莫比烏斯環造型幕墻安裝技術*

陳 濤,劉 平,任燁軍,劉復磊,黃日亮

(1.中國建筑第五工程局有限公司,湖南 長沙 410004; 2.中山盛興股份有限公司,廣東 中山 528412)

0 引言

國內建筑幕墻以1983年興建的長城飯店為標志,經過30多年的發展,歷經行業標準制定、試驗研究和實踐應用。在技術體系方面,從簡單標準化框架體系向裝配化(單元化)和多層化方向發展;在制造安裝工藝方面,向數字化加工和機械化安裝方向發展,已與國際幕墻技術接軌,并進入廣泛應用新技術、新材料和新工藝的智能信息化、綠色環保化、工廠裝配化個性發展階段。近年來,建筑師為了追求永恒審美和商業價值,個性化的設計越來越多涌現出來,很多建筑立面采用曲面形式,賦予建筑新的審美情趣和相應功能。但在復雜異形幕墻施工過程中,如何精準定位每根龍骨及確保每件面板安裝到位是整個施工方案中需要重點把控落實的一個環節。本文依托虎門TOD項目莫比烏斯環造型幕墻工程,闡述其幕墻安裝技術。

1 工程概況

東莞市虎門TOD莫比烏斯環造型幕墻工程位于東莞市虎門高鐵站旁,主體結構為鋼結構;2層樓面采用鋼梁上鋪壓型板+鋼筋+混凝土樓板,結構造型為莫比烏斯環曲線。幕墻面積約 3 600m2,施工高度16.0m,整個幕墻由5大系統組成,分別為首層落地玻璃系統、2層折線玻璃系統、3mm穿孔鋁板+TPO柔性防水系統、洽談區鏤空5mm鋁板+ 8mm鋼化+12A+8mm半鋼化+1.52PVB+8mm半鋼化超白夾膠玻璃系統、穹頂玻璃8mm+1.15PVB+8mm+12A+8mm鋼化夾膠彩釉玻璃幕墻系統。整個項目使用的桿件和面板數量均>10 000件,并且每件規格尺寸不同,定位坐標點>10 000個。現場主體鋼結構立面如圖1所示,幕墻三維立面效果如圖2所示。

圖1 現場主體鋼結構立面

圖2 幕墻三維立面效果

2 三維空間坐標定位難點分析

1)折線玻璃定制直角方鋼管精準定位

折線玻璃采用鋼鋁結合作為主龍骨,鋼主梁為定制的450mm×80mm×8mm直角方鋼管,安裝好后再安裝鋁型材主梁,根據幕墻節點做法,鋁主梁平行于鋼主梁,因此折線玻璃系統關鍵點是對鋼方管的精準定位。要準確定位方鋼管,首先要定位好其支座,相鄰2根鋼主梁還存在角度和進出關系,主梁安裝完畢后進行80mm×80mm×5mm方鋼管橫梁安裝,橫梁安裝角度復雜,鋼橫梁需要通過BIM模型提取長度、兩端斷面角度等數據在工廠加工好后運至現場進行安裝。其中,柱與柱、柱與梁間的對接需利用模型和軸線繪制坐標網,提取出三維坐標值進行精準定位。折線玻璃系統節點如圖3所示。

圖3 折線玻璃系統節點

鋼主梁、鋼柱安裝時,若為箱形結構,則斷面要最大限度地保證管口對口精度,這在操作過程中具有很大難度。本工程有單根跨度約11m鋼主梁,上、下2個支座,撓度較大,施工定位難度大,需要設置大量臨時支撐胎架減少撓度變形。幕墻施工均為高空作業,采用汽車式起重機進行定位更加難以掌控。

2)穿孔鋁板+TPO柔性防水系統方鋼管和鋁合金圓管及支座三維空間坐標控制

幕墻外形為莫比烏斯環造型,整體以雙曲面螺旋上升的形式交匯于穹頂,即折線玻璃系統與3mm厚穿孔鋁板+TPO柔性防水系統自2層分別從不同地方開始螺旋上升,2個曲面交匯于穹頂周圍。穿孔鋁板系統面積為1 300m2,幕墻構造為由200mm×150mm×5mm方鋼管主梁+80mm×60mm×4mm方鋼管橫梁組成的鋼底架+0.8mm厚壓型鋼板+100mm厚、密度為160kg/m3保溫巖棉+TPO柔性防水層+雙層φ50×4.5鋁合金圓管+3mm厚穿孔鋁板。整個主體結構曲率不斷變化,最終幕墻的完成面也是以不規則曲面形式呈現,因此每個方鋼管主龍骨和鋁合金圓管精準定位與安裝直接決定幕墻最后呈現質量,甚至可能無法合龍收口,安裝精度必須保證在3mm以內。穿孔鋁板系統節點如圖4所示。

圖4 穿孔鋁板系統節點

為精準控制龍骨定位,在BIM模型中提取鋼龍骨與鋁合金圓管支座控制點坐標,派2個測量組用全站儀進行打點測量,相互核對和校正數據,每個坐標點均進行3次打點測量,以保證測量點位精準度。

3)穹頂玻璃8mm+1.15PVB+8mm+12A+8mm鋼化夾膠彩釉玻璃幕墻系統測量與定位

頂部球面穹頂主體鋼結構由400mm×100mm矩形管制作而成,從矩形管制作到定位放線、安裝均存在誤差。因此,此部位的幕墻龍骨測量放線前還重點對主體鋼結構進行偏差查找和分析。項目采取在穹頂正下方找出坐標原點,在坐標原點分別向周圍設置幾個測量點,然后從BIM模型中提取各鋼結構中心線端點、中點和轉折點進行打點測量,通過對數據進行分析、誤差消化等方法最終確定穹頂龍骨控制線。

4)洽談區鏤空5mm鋁板+8mm鋼化+12A+8mm半鋼化+1.52PVB+8mm半鋼化超白夾膠玻璃系統T型鋼制作放線與定位

鏤空鋁板+夾膠中空玻璃系統屬于雙層幕墻系統,構造節點如圖5所示。幕墻構造為T型鋼支座+萬向支撐桿+T型鋼立柱(含φ180×30圓形鋼板+φ80實心鋼棒焊接形成的轉接圓盤,以下簡稱鋼轉接圓盤)、斜梁+鋁合金龍骨+ (8mm鋼化+12A+8mm半鋼化+1.52PVB+8mm半鋼化)超白夾膠玻璃+鋁合金扣線+鏤空鋁板φ28不銹鋼圓管轉接件+鋁合金轉接圓盤+5mm鏤空鋁板。其中,難點是T型鋼和鏤空鋁板不銹鋼圓管轉接件的安裝定位。為精確控制,需設置1 000多個定位坐標點。由于180mm×80mm T型鋼采用直徑為180mm、厚30mm轉接圓盤相接,如果空間定位此轉接圓盤,要求精度非常高且難度巨大,每個圓盤角度均不同,施工時為能精確定位且提高安裝效率,將豎向T型鋼與鋼圓盤提前制作好,制作時需采用全站儀準確將上、下端T型鋼焊接在轉接圓盤上,形成1根整體鋼梁,鋼梁吊裝到位后,依據圖紙開好料的斜向T型鋼焊接在豎向主梁鋼圓盤轉接件上,并確保整個制作和安裝精度控制在2mm以內,確保后續鋁合金型材與T型鋼的相接輪廓線平直、順滑,保證外觀效果。

3 復雜龍骨精確定位與安裝技術

幕墻龍骨是在主體鋼結構上通過支座固定,按幕墻平面風格布置莫比烏斯帶為三維空間扭曲的面,每個坐標點均不同,需要采用三維空間坐標測量定位技術。

為確保工程順利施工,施工過程中技術人員采用三維激光掃描技術和實時三維空間測量定位技術,在計算機技術幫助下進行輔助測量和糾偏。首先,采用三維激光掃描儀對整個主體鋼結構進行3D掃描,得出輪廓關鍵點數據與模型進行比對,誤差大的進行糾偏;其次,技術人員根據BIM模型提取每個控制點坐標,然后在施工現場建立測量坐標系,即通過原點坐標,在建筑四周上方等位置引出觀測點;然后在測量坐標系中導入建筑模型坐標參數,得出每個關鍵節點實際坐標位置。三維空間坐標測量定位技術主要測量工具為全站儀,BIM模型提供的坐標是核心。實時三維測量定位技術在復雜空間扭曲面幕墻施工過程中具有以下優點。

1)可應用于各種復雜桿件測量且操作便捷,只需在虛擬坐標系中輸入相應的建筑模型坐標參數即可,可進一步簡化復雜測量過程。同時,在測量時需利用全站儀保證測量精度,使測量效率大大提升。

2)三維測量定位技術在應用過程中適應性強,且所需配套設備成本較低,降低了建筑施工企業額外施工成本。

3)自動化與智能化程度高。因全站儀在測量過程中能夠實現對數據的自動計算并存儲測量結果,可進一步減少測量人員工作量,操作簡便。

實時三維測量定位技術應用過程如下。

1)第1步:建立控制網 技術人員需在計算機軟件Rhinoceros(犀牛)中建立虛擬測量空間,形成各幕墻系統定位模型圖,同時提取定位點坐標,然后利用坐標定位法進行測量。

2)第2步:現場實測 為提高測量速度與精度,施工人員在安裝龍骨前需詳細熟讀施工圖紙,了解各幕墻系統定位模型圖特點(見圖6～10),針對每個系統特點制訂特定測量方案。由于本工程的所有桿件和面板均唯一,因此所有桿件和面板均進行標記編號并存儲,在此基礎上利用三維模擬測量技術進行現場實測。具體操作為:在計算機軟件模擬空間中計算具體坐標值,將數據存儲至全站儀,在實際操作時工作人員只需調出相應編號即可。同時,在安裝時需施工人員配合技術人員進行具體控制點位確認和固定,在固定控制點位過程中需借助臨時輔助措施,確保控制點精確性,誤差在 ±2mm 內,為幕墻主龍骨安裝打好堅實基礎。

圖6 穿孔鋁板系統主鋼龍骨定位模型

圖7 穿孔鋁板系統鋁圓管龍骨定位模型

圖8 鏤空鋁板系統鋁圓管龍骨定位模型

圖9 穹頂玻璃系統主鋼龍骨定位模型

圖10 天溝系統主鋼龍骨定位模型

通過實際操作,在三維空間測量定位技術的支持下,各種復雜異形曲面造型幕墻安裝都可有效提高定位精度,確保施工效率和質量。

4 鏤空鋁板+夾膠中空玻璃系統的T型鋼桿件預拼裝定位與安裝技術

依據方案和設計模型(見圖11),鏤空鋁板+夾膠中空玻璃的豎向T型鋼可在工廠與鋼轉接圓盤進行預拼裝。

圖11 鏤空鋁板+夾膠中空玻璃模型

鏤空鋁板+夾膠中空玻璃屬于雙層幕墻系統,里面是玻璃幕墻,外面是鏤空鋁板金屬。幕墻厚度達800mm,并且兩系統共用T型鋼龍骨,因此首先應考慮T型鋼精度控制。T型鋼作為鋼結構主受力龍骨,同時也作為內玻璃幕墻直接主龍骨,主、次龍骨通過鋼轉接圓盤連接形成米字形拼接造型(見圖12),垂直度和米字角度均要求精度高,誤差>3mm,鋁合金與T型鋼輪廓線會有進出偏差,外觀會受到影響,無法達到設計效果要求,同時,本工程弧度均由折線平板實現,因此角度的控制成為曲面過渡是否平順的關鍵。由于此系統區域為室內進人尺度區域,外觀效果要求高。另外,如果T型鋼左右偏差過大,外鏤空鋁板幕墻分格及縫隙無法滿足設計要求,因此,系統重點是T型鋼精度控制及φ28不銹鋼圓管精確定位。

整個系統安裝工序流程為:首先是T型鋼支座安裝,然后安裝豎向T型鋼立柱(含φ180×30圓形鋼板+φ80實心鋼棒焊接形成的轉接圓盤),調整到位后安裝斜向T型鋼,安裝完成后的T型鋼會形成米字形拼縫造型,加固完成后安裝鋁合金龍骨,然后安裝 (8mm鋼化+12A+8mm半鋼化+1.52PVB+8mm半鋼化)超白夾膠玻璃+鋁合金扣線+鏤空鋁板φ28不銹鋼圓管轉接件+鋁合金轉接圓盤+5mm鏤空鋁板。

5 結語

通過對復雜異形幕墻龍骨精準定位與安裝技術的深入探討,結論如下。

1)現場采用類似莫比烏斯造型的曲線幕墻和球面穹頂的三維空間坐標測量定位技術,最大點位數據誤差為3mm,板塊縫隙誤差3mm,現場安裝可有效提高定位精度、施工效率和質量水平。

2)針對空間通過轉接圓盤拼接的桿件,采用豎向桿件預拼裝方法,經過現場安裝和實測數據可很好地解決空間拼接的龍骨問題,該方法具有實際施工的可行性和可操作性。