大型穹頂多軸式金屬飾面板安裝技術研發與應用

吳 龍 簡齊超 李思瑾

1 工程概況

紹興大禹陵紀念館，主體結構為鋼結構，地下一層、地上二層，總高度約25.4 m，建筑面積27000 m2。地上約7000 m2，地下約20000 m2。其中核心筒區穹頂飾面采用了約9000 多塊銅磚，工程量較大（92 層，每層98 片，總共9016 片），現有的穹頂金屬飾面板安裝完成后，均為固定狀態無法活動，容易出現不平整或者板縫不齊的情況，很難通過其他的方式進行調整，對飾面板進行調整變更飾面效果更是無法操作，只能拆除現有飾面板重新安裝，且拆除時很難保證飾面板不被損壞。飾面板常規安裝方式，雖然技術成熟，但是調整操作很難實現，如需調整只能采取拆除重裝的方式，會造成材料浪費、人工成本增加等問題。確保銅磚平整度和安裝效率的提升，是穹頂金屬板安裝的施工質量及觀感上提升的關鍵。

2 工藝特點

施工簡單快捷。通過調整鋼架安裝順序，大量減少了工人仰頭操作的次數，降低了勞動的強度與難度，縮短安裝時間，同時更好的保證了鋼結構的安裝質量。

接縫高低差、接縫寬度控制好。多軸式連接件可調節范圍：X軸最大可調8 cm，Y軸最大可調8 cm，Z軸最大可調10 cm，飾面角度可調–12°～+15°。多軸調節有效的保證了飾面金屬板弧形造型的連續性，并降低了后續檢查和調整的難度。

裝飾弧形效果好。飾面金屬板、多軸式連接件與基層鋼架連接牢固后，通過多軸式連接件進行調和，達到完美的弧形效果。

輕質經濟施工簡單便捷，降低勞動強度，加快施工進度，節約工程總造價。

3 全過程管理

3.1 設計方案的確定

鑒于現場為大型穹頂式建筑，現場安裝飾面前期設計方案為瓷板安裝。但考慮到干掛瓷板及單塊安裝重量大約為2.5 kg，穹頂上部瓷板基本呈倒掛形式，在能滿足整體效果的前提下，安全性需要進一步進行驗證，且在一定程度上需要保證瓷板穩定性，內部鋼結構掛接基層為不可調節式，在施工過程中，對于精度的要求比較高，若瓷板后場加工出現偏差，材料損耗率較大。

基于以上考慮，項目部應該及時與建設、設計單位進行協商討論，優化設計方案，最終確定利用科調節式鋼結構基層和輕質手工銅磚，在保證了安全性的前提下，最大程度上還原設計效果。

3.2 工期控制

該項目施工工期僅為83 d，施工工期較為緊張，體量大，施工工藝造型復雜。工程施工工期的控制緊密結合進度目標進行施工方案確定，理清項目施工重難點及工程計劃關鍵線路。施工中根據實際情況實施合理糾偏，動態調整和控制，進而按照規定和計劃規定的時間完成施工目標，實現有效控制。具體施工工期控制要根據施工計劃進行合理規劃、控制和協調，管理人員具有重要責任，同時也是其擔負的職責和基本的工作要求。

3.3 材料的選取和加工

項目穹頂涉及大量銅磚，且材料質量、運輸距離及加工排產周期是材料選取的關鍵因素，項目遵循在材料的性能標準以及成本預算可控的情況下，堅持“貨比三家”，對材料的供應商資質進行嚴格審查，并能提供相關的材料性能檢測報告等質量證明文件，優先選用具有ISO9000 體系審核認證的生產廠家，在其材料符合采購計劃時選擇距離施工項目較近的材料供應商。

3.4 材料的后場加工

現場大部分面層材料要求后場加工完畢后直接現場安裝，省去現場二次深化加工的繁雜程序，降低施工現場粉塵污染，提升項目施工效率。但材料后場加工對尺寸和精度要求極高，為避免材料運抵現場后因下單尺寸偏差無法安裝，現場利用建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）點云放線技術對現場完成面進行復原處理，對曲面及造型復雜區域進行精細化排版下單。施工管理人員將切割排版圖與現場實際情況進行二次比對調整，確保后場加工材料運抵現場后可直接使用，避免二次深化加工，增加粉塵污染。

4 施工關鍵技術

4.1 基層鋼架分段式安裝

基層鋼架環形部分經過深化設計，進行合理分段，預先在地面完成焊接安裝[1]。再通過機械設備將每段鋼架臨時抬送到預定位置，最后將其與豎向的鋼架和建筑鋼結構焊接牢固。通過調整鋼架安裝順序，大量減少工人仰頭操作的次數，降低了勞動強度與難度，縮短安裝時間，同時更好的保證了鋼結構的安裝質量。

4.2 多軸式連接件組裝

如圖1 所示，自研結構構件多軸式連接件各子部件在工廠生產，現場快組裝[2]。子部件1 ～3 通過結構造型組裝成多軸式連接件，并保持上下、前后、左右、飾面角度均可調節的狀態。前文已述，多軸式連接件可以調節范圍為：X軸最大可調8 cm，Y軸最大可調8 cm，Z軸最大可調10 cm，飾面角度可調–12°～+15°。多軸調節有效的保證了飾面金屬板弧形造型的連續性，并且降低了后續檢查和調整的工作難度。

圖1 多軸式連接件拆分效果圖（來源：作者自繪）

4.3 飾面金屬板套筒式連接

如圖2 所示，飾面金屬板在工廠預先打孔，在現場快速與多軸式連接件的子部件3 螺釘連接，形成金屬板與多軸式連接件組合的整體后，將其通過機械設備運送到安裝部位，通過子部件1 與基層鋼架套筒式連接。確定飾面金屬板、多軸式連接件與基層鋼架連接牢固后，通過多軸式連接件進行調和，達到完美的弧形效果。

圖2 多軸式連接件與連接板示意圖（來源：作者自繪）

5 工藝流程和操作要點

5.1 施工工藝流程

施工準備—三維測繪掃描定位—BIM 深化設計—材料下單與加工—基層鋼架安裝—多軸式連接件組裝—飾面金屬板安裝—飾面金屬板調和—三維掃描復核—飾面金屬板局部調和—驗收。

5.2 操作要點

5.2.1 施工準備

施工準備工作應該按照以下2 個步驟著手進行：第1，模型與圖紙準備。確定銅板穹頂的三維BIM 模型，對于不同高度安裝段，導出二維平面圖紙。第2，材料準備。按進場計劃將施工所用的三維測繪掃描儀，多軸式連接件、飾面金屬板、螺釘、基層鋼架、腳手架鋼管、升降機、手電鉆、等工具和材料運至現場；工具和材料的合格證書、性能檢測報告、進場驗收記錄和復檢報告應齊全并符合要求。

5.2.2 三維測繪掃描定位

首先，使用三維測繪儀器對現場鋼結構進行掃描，通過專業軟件處理形成點云模型，并與設計原始模型進行對比擬合[3]；其次，通過對比擬合，在地面確定基準點，在穹頂各個高度段確定豎向和水平向的關鍵點位；最后，使用全站儀在施工現場進行精準定位，標記出基礎點和各高度段的各關鍵點位。

5.2.3 BIM深化設計

首先，根據三維測繪掃描形成的點云模型調整原始設計模型；其次，根據修改調整后的三維模型進行基層鋼架的深化，對基層鋼架進行合理分段，導出現場基層鋼架加工安裝圖；最后，同時對多軸式連接件進行深化，繪制加工圖，注明加工精度[4]。

5.2.4 材料下單與加工

根據調整后的三維BIM 模型確定基層鋼架、多軸式連接件、金屬板等材料的加工圖和用量，并通過工廠下單加工。

5.2.5 基層鋼架安裝

首先，依據標記好的豎向關鍵點位，完成豎向基層鋼架的安裝；其次，根據BIM 圖紙將分段式環形基層鋼架在地面安裝完成；再次，依據標記好的水平向關鍵點位，通過機械設備將分段式環形基層鋼架臨時抬送到預定位置；從次，將分段式環形基層鋼架與豎向的鋼架和鋼結構焊接牢固；最后，抽檢焊接點位。

5.2.6 多軸式連接件組裝

多軸式連接件的組裝在現場地面進行，將各子部件通過結構造型進行套筒式連接，再將兩者的整體與子部件通過結構凹凸造型進行組裝，形成多軸式連接件整體。

組裝成型后，檢查套筒連接的可轉動性與可移動性，檢查凹凸造型連接處的可調節性，符合要求后，將子部件臨時拆下，利于下一步飾面金屬板安裝。

5.2.7 飾面金屬板安裝

在地面進行與多軸式連接件的安裝，通過飾面金屬板預加工好的孔眼進行與多軸式連接件的定位，定位準確后使用手電鉆和螺釘將兩者連接，再將子部件重新組裝，形成飾面金屬板與多軸式連接件的整體。

使用升降機將材料抬升至待安裝部位進行，將整體的子部件與基層鋼架進行套筒式連接，并檢查兩者之間進出位置的可調性是否滿足要求，如圖3 所示。

圖3 飾面金屬板整體安裝圖（來源：作者自繪）

5.2.8 飾面金屬板調和

根據左右上下及關鍵點的對比，進行飾面金屬板的調和。首先通過子部件與基層鋼架調整飾面金屬板的前后進出位置；其次，通過各子部件間的凹凸連接調整飾面金屬板的上下位置；最后，在上一步驟調整到位后，通過各子部件間的套筒連接調整飾面金屬板的左右位置和飾面傾斜角度。

5.2.9 三維掃描復核

飾面金屬板全部安裝并調和后，進行三維測繪掃描，并將測繪得到的點云模型與深化后的BIM 模型進行色譜分析，檢查安裝效果，得到需要調整的金屬板的位置和偏差信息。

5.2.10 飾面金屬板局部調和

依據色譜分析可得到需要調整的銅版紙的位置和偏差信息，進行飾面金屬板的局部調和，調整方法和前文相同。

5.2.11 驗收

飾面金屬板經過局部調和后，再次進行三維測繪掃描，重新進行色譜分析，達到驗收要求。

6 質量控制

6.1 主控項目

首先，焊接材料應符合設計要求和有關標準的規定，應檢查質量證明書及烘焙記錄。其次，焊工必須經考試合格，檢查焊工響應施焊條件的合格證及考核日期。再次，Ⅰ、Ⅱ級焊縫必須探傷檢驗，并應符合設計要求和施工及驗收規范的規定，檢查焊縫探傷報告。最后，焊縫表面Ⅰ、Ⅱ級焊縫不得有裂紋、焊瘤、燒穿、坑等缺陷。Ⅱ級焊縫不得有表面氣孔、夾渣、坑、裂紋、電插傷等缺陷，且Ⅰ級焊縫不得有咬邊、未焊滿等缺陷。

6.2 一般項目

焊縫外觀：焊縫外形均勻，焊道與焊道、焊道與基本金屬之間過渡平滑，焊渣和飛濺物清楚干凈。

表面氣孔：Ⅰ級、Ⅱ級焊縫不允許，Ⅲ級焊縫每50 mm 長度焊縫內允許直徑≤0.4 t；且≤3 mm 氣孔2 個；氣孔間距≤6 倍孔徑。咬邊：Ⅰ級焊縫不允許。Ⅱ級焊縫：咬邊深度≤0.05 t,且≤0.5 mm，連續長度≤100 mm，且兩側咬邊總長≤10%焊縫長度。Ⅲ級焊縫：咬邊深度≤0.1 t，且≤1mm。金屬板安裝允許偏差及檢驗方法另計[5]。

7 結語

紹興大禹陵紀念館利用基層鋼架分段式安裝、多軸式連接件組裝、飾面金屬板套筒式連接等先進施工技術，有效提升了穹頂銅板安裝質量，并且施工進度快、觀感效果好、設計方案還原度高。

大禹陵紀念館作為景區的核心部分，公祭典禮的場所，每年舉辦活動，祭拜祖先，寄托追思、緬懷先祖、追念禹王的圣功偉業，同時兼顧了公祭典禮作為國家級非物質文化遺產的傳承性和莊嚴性（圖4）。

圖4 整體安裝完成效果圖（來源：作者自繪）