游泳館鋁板幕墻施工技術應用分析

李義榮 （甘肅省建筑裝飾工程有限責任公司，甘肅 蘭州 730000）

1 工程概況

天水體育中心游泳館地下一層，地上二層（局部三層），地下室層高為5.4m，一層層高為4.8m，二層層高為7.672m，建筑高度為27.3m，總建筑面積為17688.8m2。建筑耐火等級地下一級地上二級，建筑類別為多層乙類體育建筑，該游泳館規模為中型游泳館，泳池級別為甲級。建設地點位于甘肅省天水市麥積區二十里鋪，主要施工內容為外立面鋁板幕墻、玻璃幕墻及浮雕噴涂施工等。

該項目位于寒冷地區，鋁板幕墻采用鋼結構龍骨骨架、保溫巖棉、雙側雙層鋁板外噴彈性浮雕涂料作為外墻，代替常規使用的砌筑墻體，達到了節能、節材、節水的效果，且由于該項目所處地理位置風荷載較大，因此將加強筋與鋁板共同綁定，抵擋風荷載。

2 鋁板幕墻施工難點

2.1 施工周期短

該工程難點為室外鋁板幕墻及玻璃幕墻，由于建筑物設計造型特殊，為不規則曲面橢圓形幕墻且跨度較大，與周圍建筑緊密相連，土建及安裝等同時與幕墻施工，造成幕墻在施工過程中會與土建、安裝等進行必要的溝通，曲面造型及較短的工期對技術要求較高，且施工材料種類較多，在材料采購、供應商確定及安裝技術上均有一定的難度，且施工工期短、交叉作業多，合理安排施工進度也存在一定的難度。

2.2 鋼架龍骨安裝

工程鋁板鋼框架是由廠家生產的最終產品，由于結構寬度不同，其成型尺寸也不同，尤其是鋼框架的單體構件比較長，并且在龍骨中部設有支撐，外部的龍骨坡角比較大，確保龍骨的正確安裝是確保鋁合金板件順利進行的重要因素。

2.3 曲面鋁板安裝

游泳館鋁板的外形獨特，可將鋁板分成平臺板、吊頂板、側壁板，特別是側壁板有傾斜角度，傾斜角度不同，各個部分也不盡一致。在游泳館工程中，鋁片的安裝位置、弧度是施工中的一個難題，而鋁片的安裝位置將直接影響到整個平臺的鋁片和天花板的安裝。

2.4 風荷載

鋁幕墻和面板之間的連接主要是通過硅酮密封膠、橡膠條、螺栓連接、焊接等方法。鋁幕墻所承受的水平荷載主要是風荷載。而已有研究結果表明，將加強筋與鋁板相結合可提高鋁板幕墻的抗風性能，但目前較少研究鋁板與加強筋的變形與撓度。

3 質量控制

3.1 鋁板幕墻面板施工工藝控制

鋁板經過處理后，運輸至工地時，必須對已運至現場的鋁板進行檢驗，以確保其符合設計圖紙[1-3]，并按圖紙進行安裝。在龍骨縱、橫向中分線上安裝鋁板，用自鉆自攻螺釘將鋁板與機架連接，并檢查、調整相鄰鋁板間的預定間隙及鋁板垂直度。將鋁片用螺釘固定于框架，梁鋁板從陽角到陰角依次安裝，從下到上依次安裝柱鋁板，每一塊鋁片都要涂上保護性的膠紙。

3.2 鋁板幕墻面板接縫控制

在鋁板的連接部位采用填料，為了保證接頭附近不被污染，在鋪設過程中必須貼上保護網[4-6]，注膠時要小心不要使氣孔在轉角處滲入。通過實例，看到了鋁板材焊接時，出現了焊接接頭上的扣合點數目不夠以及在施工過程中出現了漏針、焊接接頭不連續性等問題。在注漿時，應確保接縫處的接續，不徹底凝固的粘合表面不能觸摸，否則會造成污染，當表面的粘合充分時，再進行下一步的施工。

圖1 鋁板幕墻鋁板接縫注膠不連續

3.3 鋁板幕墻面板精度控制

安裝時采用兩個鄰近的鋁板來調節加工誤差、立柱安裝偏差、結構變形等問題。在機架上，按鋁板材接頭碼的定位，打洞時，接頭的距離不得大于15mm，而中間的距離不得大于500mm。按照甘肅省《建筑幕墻工程質量驗收規程》（DGJ32/J124-2011）[7]中的規定，鋁板材表面的水平偏差不得大于2.5mm、縱向小于3mm、平面小于3mm，平行于兩側的鋁板材之間的拼接高度偏差不大于1.0mm、寬度不大于2mm。

3.4 吊頂鋁板施工質量控制

鋁板背筋、轉接掛件和橫梁的排列方式對裝配的成功與否有很大的影響。施工過程中，必須按照工程圖紙和BIM模式提供的資料進行施工，并在施工前由設計方對BIM進行碰撞檢驗。

將懸掛中心的橫向龍骨橫向排列，便于現場施工。根據鋁片的外形輪廓線，制作了橫向的龍骨彎角，確保各掛件都能完美掛接，不會發生干擾和脫落。

3.5 層間高度漸變部位鋁板施工質量控制

平臺、天棚的橫梁和橫梁都與鋁板平行，并以傾斜的方式排列（確保鋁板與龍骨的完工面之間距離為100mm)，方便了鋁板的安裝和定位。

當側面懸掛的鋁板材高度大于1100mm，在中部加固位置橫向設置橫梁，增加了吊鉤，承受水平風壓力，吊鉤連接，方便施工和安裝。

在中間位置處橫設橫梁，方便現場測量和位置。

4 加強筋與鋁板在風荷載下變形的影響

風壓測試在北京某幕墻公司三級實驗室完成。鋁板幕墻按照實際工程安裝，將鋁板幕墻用密封膠密封，靜置7d，以確保鋁幕墻結構良好的氣密性[8-9]。

風壓加載是在一個密封良好的加壓腔中進行。當施加正風壓時，將加壓腔內的空氣抽出來，使外部環境中的空氣壓力可以大于加壓腔中的空氣壓力，從而達到正風壓。當施加負風壓時，將氣體注入加壓室，使加壓室內的空氣壓力大于外部環境內的空氣壓力，從而達到負風壓。加壓室內設置空氣壓力計，可測量室內外的壓力差。

4.1 風荷載作用下鋁板與加強筋變形分析

鋁板與加強筋在等效風壓作用下不同正負風壓下的缺陷值如表1 所示。由于結構由上而下對稱，因此選擇了測量點2、5、8、11、14、17、20，便于觀察和計算。

表1 鋁板與加強筋在正負風壓下缺陷值

在正負風壓的作用下，鋁板的變形量會隨著風壓的增加而增大。鋁板在正風壓下的變形值與負風壓下的變形值相同，說明鋁板結構穩定，能夠有效抵抗鋁板幕墻的局部不穩定性。鋁板0～2kPa變形較快，2～3kPa 變形緩慢。原因是部件在橫向風壓下會彎曲變形。由于焊釘脫落等原因，鋁板和加強板之間的接觸面會相對錯位。同時，鋁板和加強筋具有相同的邊界約束條件，它們都沿著其部分的中性軸變形，直到變形相等，且可觀察到在風荷載作用下鋁板的變形速率由快變慢。同時可發現鋁板中間部分的變形最高，且加強筋的變形比鋁板的變形要小得多。表明加強筋與鋁板具有明顯的協同效應，提高了鋁板的剛度。而在鋁板的下端，鋁板和加強筋變形較小。因此在實際工程中，可以優化鋁板中間的間距，提高鋁板的整體抗風性。

4.2 有限元分析

在實際工程中，鋁板幕墻的頂部用自攻螺釘固定連接，面板兩側用角鋁鉤住。因此，在ABAQUS 有限元分析中建模時，模型頂部約束了三個位移自由度。模型的兩側由鋁合金制成。單壁空腔采用角鋁連接，鋁合金立柱面外剛度較弱。因此，該模型只限制了風荷載的方向。鋁板和加強筋的材料性能參照《鋁合金結構設計規范》（GB 50429-2007）[10]中的規定。設定鋁板為彈性模量為70GPa，泊松比為0.33。鋁板模型采用組合模型，鋁板和加強筋分別建模。鋁板和加強筋單元的型號為C3D8R，網格尺寸為20mm。鋁板的風壓加載采用單向風壓瞬時加載。采用ABAQUS 中載荷模塊下的壓力，并設置鋁板與加強筋為一致的分布。本試驗對加強筋和鋁板進行分析，風壓為3kPa時鋁板和加強筋的撓度和應力圖，如圖2、圖3所示。

圖2 鋁板撓度變化

圖3 鋁板應力變化

由圖2 可知，中心鋁板的撓度為26.87mm，與實測值存在較大誤差。原因是在測試過程中，焊釘連接了固定板和鋁板。焊釘在此過程中會傾斜甚至下降，導致固定板和鋁板之間出現間隙。鋁板開始受力變形，導致測量誤差。由圖3 可知，鋁板的應力集中在加強筋上，最大值為153.6MPa，加強筋上的應力在兩端呈大小分布。

4.2.1 模態分析

由于鋁板在高階模態下已經完全變形和破壞，因此對高階模態的分析沒有意義。因此，選擇了三種模態進行分析，如圖4所示。

圖4 有限元模擬結果

對于整個鋁板結構來說，一階模態是鋁板在垂直方向上振動，鋁板部分最先承受載荷，以中間加勁肋為中心，相鄰的鋁板變形較大，是整個鋁板損壞的薄弱環節。二階模態是鋁板左右扭轉，中間加強筋承受較大載荷。加強筋邊緣部分變形明顯，加強筋對整個鋁板結構有很強的回拉作用。在三階模態下，鋁板從中間加強筋呈反對稱分布。加強筋左側鋁板向上變形，右側鋁板向下變形，整體鋁板變形明顯。

5 結論

根據游泳館幕墻結構及其設計施工特點，并結合實際工程案例歸納出鋁板幕墻施工技術措施。同時為有效抵擋風荷載，將鋁板與加強筋結合，并分別計算正負風荷載作用下鋁板與加強筋變形，在風荷載作用下鋁板的變形速率由快變慢，且鋁板與加強筋共同作用可有效抵擋風荷載。試驗和計算模擬均表明，復合結構下的最大變形點在鋁板的跨中位置，該位置應加強鋁焊釘的焊接強度，以保證鋁幕墻在極端天氣下的穩定性。