狹小空間內(nèi)的主題飾面燈光塔整體安裝技術(shù)研究

朱佳杰

（上海建工集團股份有限公司，上海 200080）

0 引言

本文主要通過提出一套創(chuàng)新的設(shè)計與施工方案，可解決狹小空間內(nèi)主題飾面燈光塔的整體安裝問題。通過結(jié)合BIM 技術(shù)和有限元分析軟件，實現(xiàn)了精確的胎架設(shè)計，有效應(yīng)對了復(fù)雜的現(xiàn)場條件和嚴(yán)格的外飾面保護(hù)要求，顯著提高了施工效率，保障了施工安全，同時最大限度地減少了對已有建筑環(huán)境的影響。

1 工程概況

某大型主題樂園的擴建項目，占地面積約為23090m2，總建筑面積約為11518.11m2，共有兩個建筑單體。其中游樂設(shè)施單體的建筑面積為10080.72m2，建筑高度為14.1m。在該建筑單體的屋面上共有19 座有主題飾面的燈光塔，最重的燈光塔質(zhì)量約為8.2t，最高的燈光塔高度約為14.6m。燈光塔由主鋼結(jié)構(gòu)、次鋼結(jié)構(gòu)、外飾面（帶主題上色效果的鋁板和玻璃鋼）和演藝燈具組成。

2 施工技術(shù)難點

（1）該單體的屋面形式為鋼結(jié)構(gòu)屋面，屋面防水保溫體系為一道隔汽層+100mm 厚巖棉保溫層+二道3mm 厚高聚物改性瀝青類防水卷材+一道4mm 厚自帶碎石顆粒改性瀝青防水卷材保護(hù)層。根據(jù)材料性能，整個屋面防水保溫體系完成后是具有一定柔性的，這類暴露式防水卷材同時作為屋面保護(hù)層，并不適合在其之上進(jìn)行動火作業(yè)、腳手架搭拆作業(yè)和大量人員通行，而19 座燈光塔若采用現(xiàn)場拼裝的方式，則不可避免的產(chǎn)生主鋼和次鋼的焊接作業(yè)、腳手架搭拆作業(yè)、較長周期內(nèi)人員通行情況，不利于屋面防水卷材的保護(hù)，易造成漏水隱患。

（2）燈光塔周邊的其他建筑元素很多且距離非常近，例如，作為外飾面效果的主題植物（由鋼結(jié)構(gòu)框架和帶噴涂油漆的金屬網(wǎng)組成），是和燈光塔交錯布局的，其中最近的主題植物與燈光塔僅有20mm 距離。這種極度狹小的空間，無論燈光塔施工還是主題植物施工，對腳手架搭設(shè)或者整體吊裝的要求都非常高。除兩者各自的安裝方式，還必須從各方面來綜合考慮兩者的安裝順序，以避免出現(xiàn)后者安裝過程中無法解決的問題。

（3）由于19 座燈光塔的安裝工況各不相同，若采用吊裝的安裝方式，需要分別設(shè)計滿足其工況的運輸和吊裝胎架。而個別燈光塔的外飾面是一圈連續(xù)的，背后沒有外露的主鋼結(jié)構(gòu)供胎架連接。如果按照常規(guī)的胎架體系設(shè)計，外飾面表皮不得不被胎架連接件穿透。但業(yè)主為了確保最終外飾面效果，要求游客可見的燈光塔部位不允許有開洞后修補的情況，這對整體吊裝中的胎架設(shè)計體系提出了更高的要求[1]。

3 解決方案

結(jié)合各方面情況與限制，考慮到為減少現(xiàn)場施工對屋面防水的影響，減少對塔吊占用的窗口期，同時增加預(yù)制率和裝配率來加快屋面整體施工進(jìn)度，決定采用燈光塔主體結(jié)構(gòu)、外飾面次鋼結(jié)構(gòu)、外飾面表皮和燈光一體化的整體拼裝和吊裝方案。在整個施工環(huán)節(jié)，即深化設(shè)計、整體拼裝、運輸和吊裝，實現(xiàn)“四位一體”裝配式施工。

3.1 整體拼裝

3.1.1 場地要求

在整體裝配式施工的前提下，燈光塔吊裝完畢后，現(xiàn)場已不具備調(diào)整外飾面效果的操作性和可能性，因此工廠驗收環(huán)節(jié)的重要性愈發(fā)顯著。鑒于19 座燈光塔在建筑單體上的最終位置和布局，采取了一系列巧妙的措施來較為精準(zhǔn)的展現(xiàn)實際吊裝后的效果，并模擬出游客的視覺與觀感體驗，例如，①尋找合適的整體拼裝基座點位，使業(yè)主能夠在35m、45m、50m 的距離分別對燈光塔整體藝術(shù)效果進(jìn)行目視驗收。②施工過程中，不能有任何建筑物遮擋或反射陰影在游客可見區(qū)域的燈光塔表面。③燈光塔需滿足坐北朝南，還原太陽光線東升西落時照射在高塔上的效果。

綜上，在加工廠附近另外租借了一塊場地以滿足以上要求。

3.1.2 整體鍍鋅

燈光塔作為坐落在屋面上的十幾米高的塔式結(jié)構(gòu)，其主鋼結(jié)構(gòu)在焊接拼裝過程中的質(zhì)量是十分重要的，必須要嚴(yán)格把關(guān)控制。由于主鋼結(jié)構(gòu)的構(gòu)件數(shù)量眾多，若采取傳統(tǒng)的分件鍍鋅后再焊接的方式，不僅會造成大量的打磨與補鋅工作，還可能影響結(jié)構(gòu)的整體性和耐久性。為了解決這一問題，提出了一種創(chuàng)新的工藝方式：將主鋼結(jié)構(gòu)的所有構(gòu)件先行組裝拼接，確保整體性和精確度，再利用一個13m 長、3m 寬、2m 深的專用鍍鋅池，對已拼接完成的整體鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行一次性全浸鍍鋅處理。這種方法不僅顯著減少了后續(xù)打磨、焊接和補鋅的工作量，而且實現(xiàn)了鍍鋅層的均勻性和連續(xù)性，從而大幅提升了結(jié)構(gòu)的防腐性能和工期效率[2]。

其中值得注意的問題如下：燈光塔主鋼結(jié)構(gòu)的構(gòu)件數(shù)量較多，在整體拼接后鍍鋅，需要留設(shè)的流鋅孔數(shù)量也非常多，增加了后期修補流鋅孔的工作。另外，在現(xiàn)場吊裝的過程中發(fā)現(xiàn)19 座燈光塔的重量均超過原本設(shè)計計算的重量，經(jīng)追溯才發(fā)現(xiàn)，燈光塔較復(fù)雜、多轉(zhuǎn)折的主鋼結(jié)構(gòu)形式，在整體鍍鋅的過程中會殘留較多鋅液在內(nèi)，造成了重量的增加。

3.1.3 最終效果調(diào)試

在順利完成主鋼結(jié)構(gòu)、次鋼結(jié)構(gòu)、鋁板、玻璃鋼的整體拼裝和主題上色后，為確保燈光塔的夜間效果與創(chuàng)意意圖相符，配合業(yè)主采用無人機拍攝技術(shù)進(jìn)行驗收。通過無人機多角度、多高度捕捉各個方位的燈光塔，供業(yè)主評估整體光影布局和特定的細(xì)節(jié)效果，為今后游客的夜間體驗增加更多的可能性[3]。

3.2 胎架設(shè)計

在整座燈光塔的深化設(shè)計、加工拼裝和運輸安裝的環(huán)節(jié)中，胎架設(shè)計是最重要也是最具挑戰(zhàn)性的任務(wù)。下文以B2 燈光塔為例進(jìn)行分析。

B2 燈光塔周邊距離最近的主題植物僅85mm，如圖1 所示，由于該主題植物的特性和受到其周邊環(huán)境和工況影響，只能在現(xiàn)場搭設(shè)腳手架安裝，因此B2 燈光塔的安裝要在主題植物安裝完成后進(jìn)行，B2 燈光塔的胎架設(shè)計和現(xiàn)場吊裝必須要克服狹小空間這一極度不利的前置條件，來滿足對自身外飾面和對主題植物的成品保護(hù)要求。

圖1 B2 燈光塔（帶胎架）與周邊建筑元素最近距離

利用Madis Gen 軟件，對胎架框架的設(shè)計進(jìn)行了嚴(yán)格的合理性審核。通過模擬與分析，對整個吊裝流程以及車輛卸載翻轉(zhuǎn)過程中的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、外觀完整性進(jìn)行了全面評估，軟件精確計算了吊索具在作業(yè)過程中的內(nèi)力分布、撓度變化、彎矩效應(yīng)以及應(yīng)力比，確保在吊裝操作中，燈光塔的結(jié)構(gòu)框架、外飾面表皮和吊裝機械設(shè)備均處于最佳安全狀態(tài)[4]。

通過BIM 設(shè)計和有限元分析技術(shù)，將精確的模型預(yù)測與實際場景相結(jié)合，不僅進(jìn)一步提升了胎架設(shè)計的安全性，還使得后續(xù)的運輸和安裝過程擁有了堅實的可靠保證，也最大程度地減少任何潛在的風(fēng)險。

個別燈光塔造型迥異，其重心偏離了整體結(jié)構(gòu)的中心線，這對胎架設(shè)計和吊裝過程中的穩(wěn)定性提出了額外的要求。在常規(guī)胎架的基礎(chǔ)上，設(shè)計并加裝了柔性軟抱箍，并輔以張拉的拉索系統(tǒng)，來確保整體穩(wěn)定性。

個別燈光塔的外飾面是一圈連續(xù)的，背后沒有外露的主鋼結(jié)構(gòu)供胎架連接，在外飾面不允許被穿透的情況下，將胎架調(diào)整為吊耳形式。但選擇吊耳的位置時，除了要保證其結(jié)構(gòu)強度和滿足受力要求外，還必須考慮到吊耳在移除后，其留下的痕跡是否會暴露在游客視線之內(nèi)。為此，運用BIM 動畫技術(shù)模擬游客視角，來確保吊耳形式不會影響燈光塔外飾面效果和游客體驗。

通過以上幾種定制化的胎架設(shè)計方案，確保了每座燈光塔在吊裝時都能保持平衡和穩(wěn)定。通過詳細(xì)的計算和設(shè)計上的創(chuàng)新，在確保安全的基礎(chǔ)上，提供了相對應(yīng)的支撐系統(tǒng)，以適應(yīng)這些燈光塔獨特的形狀和結(jié)構(gòu)要求。

3.3 現(xiàn)場吊裝

對于燈光塔這類整體拼裝后吊裝的大型高聳構(gòu)件，在運輸期間采用平放方式以提高安全性，至現(xiàn)場最終進(jìn)行立式安裝前，必須經(jīng)歷一個翻身的過程。鑒于燈光塔自身的結(jié)構(gòu)高度和穩(wěn)定性要求，單一吊裝設(shè)備很難保證翻身動作的平穩(wěn)性和安全性。因此采用雙機抬吊策略，結(jié)合塔吊和汽車吊的優(yōu)勢，協(xié)同完成燈光塔的翻身豎立工作[5]。塔吊提供主要的垂直起吊力，而汽車吊則負(fù)責(zé)調(diào)整角度和穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，這種配合方式能夠均勻地分布吊裝過程中的力，有效減少了燈光塔在翻身過程中重心移位而可能產(chǎn)生的外飾面變形，也同樣避免了對燈光塔底部造成損傷。燈光塔卸車的翻身豎立照片如圖2 所示。

圖2 燈光塔卸車的翻身豎立照片

繼續(xù)以B2 燈光塔為例：B2 燈光塔重約4.3t，胎架作為起吊措施，附著于主鋼結(jié)構(gòu)，附著胎架后重量約為6.2t。起重吊裝時，使用扁擔(dān)梁進(jìn)行輔助吊裝，吊索具配置為兩側(cè)各兩根7m 的10t 吊帶，B2 燈光塔配上吊索具扁擔(dān)梁后總重約8.5t。

雙機抬吊的80t 汽車吊，輔助半徑控制在12m 內(nèi)，最大起重量約16.8t>8.5t，塔吊吊裝半徑控制在45m內(nèi)，最大起重量約為12.8t>8.5t。塔吊將B2 燈光塔翻身豎立后，將其置于現(xiàn)場臨時基礎(chǔ)上，檢查并清洗外飾面表皮。

一切準(zhǔn)備就緒后，利用登高車重新掛鉤，由塔吊單機吊裝至屋面。吊裝時緩慢移動，操作人員通過溜繩控制燈光塔在空中的位置，臨近安裝位置時，塔吊司機要與指揮緊密聯(lián)系，通過溜繩牽引移動，緩慢靠近最終位置。B2 燈光塔靠近主題植物的一側(cè)，提前布置了泡沫板，防止B2 燈光塔在最終就位過程中因風(fēng)力或操作原因碰撞到主題植物。就位后燈光塔底部鋼柱端板與屋面預(yù)留結(jié)構(gòu)端板緊密貼合，通過高強螺栓連接固定。燈光塔吊裝如圖3 所示。

圖3 燈光塔吊裝

吊裝工作完成后，接下來的難點是拆除與燈光塔主鋼結(jié)構(gòu)相連的吊裝胎架。實際采用的吊裝胎架和主鋼結(jié)構(gòu)之間的連接形式包括焊接連接和法蘭螺栓連接兩種。

通過法蘭螺栓連接的，以B2 燈光塔為例，分為上下兩層法蘭，下部法蘭通過搭設(shè)操作平臺來拆除，上部法蘭需從燈光塔內(nèi)部登高至胎架連接位置處拆除。B2燈光塔內(nèi)部空間為1.7m×1.4m，除去主鋼結(jié)構(gòu)占位，內(nèi)部仍有0.5m×0.5m 的空間滿足人員上下通行和拆除工作。在燈光塔內(nèi)部的主鋼結(jié)構(gòu)上設(shè)置爬梯，由主鋼結(jié)構(gòu)加工時直接焊接在背部，爬梯采用25mm×25mm×2mm的方鋼作為橫桿，以滿足現(xiàn)場登高作業(yè)，該部分爬梯作為永久結(jié)構(gòu)留在塔樓內(nèi)部。

通過焊接固定的，要求在拆除胎架前必須精確切割連接部位。在切割最后一個焊點時，由于應(yīng)力的突然釋放，胎架會發(fā)生劇烈晃動，存在撞擊到燈光塔的風(fēng)險。為了防范這一風(fēng)險，在燈光塔主鋼結(jié)構(gòu)與胎架之間設(shè)置了限位裝置。這些裝置能夠有效控制胎架在切割點斷開后的運動范圍，防止其對燈光塔造成意外沖擊。

由于個別燈光塔結(jié)構(gòu)本身較高，直接向上吊起胎架時所需的垂直空間超過了塔吊的最大作業(yè)高度。為克服這一問題，在綜合考慮周邊環(huán)境和吊裝工況后，采用側(cè)向平移的拆除策略，胎架先沿水平方向平移出燈光塔范圍，再通過塔吊進(jìn)行垂直吊裝，順利解決高度限制問題。

4 結(jié)語

總結(jié)而言，本文的研究成果不僅為類似工程提供了可靠的施工模板，還推動了建筑工程技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展。特別是在綠色施工方面，整體裝配式施工大幅減少了現(xiàn)場作業(yè)所需的材料浪費和建筑垃圾的產(chǎn)生，同時降低了施工過程中對周邊環(huán)境的影響，有助于實現(xiàn)建筑項目的可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)。未來這些技術(shù)的應(yīng)用將為主題樂園建設(shè)和其他建筑項目帶來更廣闊的發(fā)展前景，也將加速行業(yè)向綠色、環(huán)保、高效的建筑施工模式轉(zhuǎn)變，促進(jìn)整個社會的可持續(xù)發(fā)展。