成貫穿站廳層和站臺層的2 層通高共享空間，是站廳層通往站臺層的主要通道，中庭共享空間吊頂高度為12.8 m，頂板結構高度為16.4 m，高空作業施工安全措施難度大。

若搭設傳統滿堂腳手架平臺進行安裝，需要的架體材料量大，長期占用場地，對此區域地面、墻面等其他工作內容進度影響較大，總體工期壓力大[2]。根據裝配式安裝優勢和安裝空間特點，采用高空作業車等輕便靈活的設施進行吊頂施工。

4 施工工藝流程及操作要點

4.1 施工工藝流程

施工工藝流程的具體步驟為：現場三維數據采集—可視化BIM 放樣—轉換層鋼架安裝—吊頂龍骨安裝—異型天花方通安裝。

4.2 操作要點

4.2.1 現場三維數據采集

基于控制測量成果以及施工現場的通視和三維激光掃描儀的覆蓋情況，布設不同的測站以實現對軌道工程區域的三維激光點云數據的獲取，提高點云數據采集的完整度，使用三維激光掃描儀在工程施工區域內采用后視定向或后方交會設站，對儀器進行一些參數的設計，設置掃描等級，便可對目標物體進行表面三維數據采集，可在復雜空間、危險目標或人員難以企及的環境下對結構表面進行360°全方位掃描[3]。

根據現場采集點云數據導出點云文件，點云文件基于專業軟件處理，將所有單個掃描站點數據導入專業軟件，通過每個站點之間重疊部分進行拼接，合并成一個整體點云，使其位于同一坐標系內，由于三維激光掃描的過程之中，掃描速度、設備精度、被測物體的表面情況等都會對測量數據造成影響，使得到的數據可能帶有很多離散點和小振幅噪聲，這些噪聲必然會影響重建后模型的質量。那么在信號使用前，對點云數據去噪光順處理是很有必要的，這一過程可以提高信噪比。完成對點云噪點刪除、殘余區域裁剪，導出多格式點云文件，供其他軟件進行應用。

4.2.2 可視化BIM放樣

可視化BIM 放樣應按照以下4 個步驟：第1，從BIM 模型中設置現場控制點坐標和建筑物結構點坐標分量作為BIM 模型復合對比依據，在BIM模型中創建放樣控制點；第2，在BIM 模型與三維掃描逆向建模對比優化后的BIM 模型中，設置吊頂支吊架點位布置，并將所有的放樣點導入軟件中；第3，進入現場，使用BIM 放樣機器人對現場放樣控制點進行數據采集，即刻定位放樣機器人的現場坐標；第4，通過平板電腦選取BIM 模型中所需放樣點，指揮機器人發射紅外激光自動照準現實點位，實現“所見點即所得”，從而將BIM 模型精確的反應到施工現場。通過放樣機器人，高效、準確的完成放樣工作，提高了作業人員的作業效率[4]。

4.2.3 轉換層鋼架安裝

由于中庭大跨土建鋼結構不允許動焊及打孔，故轉換層吊桿只能與鋼筋混凝土頂板通過后置螺栓的方式進行連接，為保證轉換層吊桿垂直安裝，轉換層吊桿點位須避讓土建鋼結構以及安裝單位管道。經計算，主龍骨間距（分格寬度）約在1000 mm，最大間距達到2000 mm，按2000 mm 計算；吊桿間距按1500 mm 布置。以核心區采光天窗中心點，按照射線方通布設位置，進行轉換層角鋼布設[5]。

采用50 mm×50 mm×5 mm 鍍鋅角鋼角碼鉆孔，通過M12 不銹鋼擴底螺栓與頂板連接；轉換層吊桿則可采用50 mm×50 mm×5 mm 鍍鋅角鋼，長度大于1.5 m 時增加鍍鋅角鋼反支撐，轉換層吊桿與頂板角碼、轉換層主龍骨連接均采用M10 螺栓。

4.2.4 吊頂龍骨安裝

角鋼轉換層安裝完成后，在核心區采光天窗中心點以圓形方式往四周發散布設，以與中心圓相切方向按照圖紙排版尺寸進行龍骨安裝。龍骨采用41 mm×41 mm×3 mm 鍍鋅C 型鋼，龍骨間距根據圖示分析得出間距（分格高度）在約910 mm，最不利情況為2000 mm。天花龍骨與轉換層連接方式為龍骨在轉換層角鋼主龍骨上呈十字交叉狀態，用特制U 型抱箍固定件通過M10 螺栓與角鋼進行連接固定。

4.2.5 異形天花方通安裝

以天眼圓心平均分成8 個相等扇形區域進行安裝控制，在每個扇形區域施工中嚴格控制安裝縫隙的誤差，除每一榀安裝過程控制外，在1/8 扇形區域安裝完成時，使用三維放線機器人對該區域再次進行尺寸復核，若存在誤差，在該扇形區域最后一榀時進行最后的調整，確保1/8 扇形區域每一個起始圈與結束圈的安裝誤差減至最小。

根據裝配式安裝優勢和安裝空間特點，采用曲臂車、剪叉式登高車、移動操作平臺等輕便靈活的設施進行構部件的安裝。

首先將米字節（轉接件）與駁碼固定，然后將鋁方通通過駁碼與米字節相連，調整好位置后用端頭固定件將方通與米字節固定，最后依次將其他鋁方通按照上述方式連接固定即可。因每圈層的“米字節”及弧形方通僅存在角度和弧形半徑上的細微差別，目測無法正確辨別出安裝位置，實施過程中廠家對應物資編碼嚴格復核檢查，操作人員使用時交底清晰，嚴格按照圖紙排版編號進行方通及米字節的安裝，避免因個別方通及米字節安裝位置不對造成大面積的弧度錯誤，影響進度。

米字節與變形縫。室內吊頂方通構件會因溫度和濕度等因素的變化而產生脹縮變形。本工程吊頂鋁方通的變形縫為伸縮縫。變形縫設置在米字節中間腰部，縫寬10 mm。變形縫大小與方通和米字節的造型凹槽相似，有機融入吊頂整體造型，無損吊頂外觀視覺效果。

5 結語

崗廈北綜合交通樞紐城軌區“費馬螺旋”異型吊頂，基于BIM 技術，采用人工智能機器人輔助作業，成功解決了超大超高且復雜的異形吊頂優化、安裝等難點，提升施工效率和施工質量，最大化還原了設計效果，為室內大跨度、高空間的吊頂裝飾裝修施工提供了有利的探索及參考。吊頂安裝完成效果如圖1 所示。

圖1 “費馬螺旋”異形吊頂實景圖（來源：作者自攝）