單曲面菱形折拼鋁板幕墻施工技術探究

付葉

正興建設集團股份有限公司 上海 200126

1 工程概況

南京世茂雨花項目B地塊幕墻工程位于江蘇省南京市。采用的結構形式為鋼筋混凝土剪力墻結構。建筑總高度60m，幕墻總面積約23000m2。由B棟和C棟兩棟樓組成，在B棟和C棟主樓之間由裙樓相連貫穿整個建筑。

B棟和C棟主樓主要為玻璃幕墻系統，為了滿足建筑節能要求，玻璃采用8mm(鋼化)+12A(中空)+8mmLow-e(鋼化)玻璃，玻璃基本分格尺寸為2500mm×1500mm，層間采用中空鋼化玻璃后背襯2mm鋁單板。

裙樓部分系統相對較多：有玻璃幕墻、單曲面菱形鋁板幕墻、石材幕墻、采光頂、玻璃雨篷等等。建筑整體創意新穎、造型別致[1]。

2 施工技術重難點分析

2.1 菱形折拼鋁板處現場測量放線及三維空間定位困難

該菱形折拼鋁板幕墻進出錯位，且在東南立面交叉處形成彎弧狀，同時菱形板塊大小不一，角度各異，菱形板塊無規律排列，導致幕墻鋼結構龍骨也不在同一平面，菱形折拼鋁板部位幕墻龍骨需單獨三維放樣，現場測量放線工作量大且三維空間定位困難。

2.2 幕墻鋼結構龍骨焊接變形控制難

菱形鋁板出結構面大，需重點關注其安全可靠；且鋼結構龍骨在焊接、運輸與吊裝過程中的變形需有效控制。具體菱形鋁板完成面距離主體結構梁外邊線較大，最大間距達到700mm。當菱形鋁板幕墻通過連接件及埋件固定于結構梁上后，相當于整個鋁板幕墻懸挑出結構面700mm，且懸挑尺寸不一。由于懸挑結構彎矩相對較大，端部變形也較大，故需重點關注其安全可靠性。

菱形鋁板幕墻鋼結構主龍骨采用140mm×80×6mm的鋼方通，次龍骨采用63mm×63×4mm的等邊角鋼。角鋼與角鋼之間采用焊接的連接方式，最終拼成許多不同角度，不同大小的菱形分格小單元，因此，確保每個小單元鋼構件的焊接精度是本項目重難點。同時，整體鋼架的變形控制也是重點要關注的，其變形有：焊接冷卻收縮變形，組裝成小單元鋼架后的現場吊裝拉伸變形，裝卸、運輸過程中的振動、擠壓變形，安裝完成后的各種工況下的受荷變形，等等。以上變形對施工質量造成一定的影響，需采取相應的有效措施控制。

2.3 菱形鋁板折拼的角度，大小，進出位置均不同，材料下單困難

鋁板幕墻中的菱形折拼板造型別致，整體呈不規則狀，鋁板的樣式有很多種，折拼的角度，大小，進出位置均不相同，按常規的材料下單方式，精準度及效率均無法保證。

2.4 菱形折拼鋁板加工及安裝難度大

實際加工中的菱形折疊鋁板的折角、尺寸大小不一，工廠加工時需折出不同的角度，并輔以焊接打磨；安裝時角度、進出位置調整困難，整體排列無規律可循。

3 關鍵施工技術

3.1 BIM技術

在施工準備階段，根據原有設計圖紙進行深化，并利用BIM技術建立三維實體模型。在主體結構完成后及時復尺，并對于結構偏差及時進行調整。

主鋼龍骨下單安裝完成后，再一次復尺。將誤差進行嚴格地控制，接下來在BIM模型中調整實際主龍骨的位置。最后菱形鋁板要安裝到位，只需要控制次龍骨的相對安裝誤差即可。利用BIM對鋼結構龍骨精準建模完成后，在完成的小單元鋼架的基礎上對菱形鋁板進行排版，此排版就是菱形鋁板的三維派位圖，然后可以直接進行精準加工圖的輸出，從而很大程度地降低了鋁板下單的難度，提高了工作效率和精準度，保證了整體的美觀與質量要求。鋁板輸出示意如下圖1：

圖1 菱形鋁板三維派位圖

3.2 3D掃描校對技術

對現場已經安裝完成的鋼構架龍骨利用3D掃描技術進行掃描，然后將測量結果直接與CAD軟件接口，將測量的立體信息轉換為計算機能直接處理的數字信息，從而獲得鋼構架的三維空間坐標。將3D掃描得出的實際模型與BIM設計模型進行整合校對，核查各構件之間的位置關系，及時調整角度和長度有偏差的位置，從而很好地控制了因鋼龍骨偏差而造成其他問題，如導致后續無法安裝鋁板的情況。在確保外觀效果的同時，大幅節約加工費和材料費，不浪費材料，同時縮短鋁板的加工周期，有效地推進施工[2]。

3.3 鋼龍骨小單元安裝技術

鋼龍骨的安裝是本菱形鋁板幕墻安裝中的一個重要環節，也是難度較大的環節，其三維空間定位難。整個菱形鋁板幕墻的鋼結構龍骨，如果采用常規方法將每支鋼構件在立面上按順序拼裝，不能保證龍骨的安裝精度，且不能消化安裝錯誤，而且大量的高空拼裝作業將會帶來很多不安全因素。于是，經過多次的商討，決定先在現場正式安裝前建立BIM模型進行模擬和演示，通過空間觀察，找出可以進一步優化的措施。

將以往的現場按順序一根根拼裝方式改為在事先在加工廠進行拼裝，形成小單元式鋼架，然后使用吊裝機快速提升小件。以BIM批量輸出的定位點數據為基礎進行定位，對各定位點進行實時測量和調試，最終準確、高效地完成鋼龍骨構架上墻的操作在工廠加工拼裝成小單元不僅使安裝精準度提升，同時還能較好地控制焊接冷卻收縮變形。

3.4 SAP2000及3D3S受力分析技術

菱形鋁板完成面距離主體結構梁外邊線較大，最大位置達到700mm。當菱形鋁板幕墻通過連接件及埋件固定于結構梁上后，相當于整個鋁板幕墻懸挑出結構面700mm，且懸挑尺寸不一。

圖2 建模受力分析示意圖

由于懸挑結構根部彎矩較大，端部變形也較大，故需重點關注其安全可靠性。且對于這種非標準幕墻，通過普通的計算軟件及公式無法準確計算整個鋼龍骨的受力。于是采用了SAP2000建模，在考慮風荷載，自重荷載，地震荷載的作用下，對整個鋼構件進行了受力分析，確保構件的強度，變形，穩定性均能滿足規范要求。同時為了安全起見，也采用了3D3S進行了受力分析核對，得出的結論不相上下，均能滿足規范要求。

對于小單元的起吊點數，起吊位置我們也通過受力分析得出最合適的起吊方案。以確保起吊過程中的變形幾乎可以忽略。

3.5 單元鋼構架的運輸與吊裝技術

在運輸及吊裝過程中，單元鋼構架的整體強度及穩定性關系到能否安全吊裝以及吊裝過程中是否變形，為此鋼構架的整體強度及穩定成為該系統控制的重點。于是，在運輸前先將鋼構架用硬質木枋進行綁扎保護，防止在運輸及吊裝過程中變形，同時也達到保護鋼構架表面質量的目的。

鋼構架的吊點位置和吊點數，通過受力分析得出最合適的起吊方案。另外，在吊點位置設計了專門吊裝夾板，確保吊點部位局部有足夠的強度。并在鋼構架底部設置牽引繩防止在吊裝過程中擺動過大，當吊裝到合適高度時，利用牽引繩輔助對鋼構架進行就位安裝。同時，在吊裝過程中還必須控制好吊車的速度，避免急停急送。

通過以上系列的措施設計的單元鋼構架，從局部到整體均有足夠的強度和穩定性，確保了所有鋼構架安全可靠地運輸與吊裝。

3.6 菱形鋁板的折拼與加工

本系統中的鋁板有標準菱形板、單曲菱形板、和由4片不共面的三角板折拼組合而成的三維立體板。其中最為復雜的是角度不一、大小不一的三維折拼立體菱形板。前面采用BIM建模及3D校對，均為菱形鋁板的加工奠定了基礎。需要從BIM模型中提取各鋁板的板塊信息，制作成加工單，然后廠家按加工單用標準鋁板按一定角度裁切去多余部分，再經過如下操作流程：裁板→折彎→施焊→打磨→酸洗→表面處理→安裝附件。最后通過鋁角碼掛件，用ST4.8mm×35mm不銹鋼自攻自鉆螺釘固定在角鋼龍骨上[3]。

4 結束語

本項目中的單曲面菱形鋁板幕墻施工采用了先進的BIM技術、3D實體掃描校對技術、小單元拼裝技術、SAP2000及3D3S軟件受力分析技術等，對此幕墻進行了實體建模，受力分析等。并利用BIM空間模型信息，自動生成二維CAD加工圖紙和EXCEL表格進行精準下單。同時根據需要做成三維動畫，對項目管理人員、現場施工人員進行技術交底，幫助施工人員理解設計意圖和施工要點，提高了技術交底的質量和效率，也大大提高了加工安裝的精準度和整體工作效率。