大空間異形弧面鋁板結(jié)構(gòu)優(yōu)化與裝配工藝研究

姜方青 鄧 超 覃 毅 張錦希 侯玉梅

利用建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）和空間測(cè)量技術(shù)，探究鋁板在現(xiàn)代建筑中的應(yīng)用。本文詳細(xì)闡述了工程項(xiàng)目的背景和重要性，并深入探討鋁板結(jié)構(gòu)的各類優(yōu)化問(wèn)題，包括BIM 建模、單元?jiǎng)澐帧⑴鲎卜治龅?，確保設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性和可實(shí)施性。

在裝配工藝方面，詳細(xì)描述從預(yù)制到安裝的全過(guò)程，涉及轉(zhuǎn)換層和墻面鋼架基層安裝、工廠加工、一體化帶燈槽天花和墻面鋼龍骨分段制作、吊頂龍骨及墻面鋼架安裝，還闡述了鋁板和燈具的安裝，以期通過(guò)技術(shù)和創(chuàng)新工藝的融合，實(shí)現(xiàn)美觀與實(shí)用的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

1 工程概況

湛江灣實(shí)驗(yàn)室龍王灣研發(fā)基地一期項(xiàng)目（圖1）位于廣東省湛江市國(guó)家高新技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)海東園區(qū)的龍王灣地帶，總建設(shè)用地約309333 m2，其中科研園區(qū)占地約272000 m2，人才住宅區(qū)占地約37333 m2，總建筑面積約17 萬(wàn)m2，科研園區(qū)與人才住宅區(qū)計(jì)劃在2022年12月同時(shí)完工，該工程裝修、幕墻、室外等施工項(xiàng)目精裝修工程、幕墻工程，將最大程度采用裝配式裝修施工技術(shù)，結(jié)合該項(xiàng)目的設(shè)計(jì)特點(diǎn)與地理環(huán)境，重點(diǎn)解決沿海潮濕環(huán)境下大面積異型弧面鋁板生產(chǎn)與裝配式施工技術(shù)中的難題。

圖1 湛江灣實(shí)驗(yàn)室的龍王灣研發(fā)基地一期項(xiàng)目效果圖（來(lái)源：湛江灣實(shí)驗(yàn)室龍王灣研發(fā)基地一期項(xiàng)目資料）

2 大空間異形弧面鋁板的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

在鋁板吊頂施工前，通過(guò)BIM 技術(shù)創(chuàng)建吊頂?shù)娜S模型，并對(duì)機(jī)電與土建結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行碰撞檢測(cè)，以識(shí)別吊頂與管道、消防噴頭、電纜等可能的沖突點(diǎn)。在確保滿足功能需求與符合安裝和驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)的前提下，調(diào)整機(jī)電管線的高度和位置。利用空間測(cè)量技術(shù)，將頂面的控制線轉(zhuǎn)移到地面水平，進(jìn)而垂直投射回頂面和墻面，以此確保吊頂龍骨和墻面鋼架安裝的準(zhǔn)確性與精度[1]。具體操作步驟如下。

2.1 BIM建模

在BIM 建模過(guò)程中，應(yīng)先使用AutoCAD 等軟件進(jìn)行初步設(shè)計(jì)草圖的制作，以確定設(shè)計(jì)概念和基本布局，主要關(guān)注空間的整體布局和鋁板吊頂?shù)幕拘螤?。然后，利用Revit 軟件開(kāi)展更加詳細(xì)的建模工作，創(chuàng)建包括結(jié)構(gòu)、機(jī)電和裝飾元素在內(nèi)的詳細(xì)建筑模型。在Revit 軟件中，設(shè)計(jì)師基于初步設(shè)計(jì)草圖創(chuàng)建吊頂?shù)幕編缀涡螤睿⒗闷鋮?shù)化設(shè)計(jì)功能調(diào)整鋁板的形狀和尺寸，以適應(yīng)實(shí)際的空間條件和設(shè)計(jì)要求[2]。最后在Tekla Structures軟件中進(jìn)行結(jié)構(gòu)建模，專注于鋁板支撐結(jié)構(gòu)的精確建模，包括所有必要的結(jié)構(gòu)元素和連接細(xì)節(jié)，以確保整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)固和安全。

2.2 單元?jiǎng)澐?/h3>

在該建筑項(xiàng)目中，幕墻的外表皮被劃分成若干獨(dú)立的板塊單元。使用Grasshopper 工具，為每個(gè)單元制作詳細(xì)的加工設(shè)計(jì)圖，這有助于構(gòu)件的精確制造。這些制造完成后的構(gòu)件被組合成單一的板塊單元，然后以這些成品單元為單位進(jìn)行整體吊裝。項(xiàng)目采納了裝配式建造方法，流程包括半成品加工、成品制作、及板塊的吊裝，目的是加速建筑施工。對(duì)于網(wǎng)殼鋁板，主要通過(guò)犀牛軟件結(jié)合Grasshopper 工具進(jìn)行參數(shù)化建模，借助Tekla 軟件與鋼結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行碰撞檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)并調(diào)整干涉區(qū)[3]。所有重要信息都被精確地記錄在模型中，根據(jù)加工設(shè)計(jì)圖下達(dá)制造指令，以減少預(yù)制和現(xiàn)場(chǎng)安裝的差錯(cuò)。利用Grasshopper 工具進(jìn)行異型鋁板的分類，按照其長(zhǎng)度、角度、寬度和拱度等多維度參數(shù)，實(shí)現(xiàn)鋁板面板設(shè)計(jì)的優(yōu)化。目的是在保持設(shè)計(jì)精度的同時(shí)，盡可能地規(guī)范化構(gòu)件尺寸，簡(jiǎn)化制造和安裝過(guò)程。利用三維模型的可視化優(yōu)勢(shì)，精準(zhǔn)地標(biāo)注加工參數(shù)和空間位置，以確保加工過(guò)程的準(zhǔn)確性和效率[4]。對(duì)每塊鋁板進(jìn)行唯一編號(hào)，并依據(jù)這些編號(hào)制定模塊化的裝配和組裝策略，確保施工過(guò)程有序進(jìn)行?？赏ㄟ^(guò)使用Rhino 的DotText工具進(jìn)行詳細(xì)的標(biāo)記，提高整個(gè)施工過(guò)程的可視化水平，為加工和組裝環(huán)節(jié)提供非常明確的指引。

2.3 碰撞分析

在BIM 軟件中設(shè)置碰撞檢測(cè)的參數(shù)，如沖突容差和檢測(cè)范圍。運(yùn)行BIM 軟件，讓其自動(dòng)分析模型間的空間關(guān)系，尋找重疊或過(guò)近的區(qū)域。識(shí)別出的沖突點(diǎn)會(huì)在BIM 軟件中以可視化形式呈現(xiàn)，針對(duì)檢測(cè)到的沖突點(diǎn)，團(tuán)隊(duì)要討論并確定解決方案，其中涉及調(diào)整設(shè)計(jì)、改變構(gòu)件位置或修改安裝方法。經(jīng)碰撞分析發(fā)現(xiàn)，鋁板與管道、電纜等設(shè)施在空間上的沖突點(diǎn)，以及鋁板結(jié)構(gòu)與其他建筑構(gòu)件，如梁、柱的沖突點(diǎn)，結(jié)合沖突位置提出設(shè)計(jì)修改建議，以提高空間利用效率[5]。

3 大空間異形弧面鋁板的裝配工藝

在湛江灣實(shí)驗(yàn)室龍王灣研發(fā)基地一期項(xiàng)目中，按照施工準(zhǔn)備—測(cè)量放線—建立BIM 模型—碰撞分析、圖紙優(yōu)化、現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)格劃分—轉(zhuǎn)換層、墻面鋼架基層安裝—異形鋁板工廠加工—天花、墻面鋼龍骨分段制作—水平地面控制線、墻面控制線、控制點(diǎn)施放并垂直投影至吊頂面和墻面—吊頂龍骨、墻面鋼架安裝—鋁板安裝—燈具安裝—清潔收尾的流程完成大空間異形弧面鋁板裝配施工。工藝具體要點(diǎn)如下。

3.1 轉(zhuǎn)換層、墻面鋼架基層安裝

在鋁板吊頂?shù)漠愋无D(zhuǎn)換層與鋼結(jié)構(gòu)桁架配合工程中，需要采取如下細(xì)致的施工方案。鋼制轉(zhuǎn)換層采用模塊化工藝生產(chǎn)，在施工現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)易拆卸的轉(zhuǎn)角接頭和輔助定位固定件拼合，并以集成吊裝方式進(jìn)行安置。為形成品字型結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換層，將鋼框架單元?jiǎng)澐譃榭蚣苁胶洼o助龍骨桿組合2類，利用特制的拆裝吊桿進(jìn)行穩(wěn)固，以完成整體的吊裝工作。

吊裝施工步驟包括4 點(diǎn)：第1，挑選一定區(qū)域構(gòu)建成吊裝框架，升至既定的高度；第2，替換可拆卸的角接頭，以與主網(wǎng)架鋼構(gòu)的下弦球節(jié)點(diǎn)相連并穩(wěn)定[6]；第3，以充填方法吊裝輔助龍骨桿組合；第4，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換層鋼架基礎(chǔ)網(wǎng)架的完整搭建。采用的反支撐規(guī)格為50 mm×50 mm×5 mm 的熱鍍鋅角鋼，安置間隔為1200 mm。吊桿經(jīng)金屬膨脹螺絲固定于樓板，選用經(jīng)過(guò)防腐處理的M12 金屬吊桿，以確保其抗腐蝕性和穩(wěn)定的承重性能。吊頂內(nèi)的檢修門、照明燈具與其他裝置均應(yīng)采用單獨(dú)的吊桿安置，避免直接設(shè)置于龍骨吊桿上，以預(yù)防由于負(fù)載不足而引發(fā)的問(wèn)題。安裝中產(chǎn)生的焊接部分也必須做好防銹處理。管桁架結(jié)構(gòu)在安裝過(guò)程中，用直徑400 mm的圓形轉(zhuǎn)換絞架與管桁架吊環(huán)相連，該絞架通過(guò)M20 吊桿與C 型鋼主龍骨連接，利用轉(zhuǎn)換絞架調(diào)節(jié)高度，主龍骨間隔根據(jù)管桁架掛鉤定為6.4 m 或9.0 m。屋面若使用鋼架球節(jié)點(diǎn)，則必須用10 mm 厚鋼板抱箍連接，其他施工步驟與管桁架構(gòu)造相似。主龍骨連接圖如圖2 所示。

圖2 主龍骨連接圖（來(lái)源：網(wǎng)絡(luò)）

3.2 異形鋁板工廠加工

在異形鋁板工程的加工過(guò)程中，選用漫反射高溫氟碳漆，該漆料能有效減少光線直射帶來(lái)的影響。加工時(shí)，首要任務(wù)是嚴(yán)格控制加熱爐的溫度，以及烘烤的持續(xù)時(shí)間。鋁板要經(jīng)歷3次精細(xì)的涂漆過(guò)程，每次涂漆后進(jìn)行1 次烘烤，總共2 次烘烤，保證油漆層的厚度達(dá)到60 μm，同時(shí)將鋁板的光澤度控制在4 GU 以下，避免表面的高光點(diǎn)現(xiàn)象。鋁板制作需特別注重其尺寸和形狀的精準(zhǔn)度，以保證完美契合大型吊頂工程中。盡管鋁板具有一定的強(qiáng)度，但考慮到其在中部出現(xiàn)輕微下沉，整個(gè)工藝流程中還要加強(qiáng)對(duì)鋁板硬度和穩(wěn)定性的監(jiān)控[7]。

在異形鋁板施工的流程中，核心任務(wù)是精確完成鋁板沖孔肌理，確保30%的空隙率。制作鋁板可采用模塔沖擊技術(shù)，基于預(yù)定的沖孔肌理設(shè)計(jì)專門的模具，塔沖處理完畢后，對(duì)鋁板執(zhí)行折邊強(qiáng)化操作，從而提高施工速度。考慮到鋁板緊湊排列與折邊疊加會(huì)產(chǎn)生陰影效應(yīng)，為減少這種視覺(jué)沖擊，折邊部位涂上灰色漆。

基于深化的設(shè)計(jì)模型，使用Rhino3D 軟件輔助進(jìn)行精確的現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)，確保精準(zhǔn)的材料切割。板塊切分采用矩形板塊隔離方式，每個(gè)接縫寬度均為70 mm，發(fā)揮矩形板塊在直線代替曲線設(shè)計(jì)中的效用，并在曲度較大的區(qū)域?qū)崿F(xiàn)精確配合。完成模型調(diào)校之后，對(duì)吊頂單元整體進(jìn)行規(guī)劃，并制作高精度的電子模型文件，實(shí)現(xiàn)下單流程數(shù)字化。網(wǎng)殼鋁板的搭建采用組裝式方法，涵蓋6720 片造型獨(dú)特的異形鋁板和6720 個(gè)尺寸各異的多邊形龍骨，以及8 片轉(zhuǎn)角結(jié)束板。在制造過(guò)程中，考慮到每片異形鋁板都包含2個(gè)不同尺寸和形狀的多邊形部件，經(jīng)過(guò)三維建模后，確定制造參數(shù)涵蓋4個(gè)角度和6 個(gè)長(zhǎng)度。編制詳盡的加工信息表，繪制異形鋁板加工圖。

3.3 一體化帶燈槽天花、墻面鋼龍骨分段制作

在設(shè)計(jì)和制作大空間異形弧面鋁板裝配工藝的一體化帶燈槽天花和墻面鋼龍骨時(shí)，首先利用BIM 技術(shù)進(jìn)行精確建模，以確保天花板與空間完美匹配，關(guān)鍵在于三維建模的精度，要求模型的誤差控制在±2 mm。選用的材料應(yīng)為輕質(zhì)高強(qiáng)度鋁合金，其熱膨脹系數(shù)約為22.2×10-6/℃，具有良好的抗腐蝕性和耐磨性，能夠有效減輕結(jié)構(gòu)重量并提升耐久性。在鋁板制作階段，采用高精度機(jī)械加工技術(shù)，確保每塊鋁板的切割誤差不超過(guò)±1 mm，保證尺寸一致性和整體美觀。燈槽設(shè)計(jì)重點(diǎn)在于其位置和深度的控制，以實(shí)現(xiàn)均勻的光線分布和預(yù)期照明效果，燈槽深度通常設(shè)置在50 ～100 mm，寬度約為10 ～20 mm，以適應(yīng)不同類型的照明設(shè)備。電氣安裝需要確保所有電線和接口的安全性和可靠性，可采用金屬管線槽進(jìn)行布線，以安全地隱藏在天花板內(nèi)部。

墻面鋼龍骨的分段制作在于確保每一部分都能承受相應(yīng)的重量，可采用Q235 鋼材，厚度在0.5 ～1.2 mm，通過(guò)焊接或螺栓連接。同時(shí)，需要對(duì)鋼龍骨進(jìn)行防腐和防潮處理，可利用熱浸鍍鋅或噴涂防銹漆，以延長(zhǎng)鋼龍骨的使用壽命。

3.4 吊頂龍骨、墻面鋼架安裝

在吊頂龍骨、墻面鋼架安裝之前，工人需要在地面預(yù)先組裝好吊頂?shù)闹鞲饼埞呛蛪γ驿摷埽_保每部分均符合設(shè)計(jì)要求。龍骨的重量一般在10 ～25 kg，需要4 名工人通過(guò)滑輪和繩索配合完成吊裝。根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙，準(zhǔn)確地將每塊鋼架安裝到預(yù)定位置。安裝過(guò)程中下弦支撐板與作業(yè)平臺(tái)保持適宜的距離（350 ～500 mm）。

3.5 鋁板安裝

在進(jìn)行鋁板吊裝前，需要對(duì)已完工的轉(zhuǎn)換層進(jìn)行實(shí)地測(cè)量，確保測(cè)量數(shù)據(jù)的精確性?；趯?shí)測(cè)數(shù)據(jù)，與三維模型中的尺寸進(jìn)行核對(duì)和調(diào)整，以提升施工的準(zhǔn)確性。裝飾面板的吊裝工作采用特制的掛件將其固定在鋼龍骨上，并使用螺栓進(jìn)行緊固。裝飾板與鋼質(zhì)掛件之間的連接采用壓緊組件，確保每塊面板的穩(wěn)固性。吊裝作業(yè)使用2 臺(tái)升降機(jī)和2 套滑輪系統(tǒng)，將滑輪安裝在桁架的上弦圓管上，并在圓管表面添加橡膠墊片。然后，將2 根綁帶分別固定在單元龍骨的對(duì)角線位置，通過(guò)升降機(jī)和滑輪系統(tǒng)將單元龍骨提升至安裝位置，并利用螺栓將其與抱箍件連接固定。開(kāi)始階段的步驟：第1，工人利用吊裝帶將鋁單板的主次龍骨連接部掛接到塔式起重機(jī)的吊鉤上。第2，現(xiàn)場(chǎng)工人調(diào)整吊裝模塊確保其保持水平和穩(wěn)定，且當(dāng)?shù)蹉^上升到1 m 的高度時(shí)，使用纜繩將吊裝模塊固定住，防止其在吊裝過(guò)程中出現(xiàn)不正常的擺動(dòng)。第3，地面工人撤出，吊鉤繼續(xù)有序升高。第4，以緩慢而有序的方式將吊裝模塊移至指定位置。在這個(gè)過(guò)程中，通過(guò)手動(dòng)微調(diào)以確保吊裝準(zhǔn)確無(wú)誤，然后進(jìn)行預(yù)焊接，使模塊保持穩(wěn)定。

當(dāng)?shù)? 個(gè)吊裝模塊就位后，現(xiàn)場(chǎng)工人協(xié)助將其轉(zhuǎn)移到預(yù)定的安裝位置，并進(jìn)行點(diǎn)焊。如果水平和高度檢測(cè)結(jié)果符合設(shè)計(jì)要求，就進(jìn)行全焊接。按照相同程序吊裝并安裝第2 塊及后續(xù)的鋁板單元。相鄰鋁板單元的連接部分要求平整、緊密，且縫隙寬度控制在±1 mm。如果滿足質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，就進(jìn)行全焊接處理。焊接工作由具備相應(yīng)資格的工人負(fù)責(zé)，保證焊縫充實(shí)、緊密，并在全焊接部位涂抹兩層防銹漆。此外，鋁單板的接縫處需要填充密封膠，以增強(qiáng)其密封性。

3.6 燈具安裝

在大空間異形弧面鋁板裝配工藝中安裝燈具時(shí)，需要根據(jù)整體設(shè)計(jì)和功能需求精選燈具類型和規(guī)格，同時(shí)考慮電氣安全和燈具維護(hù)要求。使用BIM 和精確的空間測(cè)量技術(shù)準(zhǔn)確定位燈具安裝位置，通過(guò)三維激光掃描進(jìn)行測(cè)量，確保誤差控制在±2 mm。隨后進(jìn)行電氣配線和連接點(diǎn)的安裝，遵循IEC 60364 等國(guó)際電氣標(biāo)準(zhǔn)，使得所有配線距離鋁板至少保持15 mm 間隔，避免短路或火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)。在鋁板或支撐結(jié)構(gòu)上制作安裝孔，孔直徑精確到毫米級(jí)。燈具安裝到位后，連接電源線和控制線時(shí)，所有接線端子需扭矩達(dá)到4 Nm。電氣連接完成后，進(jìn)行燈具的功能和照明效果測(cè)試，使用照度計(jì)測(cè)量燈具光強(qiáng)。

4 結(jié)語(yǔ)

本文深入分析了大空間異形弧面鋁板的結(jié)構(gòu)優(yōu)化與裝配工藝。通過(guò)BIM 建模、單元?jiǎng)澐趾团鲎卜治鰞?yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以及從基層安裝到鋁板和燈具的精細(xì)安裝，展現(xiàn)了整個(gè)工藝流程的細(xì)節(jié)和嚴(yán)格把控，以期該研究能夠?yàn)榻ㄖb飾裝修提供參考。