景观铝合金云巢结构施工技术

2021-11-05马娟

建筑施工 2021年7期

马娟

上海园林绿化建设有限公司上海 200333

现代景观建筑物造型日趋复杂奇特，异形建筑物常选用金属结构[1]。金属结构具有造型轻盈、金属用量小、投影面积大、结构体系复杂等特点。传统金属结构建造技术采用现场拼接安装，存在措施费用高、建造过程复杂、施工周期长等问题，亟待改进。

本文以2019年北京世园会上海展园铝合金云巢为背景，针对性地介绍了铝合金云巢结构的高精度拼装快速施工技术，旨在研究和总结一套金属结构高精度快速拼装建造工艺，为今后大型绿地金属景观建筑物施工提供拼装技术范本，也为行业沉淀和固化技术作出一定的贡献。

1 工程概况

2019年北京世界园艺博览会园区位于北京市延庆区妫水河沿岸，总面积960 hm2，上海展园位于围栏区南侧，靠近南部入口处的中华园艺展示区华东组团C30地块，总面积为2 850 m2。

上海展园以“祥云园”为主题，通过景观园艺的手段表达“祥云献瑞，雨润万物”的愿景。上海园的东侧一角设置1座铝合金景观建筑物云巢，占地面积大约270 m2，长约22 m、宽约21 m、高约8.6 m，整个云巢由弧形的钢结构作为骨架，内部形成一个无柱的大型空间，构架表皮采用六边形轻质铝合金构件覆盖。由于表皮构件的疏密叠加，从园中不同视角望去，展现出如天上流云一般的变幻效果，形成云的意象（图1）。

图1 2019年北京世园会上海园实景

2 工程重、难点分析

2.1 节点、杆件数量巨大，安装工作量巨大

计算模型节点数10 206个，杆件数量20 016根，屋面板数量394块。本项目预埋件209个，网壳结构节点板1 016块，其连接锚栓超过48 768个，六边形和立柱铝合金连接件13 564个，不锈钢连接件2 502个，连接螺栓182 784个。编码和安装过程将耗费技术人员大量精力，且需调整时易发生错误。

2.2 杆件截面短而小，安装空间极其狭小

壳体杆件大部分长度在1 m左右，小的只有30 cm左右，六边形网格边长为500 mm，高度为666 mm。高空作业，安装受限。

2.3 多专业协同配合施工

本工程是多专业协同配合的综合性工程，除与土建结构施工配合外，与灯光安装、室内景观等配合时，均要求有合理科学的技术措施加以保证。

3 铝合金云巢结构的设计

3.1 设计精度保证

本工程针对造型复杂的景观建筑物设计精度低的难题，创新研发了运用Rhino与Grasshopper计算机软件平台：首先，通过平面六边形网格定位确定各个顶点与形心点，根据实际使用功能高度确定造型整体框架；其次，在多层六边形网格体现中，根据漂浮之云的概念，在模型空间限定云的基本边界轮廓；最后，通过设定六边形空间框架与云边界的结合关系，运用遗传算法，由软件核算出最佳外轮廓形状。

3.2 利用参数化设计编码

参数化设计是将工程本身编写为函数的过程，通过修改初始条件并经计算机计算得到工程结果的设计过程，实现设计过程的自动化。本工程的每个零件和每个结构弧度都不一样，由国内技术先进的厂家按照编码定位进行预制后，进场精准装配，用在景观园林上还属创新尝试。为保证十余万零部件连接可靠性，采用先进快速的锚固手段——Huck气压拉铆螺栓。

3.3 选材时减轻景观建筑物质量

本工程针对框架结构的稳定性和质量重的技术难题，采用铝合金材料作为建筑物的框架，利用铝合金材料质轻且柔软、强度好、耐蚀性能好、加工性能好、可回收利用等优点，确保云巢的景观性能，且符合本次世园会的可持续发展要求。

3.4 云巢结构特点

云巢上部结构采用全铝合金结构，其中椭球面部分采用单层网壳结构，杆件采用工字型钢截面150 mm×100 mm×8 mm×10 mm，其余各层结构采用铝合金六边形网格梁加立柱结构体系，网格梁截面尺寸为B30 m×80 mm×6 mm，立柱截面为边长80 mm等边三角形，上部各层结构的大部分区域支撑于下部椭球面单层网壳结构之上，其余部分支撑于下部混凝土基础结构上，支座均采用铰接支座。椭球面网壳结构下部支撑于混凝土基础顶面，支座采用刚接连接。椭球面结构顶部区域布置屋面板，其余结构均为镂空构架，无覆盖材料（图2）。

图2 云巢单层壳体结构和六边形及立柱结构

4 施工技术要点

4.1 精确加工

本工程设计的穹顶网壳结构及其节点，其结构的曲线变化处理均在节点板上考虑，同时多层六边形结构杆件、节点数量众多，节点构造复杂，因此节点的加工精度应严格控制，这也是本工程质量控制的难点。整个构件加工可分割为五个步骤。为确保加工精度和提高生产能力，选用精度高的数控车床和立式多轴加工中心，并配备质量过关的进口刀具。

4.2 预埋件施工

在土建基础及云巢结构施工前即引入结构预埋件的作业，保证预埋件及时准确的定位安装，是后续整体工程顺利施工的重点。精确的定位测量放线是本工程施工成功的前提保证。施工时采用全站仪、水准仪等进行测量。

现场要用全站仪严格控制埋件的设计精度。位置确定后采用固定支架把预埋件与基础钢筋固定牢固，确保基础浇筑混凝土时预埋件不发生移位。为防止混凝土结构施工对埋件位置造成影响，对埋件进行临时刚性支撑固定。

1）混凝土浇筑前再次复核埋件坐标，确保埋件位置的准确性（每个埋件在不同的施工阶段将复测3～5次）。

2）浇捣混凝土时，埋件施工人员、测量人员不间断地现场观测，用红外线全站仪直接对准埋件定位点进行复核，如出现问题立即采取相应措施进行调整。

4.3 壳体结构施工

1）按施工图测量相应的预埋件，将工厂制作好的铝合金杆件、节点从壳体结构的支座处开始安装，同步搭设脚手架。

2）从壳体结构采光顶开始安装，穹顶安装合拢后固定采光顶支座，然后安装采光板，再安装云巢立杆连接件。脚手架根据云巢的搭设方向逐步后退，边搭边拆，脚手架总高度搭至9 m，基本负载以人员操作为主，无堆载。

3）壳体结构施工时在室内搭设盘扣式脚手架，杆件从支座开始逐步往上施工，主体施工完成后再施工3个通道处的壳体结构。网壳结构杆件之间采用盘式节点，安装时应对照图纸确认杆件、节点板的类型与规格准确无误，确认锁紧螺栓的类型和数量准确无误，使用Huck气压拉铆螺栓，检查螺栓尾部是否全部脱落，确认锁扣可靠（图3）。

图3 网壳结构杆件连接节点构造

4.4 立柱及六边形网格梁施工

1）壳体结构主体封顶后开始施工立柱及六边形网格梁，从中心点开始向各个方向往外推进。

2）具体步骤为：先放样立柱位置，临时固定立柱，然后安装此立柱上所有各层节点板，最后逐层安装六边形网格梁。完成第一个六边形结构后，先往外安装一层六边形网格梁，再插立柱并临时固定，然后安装剩余各层六边形网格梁，以此类推完成整个结构的安装。

3）三角形立柱与六边形横梁之间的连接是本项目节点设计的一大难点，设计时采用立柱贯通，横梁与立柱之间采用铝合金节点板连接，节点板之间在3个方向分别设置竖向铝合金固定件，铝合金固定件与立柱之间采用不锈钢螺栓连接（图4）。

图4 立柱与六边形横梁之间连接构造

4）从纵轴线往两侧搭设，搭设时用全站仪加以监测，三角型材与埋件先作暂时固定，搭至6层后才能最终固定，确保有调节施工误差的余地。总拼装完成后，应该检查网壳曲面形状的安装误差，最大允许误差应不大于直径的1/3 500或±35 mm。确认安装偏差符合要求之后，方可拆除安装支架。

4.5 覆盖材料、收边施工

六边形网格梁及立柱结构安装完毕后，在椭球面结构顶部区域布置屋面板，屋面板数量394块，其余结构均为镂空构架，无覆盖材料。屋面板采用厚8 mm的亚克力板作为覆盖材料，并用硅酮密封胶和泡沫棒密封，最后门洞采用铝合金板材收边。

4.6 入口通道增加铝板、内部滴灌栽培保绿

1）现场所有结构已经安装完成，但为了提升云巢整体效果，在三个通道内表面增加三角铝板，并在铝板内做垂直绿化。

2）云巢的内部悬吊花球，运用滴管栽培的生物技术将科技与植物相融合，从而凸显了植物风貌与科技融合的空间感。

3）云洞的投影范围内有一处水面上的绿岛，上面种植修竹穿云而出，形成相互穿插的形态，配合土建小品、灯光布置、音乐环绕和植物配置等，最终将云巢打造得像一座科创之城（图5）。

图5 云巢施工成品效果

5 结语

创新应用景观铝合金云巢结构进行现场拼装施工，并在施工过程中解决了铝合金云巢结构体系复杂、节点多的问题，施工便利、安全可靠、质量有保障，大大降低了深化人员和现场拼装人员的工作量，缩短了施工工期。最终，上海园摘得AIPH大奖和组委会大奖，室内展区获组委会特等奖。景观铝合金云巢施工技术，可为今后类似项目提供很好的借鉴价值。