科學(xué)館金屬幕墻工程關(guān)鍵技術(shù)分析

林 山

1 工程概況

總建筑面積約36萬m2的廣東省珠海長隆自然生態(tài)海洋科學(xué)館項目在珠海市橫琴新區(qū)富祥灣珠海長隆海洋王國南側(cè)。科學(xué)館的主體建筑設(shè)計采用飛船的造型，表面形體流暢，建筑體量整體統(tǒng)一，充滿未來感和科技感。科學(xué)館內(nèi)最大的看臺可容納5 000名觀眾，館內(nèi)設(shè)有形式多樣、大小各異的海工環(huán)境水池和大型游樂設(shè)備。作為集海洋生物展覽與娛樂休閑一體的綜合性建筑，其建成后將成為世界最大的海洋科學(xué)館。建筑長度方向約630 m，寬度方向約192 m，金屬幕墻玻璃裙頂最大高度約58.53 m。主體為鋼結(jié)構(gòu)，項目結(jié)構(gòu)體系采用巨型拱殼結(jié)構(gòu)形式，通過巨型框架柱和148 m大跨度三角拱桁架和90 m直徑環(huán)形桁架形成大空間，視野開闊，從不同角度為游客近距離展現(xiàn)美妙的海底奇觀。科學(xué)館金屬幕墻BIM優(yōu)化模型如圖1所示。

圖1 科學(xué)館金屬幕墻BIM優(yōu)化模型（來源：網(wǎng)絡(luò)）

2 工程特點

2.1 工程規(guī)模大

本工程建筑立面幕墻系統(tǒng)的面積達(dá)到2.4萬m2，幕墻建筑外部造型以流暢的曲線為基調(diào)，整體造型美觀，對設(shè)計深度和施工精度要求高。

2.2 自然環(huán)境對現(xiàn)場施工影響大

珠海市地處亞熱帶，橫跨北回歸線，年平均溫度22.8 ℃，最低溫度0 ℃左右，全年中4～6月為雨季，8～9月天氣炎熱，多臺風(fēng)。受自然環(huán)境影響，施工防風(fēng)、工人高溫作業(yè)、溫差變化對幕墻長板的影響等提出了嚴(yán)格的要求，保證施工質(zhì)量、降低自然環(huán)境對施工造成的影響是本工程的重點之一[1]。

2.3 施工資源一次性投入大

整個幕墻面積約2.4萬m2，根據(jù)招標(biāo)文件的要求，施工單位要在121 d內(nèi)完成所有施工內(nèi)容，同時設(shè)定多個節(jié)點工期。結(jié)合本工程特點、招標(biāo)要求及現(xiàn)場工作面移交順序，獨立配備施工資源。因此，在施工周期內(nèi)需投入大量的機(jī)械設(shè)備、周轉(zhuǎn)材料、勞動力以及資金等，對施工單位的實力提出很高的要求。

2.4 實施環(huán)保節(jié)能的綠色施工

本工程施工要求按照綠色建筑工程標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，以實現(xiàn)環(huán)保節(jié)能的目標(biāo)。在施工過程中，除應(yīng)采取封閉施工、防止揚塵、減少環(huán)境污染、清潔運輸以及文明施工外，還應(yīng)減少場地干擾，尊重基地環(huán)境，結(jié)合氣候情況進(jìn)行施工，節(jié)約水、電、材料等資源和能源，采用環(huán)保的施工工藝，減少填埋廢棄物的數(shù)量[2]。

3 各幕墻系統(tǒng)簡述

第一，大魚區(qū)采光頂跨度約90 m，南北兩邊采光頂玻璃后加背板；中間I字型為玻璃，玻璃下方加裝電動遮陽簾，閉合狀態(tài)可達(dá)到大魚區(qū)采光頂全遮光效果。大魚區(qū)采光頂無背板區(qū)域采光頂下部安裝電動遮陽簾，閉合可達(dá)到全遮光效果；同時在雙層穿孔鋁板內(nèi)包玻璃布與玻璃棉，滿足聲學(xué)要求。

第二，兒童樂園區(qū)采光頂跨度68 m，做法同大魚區(qū)采光頂無背板位置。兒童樂園采光頂玻璃含多種顏色，顏色分布如圖2所示。

圖2 兒童樂園采光頂效果（來源：網(wǎng)絡(luò)）

第三，魚鰭幕墻系統(tǒng)集玻璃幕墻系統(tǒng)、鋁板幕墻系統(tǒng)、電動開啟以及通風(fēng)防雨百葉于一體，魚鰭玻璃采用8FT+1.52PVB+8FT夾層磨砂玻璃。開啟窗為電動開啟，開啟處設(shè)置不銹鋼水槽系統(tǒng)，設(shè)置3 mm厚的鋁單板、1.6 mm厚的鋁合金防雨百葉，以滿足建筑使用要求。

第四，船長餐廳幕墻系統(tǒng)玻璃采用的是10HS+12A+10HS中空玻璃，鋁面板為4 mm厚弧形鋁板，除弧形鋁板第一道防水外，內(nèi)部另設(shè)置2 mm厚防水鋁板作為第二層防水。

第五，珊瑚池采光頂采用8LOWE+12A+（8+1.52PVB+8）中空夾膠玻璃，外部用3 mm厚鋁板封邊，內(nèi)部用2 mm厚淡藍(lán)色鋁板封邊。

4 質(zhì)量管控重難點分析

4.1 金屬屋面的防風(fēng)處理

本工程屋面為雙曲造型，屋面板施工體量大，屋面單板約長70 m，局部屋面高度超過39 m，對屋面的防風(fēng)能力要求很高。施工中需要提高屋面系統(tǒng)的整體防風(fēng)能力，防止節(jié)點破壞及薄弱點的產(chǎn)生，而收邊板是屋面防風(fēng)的薄弱點，因此需要進(jìn)行有針對性的設(shè)計和施工。同時，珠海市屬于沿海地帶，抗臺風(fēng)能力要求高，為了保證屋面的防風(fēng)性能，需根據(jù)屋面風(fēng)洞試驗報告數(shù)據(jù)，結(jié)合板型截面參數(shù)和材料性能理論計算屋面板的抗風(fēng)揭能力，通過調(diào)整檁條間距和板型截面，保證屋面板滿足風(fēng)洞試驗的數(shù)據(jù)要求[3]。

防風(fēng)處理的關(guān)鍵是屋面四周的邊板、每張屋面板的端頭和收邊，這些部位風(fēng)壓比較大，同時又是板的受力薄弱點，因此需加強(qiáng)防風(fēng)處理措施。所有邊板，包括山墻邊板、天窗邊板、洞口邊板，全部都要通過鋁合金扣件、鋁合金扣條以及鍍鋅折件3道結(jié)構(gòu)措施進(jìn)行加強(qiáng)，以防止屋面板從邊區(qū)掀起。在板的端頭（檐口位置）增加滴水片，將所有屋面板連接成一個整體，實現(xiàn)整體抗風(fēng)，提高防風(fēng)能力。收邊一般采用與屋面板同厚度同材質(zhì)的屋面板基材進(jìn)行加工，其板面平整，抵抗風(fēng)壓的能力偏弱，因此所有收邊板內(nèi)部都要增加支撐件，或采用加厚不銹鋼板作為收邊。

4.2 金屬屋面的防水處理

防水是屋面的主要功能之一，屋面一般設(shè)置有天溝系統(tǒng)、天窗系統(tǒng)和檢修系統(tǒng)等，因此屋面的防水處理面臨多種情況。

天溝對接焊縫處的節(jié)點處理，消防排煙洞口、檢修上人口的防水收邊做法和工藝，都是屋面防水處理的重點，需要在施工中加強(qiáng)質(zhì)量監(jiān)控和管理。在施工中，通常采用試驗的方式來檢驗屋面系統(tǒng)和其他附屬系統(tǒng)的防水性能，如天溝和落水管的閉水試驗、屋面和天窗的淋水試驗等。在伸縮縫節(jié)點處，考慮到伸縮縫較長，漏水隱患大，采用2道防水設(shè)計，第一道采用熱塑性聚烯烴（Thermoplastic Polyolefin Waterproof Membrane，TPO）防水卷材，第二道采用加厚鋁單板收邊，確保防水性能。通過在最適當(dāng)?shù)奈恢迷O(shè)置排水天溝，從根本上解決了采光天窗因變形帶來的漏水難題，徹底解決天窗的漏水問題[4]。

4.3 結(jié)構(gòu)誤差調(diào)整及建筑外輪廓保證

本工程屋面部分外形為復(fù)雜的三維雙曲面，為了保證屋面成型效果流暢、平整、美觀，曲線平順光滑，且實際施工完成面與設(shè)計的理論模型一致，幕墻龍骨安裝需要進(jìn)行大量的調(diào)整工作[5]。保證所有結(jié)構(gòu)的安裝精度是確保工程質(zhì)量的重中之重，結(jié)構(gòu)誤差調(diào)整及建筑外輪廓保證需注意以下3點。第一，鋼結(jié)構(gòu)安裝時一般存在較大誤差，無法滿足屋面板的安裝精度要求，因此需要在安裝前，根據(jù)屋面的結(jié)構(gòu)設(shè)計三維模型，全面測量整個屋面的鋼結(jié)構(gòu)，并核算出每個連接板處的誤差。第二，根據(jù)實測數(shù)據(jù)建立實際的鋼結(jié)構(gòu)三維模型，核算每個位置的調(diào)整尺寸。第三，根據(jù)理論模型和實際模型的誤差調(diào)整幕墻龍骨的高度及進(jìn)出位，保證主檁條的施工完成面與理論建筑模型完全一致。

4.4 鋁單板的安裝施工

鋁板的平整度、順滑度、分格縫和顏色是直接影響建筑立面造型的主要因素，在施工中需要采用合理的方案或措施，保證平整的板面和順滑的外輪廓線，實現(xiàn)墻面、室內(nèi)外分格縫以及建筑線條的協(xié)調(diào)統(tǒng)一，確保板面無色差等。板面平整度主要與龍骨的安裝精度、鋁板自身強(qiáng)度有關(guān)，施工中要確保龍骨成型面與鋁板板面完全一致，安裝時在板面不產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。另外，在鋁板分格設(shè)計和背筋設(shè)計時，需進(jìn)行板面的強(qiáng)度計算。鋁單板加工成型后需進(jìn)行工廠烤漆，多批次加工，必須保證顏色一致，因此施工中需根據(jù)業(yè)主、設(shè)計院等單位確定的色卡進(jìn)行油漆配色，確認(rèn)最終顏色后，再進(jìn)行樣板段的施工。整體加工的油漆配色需一次性完成，確保油漆種類和顏色一致，同時在出廠前用色差測試儀進(jìn)行檢測，合格后方可出廠[6]。

4.5 采光頂?shù)姆浪┕?/h3>

屋面采光天窗是屋面防水設(shè)計的重點部位，尤其是天窗的排水坡度和平整度、天窗與屋面間搭接的節(jié)點處理、鋁型材的設(shè)計等，是保證天窗防水功能的重點環(huán)節(jié)，也是屋面防水的重中之重。屋面的小采光頂為多彩彩釉玻璃，施工要求較高；采光頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)主體為單層空間網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，凈空高、跨度大、造型復(fù)雜、高空作業(yè)量大，垂直運輸和水平運輸難度大。

天窗和不銹鋼、屋面板間搭接處采用多道防水措施，主要防水措施有玻璃與鋁單板包邊之間的密封膠灌封防水、天窗側(cè)的加厚鋁板包邊防水、天窗與屋面和天溝之間的切水收邊增加鍍鋅鋼板結(jié)構(gòu)等。技術(shù)上為了保證天窗排水暢通、不積水、不漏水，需要測量放線，調(diào)節(jié)天窗骨架立桿的高度，確保天窗骨架的安裝精度。施工完成后，為了防止少量水流入室內(nèi)，形成漏水隱患，選擇天窗的鋁型材時，要考慮內(nèi)外雙導(dǎo)軌水槽，即使有少量的滲漏水，也能通過導(dǎo)水槽流入下端天溝或屋面。工程上應(yīng)選用合格的材料供應(yīng)廠家，對玻璃規(guī)格型號進(jìn)行統(tǒng)一編碼，分批按需發(fā)貨[7]。

5 BIM實施方案

5.1 BIM系統(tǒng)組織架構(gòu)

本項目建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）系統(tǒng)組織架構(gòu)如圖3所示，BIM組組長全面負(fù)責(zé)BIM小組的管理工作，并統(tǒng)一協(xié)調(diào)BIM各相關(guān)方，包括各專業(yè)BIM工程師、計劃協(xié)調(diào)管理部、物資設(shè)備部、商務(wù)合約部、建設(shè)單位、設(shè)計單位、BIM咨詢單位以及各分包商等。各專業(yè)至少配置1位熟練掌握本專業(yè)業(yè)務(wù)、熟悉BIM建模、瀏覽軟件操作的人員，組成項目各部門的BIM團(tuán)隊，負(fù)責(zé)相關(guān)專業(yè)工作。

圖3 BIM系統(tǒng)組織架構(gòu)（來源：網(wǎng)絡(luò)）

5.2 BIM深化設(shè)計

在建設(shè)單位提供的施工圖或合同圖基礎(chǔ)上進(jìn)行細(xì)化、優(yōu)化和完善，形成各專業(yè)的詳細(xì)施工圖紙，同時對各專業(yè)設(shè)計圖紙進(jìn)行集成、協(xié)調(diào)、修訂與校核，以滿足現(xiàn)場施工及管理需要。應(yīng)用BIM技術(shù)進(jìn)行深化設(shè)計，可有效解決方案設(shè)計與現(xiàn)場施工的諸多沖突，充分保障方案設(shè)計的還原效果。深化模型通過建設(shè)單位、設(shè)計單位、相關(guān)顧問單位的審核確認(rèn)，最終由模型生成可指導(dǎo)施工的三維深化施工圖與節(jié)點圖。通過BIM技術(shù)和管理方法，在項目設(shè)計過程中把握工程設(shè)計方向，解決設(shè)計階段多方溝通和協(xié)調(diào)的問題，切實控制設(shè)計質(zhì)量，避免下階段的工程風(fēng)險。同時，通過模擬項目的建設(shè)過程對項目進(jìn)行優(yōu)化，主要步驟如下。

第一，檢查并復(fù)核Rhino體量輪廓控制模型。在復(fù)雜的異型金屬幕墻中，利用輪廓模型作為參考依據(jù)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行幕墻各層的排布，及時與項目參與各方溝通，排除幕墻形體中可能存在的風(fēng)險，精確控制輪廓以保持原有設(shè)計意圖。第二，利用BIM設(shè)計軟件進(jìn)行深化設(shè)計。結(jié)合建筑模型和結(jié)構(gòu)網(wǎng)架模型校核與幕墻構(gòu)造之間可能存在的局部差異，并在Tekla或Revit軟件中進(jìn)行深化（可依據(jù)咨詢方的要求調(diào)整），及時發(fā)現(xiàn)并解決問題，提高工作效率。第三，生成深化設(shè)計圖紙。先根據(jù)規(guī)則建立深化設(shè)計模型，再由信息模型自動生成所需要的圖紙和材料清單等，避免手工繪圖造成的疏漏。

本工程中的建筑物形狀不規(guī)則，對外輪廓的設(shè)計要求比較高。建筑金屬幕墻、墻面方案對后期施工、造價等方面的影響較大，尤其是表皮的分割方式與嵌板平直度決定了施工的整體成本。在確定表皮嵌板使用材料的前提下，需要考慮表皮的曲面造型可能造成的后期影響。

6 結(jié)語

相較于傳統(tǒng)的幕墻工程，金屬幕墻工程更為節(jié)能環(huán)保，施工更高效，同時也是未來幕墻工程的發(fā)展方向。由此可見，金屬幕墻是幕墻工程中不可或缺的重要部分。通過總結(jié)科學(xué)館金屬幕墻工程在施工過程中的關(guān)鍵技術(shù)和質(zhì)量控制措施，力求打造出一項精品工程。