雙曲異形大跨度月牙格柵幕墻建造技術(shù)

【摘要】熊貓塔為外形類似“春筍”仿生建筑，整體由形狀各異的鋼結(jié)構(gòu)弧形構(gòu)件編織而成。由于雙曲月牙格柵造型獨(dú)特，受格柵的可開(kāi)啟、鋼結(jié)構(gòu)焊接變形，異形構(gòu)件數(shù)量眾多等諸多不利因素影響，導(dǎo)致圖紙深化設(shè)計(jì)、材料加工、測(cè)量定位、現(xiàn)場(chǎng)安裝等環(huán)節(jié)遇到多重技術(shù)難題。介紹了異形雙曲大跨度月牙格柵設(shè)計(jì)、加工、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施的全過(guò)程。

【關(guān)鍵詞】仿生建筑; 雙曲異形; 月牙格柵; 可開(kāi)啟; 格柵建造技術(shù)

【中圖分類號(hào)】TU17A

0 引言

仿生建筑是一種貼近自然、符合科學(xué)規(guī)律的建筑形式。因其設(shè)計(jì)巧妙、外觀獨(dú)特、結(jié)構(gòu)合理及節(jié)約能源等優(yōu)勢(shì)，在當(dāng)今耗能巨大、資源短缺及污染嚴(yán)重的社會(huì)中被廣泛應(yīng)用［1］。仿生建筑既是建筑的最高追求是形式和功能的完美結(jié)合，仿生建筑既是其建筑的支撐骨架又是其空間美感的來(lái)源［2］。

本論文依托熊貓塔作為研究載體，熊貓塔塔身由720塊形狀各異的鋼結(jié)構(gòu)弧形構(gòu)件編織而成，外部柱網(wǎng)為由下向上逐漸向后收緊的斜交網(wǎng)格結(jié)構(gòu)構(gòu)建而成。形狀類似“春筍”造型，塔冠部分的格柵是“春筍”發(fā)芽的單元。與熊貓基地主題相互呼應(yīng)，寓意熊貓基地熊貓吃的竹筍，在整個(gè)仿生異形建筑物外立面設(shè)計(jì)有雙曲異形大跨度月牙格柵。在復(fù)雜幕墻智能建造技術(shù)［3］中提到了格柵的建造，但是不夠系統(tǒng)和全面，也未能將雙曲異形大跨度月牙格柵建造的整個(gè)建造過(guò)程解析完整和清楚。熊貓塔為仿生建筑，實(shí)施過(guò)程中，由于雙曲月牙格柵造型獨(dú)特，受頂部格柵的可開(kāi)啟，鋼結(jié)構(gòu)焊接變形，構(gòu)件數(shù)量眾多及造型不一致等諸多不利因素影響。特別是在缺乏類似建筑的借鑒案例的情況下，深化設(shè)計(jì)、材料加工、測(cè)量定位、現(xiàn)場(chǎng)安裝等環(huán)節(jié)存在多重技術(shù)難題。本論文重點(diǎn)從施工準(zhǔn)備（深化設(shè)計(jì)）、測(cè)量放線、格柵加工到具體安裝，完整的解析復(fù)雜異形雙曲大跨度月牙格柵建造技術(shù)。

1 工程概況

熊貓觀光瞭望塔位于成都大熊貓繁育研究基地核心區(qū)域，建筑總高度為70 m，其中建筑標(biāo)準(zhǔn)層高度為49.95 m，建筑層數(shù)為地下1層，地上9層。是城北地區(qū)的制高點(diǎn)、地標(biāo)和視覺(jué)中心。月牙格柵總數(shù)為672根，其中塔冠由75根可活動(dòng)的桿件組成，最長(zhǎng)桿件約13 m，每根桿件按照一定規(guī)律進(jìn)行開(kāi)啟和關(guān)閉，形成完美的開(kāi)啟效果。每根格柵下端與支座鉸接連接，另一端則完全懸挑（閉合時(shí)候端部通過(guò)限位卡槽與主結(jié)構(gòu)相靠）。格柵下端和支座上端會(huì)有對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)安裝液壓推桿，通過(guò)液壓桿的長(zhǎng)度位移得到格柵根部旋轉(zhuǎn)的角度變化，進(jìn)而達(dá)到開(kāi)啟效果，同時(shí)也增加現(xiàn)場(chǎng)建造的難度。

在“春筍”頂部設(shè)計(jì)有67根可開(kāi)啟的格柵。每根格柵需要按照規(guī)律以根部為中心旋轉(zhuǎn)一定角度打開(kāi)，設(shè)計(jì)最大開(kāi)啟角度為60°；單根立桿重量600～1200 kg之間，最長(zhǎng)長(zhǎng)度約為13 m（圖1）。

2 工藝原理及施工流程

2.1 工藝原理

運(yùn)用BIM技術(shù)和3D打印技術(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)、施工方案，以技術(shù)指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工。通過(guò)模型碰撞檢查，找出圖紙疑問(wèn)、優(yōu)化節(jié)點(diǎn)，對(duì)建筑物進(jìn)行模擬施工，提前分別對(duì)變截面焊接矩形鋼板、鋁單板、鋁型材的廠家做好技術(shù)交底。降雙曲異形大跨度月牙格柵幕墻下料、現(xiàn)場(chǎng)拼裝和精度調(diào)整的難度，縮短施工工期，提高施工質(zhì)量。

2.2 施工流程

施工準(zhǔn)備—鋼結(jié)構(gòu)檢查—測(cè)量放線—轉(zhuǎn)接件安裝—格柵構(gòu)件加工—格柵組裝—格柵安裝—格柵調(diào)整固定—清洗驗(yàn)收。

3 施工準(zhǔn)備

3.1 深化設(shè)計(jì)

3.1.1 格柵結(jié)構(gòu)尺寸深化

因單根格柵最大長(zhǎng)度達(dá)13.4 m，自重超600 kg。為保證格柵的結(jié)構(gòu)安全性，將格柵原結(jié)構(gòu)100 mm×100 mm方鋼管矩通深化為194 mm×135 mm矩形焊接鋼板，提高結(jié)構(gòu)安全性，降低格柵結(jié)構(gòu)的加工難度。

3.1.2 格柵數(shù)量?jī)?yōu)化與間距調(diào)整

格柵截面加大后，導(dǎo)致格柵間距過(guò)密，影響塔身外觀效果，因此將格柵數(shù)由759根優(yōu)化為672根，每個(gè)區(qū)域減少一根格柵。在Grasshopper中修改控制格柵數(shù)量的編組參數(shù)，將格柵數(shù)量減少87根；再修改控制格柵位置的參數(shù)將優(yōu)化后的672根格柵，沿著格柵雙曲定位法線均分，達(dá)到塔身設(shè)計(jì)效果（圖2）。

3.1.3 格柵結(jié)構(gòu)尺寸深化

由于塔冠格柵與中部可開(kāi)啟格柵需進(jìn)行機(jī)械液壓裝置的設(shè)計(jì)，在Rhino中無(wú)法對(duì)機(jī)械裝置進(jìn)行清晰、細(xì)膩的表達(dá)，因此選用Catia對(duì)格柵及開(kāi)合液壓裝置進(jìn)行深化設(shè)計(jì)。在Rhino中提取深化后的格柵定位法線，導(dǎo)入Catia中進(jìn)行參數(shù)化格柵創(chuàng)建，并對(duì)需開(kāi)合的格柵進(jìn)行液壓推拉桿設(shè)計(jì)。

將開(kāi)合裝置與配套格柵模型導(dǎo)入ABAQUS進(jìn)行恒載+風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)組合下的位移、風(fēng)工況下的位移驗(yàn)算，以及恒載+風(fēng)基本組合下的強(qiáng)度驗(yàn)算，查看理論狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)安全性（圖3、圖4）。

3.1.4 格柵支座深化

結(jié)合深化后的格柵截面尺寸，為保證格柵安裝精度以及格柵安裝的可操作性，格柵連接節(jié)點(diǎn)最終深化為連接板+支座圓管+轉(zhuǎn)接矩管的形式，支座圓管尺寸由140 mm×10 mm深化為159 mm×10 mm。

3.2 施工準(zhǔn)備

3.2.1 方案編制和審批

由專業(yè)技術(shù)人員編制雙曲異形大跨度月牙格柵專項(xiàng)施工方案，在完成公司審批后，組織專家論證，確保幕墻施工方案安全性、可靠性及經(jīng)濟(jì)性，且符合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，確保方案的合法、合規(guī)性。

3.2.2 工藝及技術(shù)交底

借助BIM模型和創(chuàng)建的施工動(dòng)畫(huà)，對(duì)參全體管理和操作人員進(jìn)行工藝培訓(xùn)及方案可視化交底，明確相關(guān)施工重難點(diǎn)、關(guān)鍵部位的構(gòu)造要求、特殊部位的做法、質(zhì)量和安全要求相關(guān)要求等，同時(shí)做好“三級(jí)”交底。

3.2.3 相關(guān)檢查

安裝前作好所需的材料檢查、施工機(jī)具、安裝人員等方面的準(zhǔn)備工作。特別是雙曲異形月牙格柵面板、鋼龍骨、轉(zhuǎn)接件的規(guī)格、尺寸、數(shù)量是否符合設(shè)計(jì)要求，配套部件是否齊全，并具有出廠合格證、材質(zhì)檢驗(yàn)報(bào)告書(shū)等。

3.3 格柵參數(shù)化下料

采用“參數(shù)化下料+數(shù)控切割機(jī)+專用平臺(tái)測(cè)量定位+技術(shù)人員復(fù)核指導(dǎo)”的模式，提升變截面焊接異形格柵構(gòu)件的制作精度。

3.4 數(shù)字化加工制造與3D打印

為了加快施工進(jìn)度的同時(shí)保證格柵的加工質(zhì)量，項(xiàng)目對(duì)格柵加工采用了數(shù)字化加工制造的方式。

在Catia中將格柵進(jìn)行分區(qū)編號(hào)，按分區(qū)編號(hào)導(dǎo)出格柵加工圖及料表、鋁合金型材加工圖及料表、格柵支座加工圖及料表。將型材截面尺寸信息導(dǎo)入數(shù)控機(jī)床，自動(dòng)雕刻出型材模具，再根據(jù)Catia提取的加工料表自動(dòng)生產(chǎn)出型材直料，最后再按照Catia提取的每根型材弧度，完成型材拉彎加工。

3.5 模擬吊裝

為保證吊裝過(guò)程的安全與可行性，首先采用BIM技術(shù)模擬吊裝過(guò)程，根據(jù)不同吊裝高度，采用150 t履帶吊（用于34.25～69.8 m高度階段）、80 t汽車(chē)吊（用于7.5～34.25 m高度階段）進(jìn)行吊裝（圖5）。

3.6 鋼結(jié)構(gòu)檢查

3.6.1 三維激光掃描

通過(guò)掃描后的鋼結(jié)構(gòu)實(shí)體模型與下料模型對(duì)比分析，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的空間位置偏差進(jìn)行檢驗(yàn)、定位、其上、下、左、右偏差數(shù)值不應(yīng)超過(guò)±50 mm。將分析檢查結(jié)果記錄下來(lái)，反饋給鋼結(jié)構(gòu)安裝單位。若鋼結(jié)構(gòu)安裝偏差較大，將由鋼構(gòu)單位自行整改。若鋼結(jié)構(gòu)安裝偏差較小符合模型修正要求，將由裝飾單位修正模型，從而確保月牙格柵安裝定位點(diǎn)符合設(shè)計(jì)要求。

3.6.2 格柵模型修正

將鋼結(jié)構(gòu)實(shí)體掃描模型導(dǎo)入Catia，對(duì)比掃描模型與鋼結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)模型的偏差。偏差大于10 mm的部位，將按照掃描模型修正格柵支座位置與格柵弧長(zhǎng)。

4 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施

4.1 測(cè)量放線

4.1.1 施工定位坐標(biāo)提取

使用設(shè)計(jì)確認(rèn)后的格柵模型進(jìn)行格柵支座定位坐標(biāo)提取，按區(qū)段出具格柵支座定位坐標(biāo)放樣數(shù)據(jù)表。

4.1.2 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量放線

按照建設(shè)單位提供確定的基準(zhǔn)控制點(diǎn)坐標(biāo)，用全站儀將從基準(zhǔn)坐標(biāo)點(diǎn)引到建筑物外圍確定其測(cè)量坐標(biāo)點(diǎn)，并用油漆在地面做好10個(gè)標(biāo)記坐標(biāo)點(diǎn)以作為裝飾測(cè)量坐標(biāo)點(diǎn)位。

將三維模型轉(zhuǎn)化為平面，利用坐標(biāo)轉(zhuǎn)換法確定安裝定位連接板的4個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)三維坐標(biāo)值，并用全站儀進(jìn)行調(diào)整、復(fù)測(cè)。將各支座坐標(biāo)輸出為Excel文件并直接導(dǎo)入全站儀中進(jìn)行測(cè)量放樣（圖6）。

在實(shí)際吊裝過(guò)程中，通過(guò)定制對(duì)穿專用吊鉤進(jìn)行起吊安裝，保證格柵上端能準(zhǔn)確套入支座，格柵下端通過(guò)升降吊鉤來(lái)調(diào)節(jié)到位，施工效率較高，一組吊車(chē)一天安裝約8根單元式成品月牙格柵。為了解決面材開(kāi)對(duì)穿孔的美觀問(wèn)題，增加裝飾扣蓋來(lái)保證整體觀感（圖7）。

4.2 萬(wàn)向轉(zhuǎn)接件安裝

萬(wàn)向轉(zhuǎn)接件由159×10 mm鍍鋅圓管（表面氟碳噴涂）+8 mm厚封口鋼板加工件組成。安裝過(guò)程首先將全站儀移動(dòng)至已標(biāo)記好的測(cè)量坐標(biāo)點(diǎn)，對(duì)月牙格柵的上下轉(zhuǎn)接件進(jìn)行三維坐標(biāo)定位，通過(guò)全站儀來(lái)實(shí)際測(cè)量打點(diǎn)，調(diào)整控制點(diǎn)XYZ三個(gè)方向誤差，記錄第一次測(cè)量數(shù)據(jù)，檢查測(cè)量數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)的偏差，對(duì)轉(zhuǎn)接件的安裝定位連接板進(jìn)行前后、左右、上下微調(diào)，微調(diào)完成后進(jìn)行第二次測(cè)量，并記錄測(cè)量數(shù)據(jù)，檢查第二次測(cè)量數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)的偏差，以此類推，直至安裝定位連接板各控制點(diǎn)XYZ三個(gè)方向測(cè)量數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)符合尺寸偏差達(dá)到不大于2 mm為止，方可達(dá)到安裝精度要求。

通過(guò)全站儀來(lái)調(diào)整萬(wàn)向轉(zhuǎn)接件的空間定位，空間定位無(wú)誤后進(jìn)行轉(zhuǎn)接件滿焊安裝。焊接過(guò)程必須先除去鋼結(jié)構(gòu)上的油漆或防腐涂料進(jìn)行焊接，先進(jìn)行點(diǎn)焊固定調(diào)好位置確定無(wú)誤再進(jìn)行滿焊（圖8）。

4.3 格柵安裝

4.3.1 組裝格柵

在現(xiàn)場(chǎng)地面先進(jìn)行月牙格柵面材（鋁板+鋁型材）組裝，后進(jìn)行月牙格柵整體裝配式吊裝。采用固定格柵相同方式，在地面平整場(chǎng)地，在定制專用安裝支架上，拼裝支座、油缸、桿件等成為一個(gè)整體。

4.3.2 吊裝格柵

將月牙格柵平放在鋼支架上，再用4 m長(zhǎng)5 t的吊帶固定在月牙格柵長(zhǎng)度的三分之一兩端位置，鎖緊吊帶，防止吊帶滑動(dòng)，形成整體吊裝。要求每1次吊裝月牙格柵的根數(shù)不得超過(guò)1根，月牙格柵用膠皮防護(hù)到位，防止磕碰并綁扎牢固。

4.3.3 格柵安裝

在安裝過(guò)程中，采用腳手架將安裝開(kāi)啟月牙格柵底端的標(biāo)準(zhǔn)件套入主體鋼結(jié)構(gòu)上。再將開(kāi)啟格柵的專用活動(dòng)桿件的一端固定在主體鋼結(jié)構(gòu)上。開(kāi)啟格柵采用150 t履帶吊（34.25～69.8 m）配合進(jìn)行垂直運(yùn)輸至安裝點(diǎn)，人工指揮移動(dòng)在對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)接件上；調(diào)整活動(dòng)桿件長(zhǎng)度和傾角后，通過(guò)專用活動(dòng)桿件與開(kāi)啟月牙格柵進(jìn)行連接。根據(jù)模型圖，調(diào)整每根開(kāi)啟月牙格柵的方向、角度。待月牙格柵完全固定后，取下吊帶，全面對(duì)標(biāo)準(zhǔn)件進(jìn)行滿焊、打磨、噴漆施工。

重復(fù)以上工序，直至完成整個(gè)月牙格柵的安裝。

4.4 清理驗(yàn)收

在打磨噴金屬氟碳漆后，揭開(kāi)鋁板、鋁型材飾面保護(hù)膜清理，自檢合格后組織相關(guān)責(zé)任方進(jìn)行完工驗(yàn)收。

5 結(jié)束語(yǔ)

本論文從施工準(zhǔn)備、鋼結(jié)構(gòu)檢查、測(cè)量放線、轉(zhuǎn)接件安裝、構(gòu)件加工、格柵組裝、格柵安裝、格柵調(diào)整固定、清洗驗(yàn)收等關(guān)鍵工藝步驟，完整的解析復(fù)雜異形雙曲大跨度月牙格柵整體建造技術(shù)。借助此建造技術(shù)有助于解決格柵生產(chǎn)、加工、安裝等技術(shù)難題，提高異形大跨度格柵安裝精度、縮短建造周期、降低建造成本。

參考文獻(xiàn)

［1］ 姚琪. 仿生建筑結(jié)構(gòu)合理性及節(jié)能性研究［D］. 西安：西安科技大學(xué)， 2017.

［2］ 祝玉龍.我國(guó)鋼結(jié)構(gòu)仿生建筑的應(yīng)用與展望［J］.2024，30（2）：165-169.

［3］ 吳諱.復(fù)雜幕墻智能建造技術(shù)［D］.北京.中國(guó)土木工程學(xué)會(huì)總工程師工作委員會(huì)：2021年度學(xué)術(shù)年會(huì)暨首屆總工論壇會(huì)議論文集.2021年.