异型造型建筑圆弧形屋面幕墙施工技术研究与应用

王兴华，黄庆祥，刘云刚，郭增强，王少华

（中建深圳装饰有限公司，广东 深圳 518003）

1 引言

航空轮胎大科学中心项目位于广州市开发区花莞高速以南、永龙大道以东。该项目以航空轮胎动力学大科学装置为核心，建设与之配套的航空轮胎博物馆、硬核科技中心。项目规划总占地面积25 267.33 m2，总建筑面积38 097.76 m2，最高楼高约70 m。项目建成后将作为世界一流水平的航空轮胎研发与创新基地，主要开展新型弹性材料设计开发、颠覆性智能弹性体材料、弹性体复合材料界面科学、航空轮胎前沿理论、轮胎数字孪生、轮胎动力学试验等相关研究工作，解决我国航空轮胎“卡脖子”问题。

2 工程概况

大科学装置单体作为航空轮胎整个项目的驱动核心，其建筑面积约9 714.32 m2，竖向轮胎建筑高度为52 m，水平方向轮胎高度为23.45 m，主要外立面幕墙包含1.0 mm 铝镁锰直立锁边金属屋面+15 mm 蜂窝铝板装饰幕墙系统、采光顶玻璃幕墙、2 mm 厚防水铝板+15 mm 蜂窝铝板装饰幕墙、墙面15 mm 蜂窝铝板幕墙（打胶）+室内铝板幕墙、墙面玻璃幕墙等。

3 工程重难点、研究的方法

3.1 造型新颖，立面复杂

该项目造型独特，幕墙外立面复杂。大科学装置采用水平及竖向两个轮胎拼接的特殊造型；该造型使幕墙外立面复杂，面板存在大量单曲和双曲面板，部分面板具有唯一性[1]。

主体为钢结构，存在施工误差，为达到复杂的外立面造型要求，就要确保BIM 模型的准确性、现场测量放线数据的准确性、定尺下单及加工的准确性以及现场安装偏差控制的有效性。

3.2 钢结构距离幕墙完成面距离大

大科学装置横向轮胎主体钢结构顶部标高为20 m（横向轮胎幕墙完成面标高为23.45 m），幕墙完成面与主体之间高差3.45 m；竖向轮胎主体钢结构顶部标高为49.2 m（竖向轮胎幕墙完成面标高为52 m），竖向侧面悬挑及环向悬挑最大距离达到2.8 m，幕墙找形难度大。

3.3 构造层次多，施工难度大

大科学装置横竖向轮胎屋面幕墙系统采用直立锁边系统+15 mm 开放式蜂窝铝板系统；系统构造层复杂，材料种类多，主要幕墙系统为支撑体系+钢网壳+防水板龙骨+保温棉+防水板+蜂窝铝板龙骨+蜂窝铝板共7 层，每道工序都要使用高空车配合吊车安装，高空作业时间长，工人效率低，严重制约项目如期完成。

4 施工工艺流程、研究的过程

4.1 BIM 技术保驾护航

大科学装置双轮胎造型独特新颖，给幕墙的设计、施工带来了极大的难度。具体包括以下几方面：（1）建筑造型为模拟轮胎造型，致使幕墙立面存在大量双曲面且进出连接位置较多；（2）建筑主体为方正的钢结构，整个建筑外轮廓均由幕墙系统找形，这就导致幕墙从内到外的面板体系材料、龙骨体系材料等繁多复杂；（3）现场钢结构偏差较大，最大达到10 cm 以上，给幕墙的下单、加工及安装带来很大困难。

为了有效解决异型新颖的建筑造型、复杂的幕墙系统及建筑结构偏差，经过研究讨论决定采用BIM 技术进行项目设计下单及材料加工，配合现场施工。施工流程如下：

根据建筑设计提供的三维模型进行幕墙BIM 模型设计→现场结构测量放线反尺→幕墙BIM 模型检测碰撞→根据检测结果调整幕墙外立面模型→设计材料编号及表达方式→分批导出料单及加工图→材料编号下单生产→按编号进行加工组装运输→现场根据材料编号及BIM 导出布置图安装。

通过BIM 设计施工，有效提高设计水平、加工精度，提高生产、安装质量，有效缩短项目整体施工周期。

4.2 增加次钢结构体系找型

大科学装置主体结构为近方正钢结构，横向轮胎幕墙完成面与主体之间高差3.45 m，竖向主体钢结构距离幕墙完成面最大距离达到2.8 m，为了在主体结构基础上达到幕墙完成面呈现的轮胎建筑造型，在幕墙体系与主体钢构体系间加设次钢龙骨体系（见图2），达到找形目的的同时使建筑整体受力体系更加合理[2]。

图2 次钢结构找型体系

此体系钢材用量为357.2 t，总钢材杆件数量9 660 根。采用常规幕墙龙骨做法散件安装，存在以下难点及问题。

1）放线精度、放线效率要求高：造型复杂且为连续环形曲面幕墙，所以放线定位精度要求非常高，误差不能超过2 cm。

2）安装精度控制要求高：环形轮胎造型致使每个环向曲面位置的标高必须保持一致，否则会出现面板扭曲不平整、胶缝不齐等外观缺陷。

3）钢材出厂运输及焊接都可能产生变形，上墙后需要花费大量人力去修复调直，且操作难度大。

4）措施利用率低、安全隐患大：施工工序多，每道工序都要依靠高空车和吊车完成，安全隐患大，措施费用高。

5）不利于工期实现：此方法无法快速建造，必须前道工序完成后才可进行下道工序施工，抢工没有工作面。

为了解决上述难题，研究决定采用次钢龙骨装配式吊装方案。

4.3 装配式安装解决钢结构难题

4.3.1 装配式安装次钢结构总则

次钢结构体系采用地面拼接整体吊装的装配式施工做法。所有龙骨都在地面集中加工组装成单元榀，采用汽车吊整体吊装，大大提高了加工和安装效率，同时降低了安全隐患，提高了设施和人工利用率。在加工区派专人焊接组装钢框架，质检检测变形量，不合格的在地面直接调直，在地面直接解决钢材焊接变形问题，保证整体安装精度。

考虑本项目钢网壳体系及幕墙钢龙骨情况，装配式安装龙骨系统分为支座桁架体系+钢网壳体系+幕墙钢龙骨体系3 层装配体系。

支座体系设计上需满足强度要求（考虑Q325 或Q355 钢材）；切割焊接误差控制在5 mm 以内；安装定位准确、安装精度要求高。龙骨截面大、刚度高、分榀尺寸大；吊装安装注意吊点设置及焊接强度，并及时满焊。龙骨截面较小、分榀尺寸不宜过大；吊装过程需加焊临时加强杆件支撑；最外侧幕墙龙骨，安装定位需准确，部分位置通过支腿吸收上层安装误差。

4.3.2 施工工艺流程

施工工艺流程如图3 所示。

图3 施工工艺流程

4.3.3 操作要点

1）设计分榀

设计分榀原则：（1）单榀最长边尺寸小于15m；（2）单榀质量小于4 t；（3）模数化、规律性。

2）测量放线

首先利用3D 扫描仪对基层结构进行扫描，然后结合扫描结果进行BIM 建模，通过BIM 模型与幕墙图纸对比后调整图纸尺寸，确保图纸与现场主体结构匹配。

深化设计及放样：现场二次放线后重新返尺，将尺寸返回给深化设计师进行造型精准建模，使用BIM 技术将整个造型建立准确的数据模型，确定出骨架分块尺寸以便返给现场进行加工。

3）造型胎架制作

根据测量放线反馈数据，结合模型造型划分胎架种类，平面钢架仅放置在平面胎架上，进行平面测距布置钢件即可；弧形造型位置需定尺制作1 ∶1 特型胎架，在1 ∶1 特型胎架上进行放线定位放置构件。

根据造型尺寸，50 mm×50 mm 钢方通焊接定制造型钢结构造型胎架。

4）成榀钢架组装

根据点位将钢构件布置在胎架上，点焊拼接固定组装完成后，翻面进行另面焊接并验收焊缝，焊缝进行要防腐处理，将成榀骨架吊运安装区。

4.3.4 成榀钢架吊装

每榀设置多个吊点，吊装人员、安装人员、放线人员配备对讲机，吊至安装位置后根据放线人员放线控制进行微调，调整到位后进行点焊固定。满焊完成吊装。

5 结语

航空轮胎大科学中心项目幕墙大科学装置异型造型建筑圆弧形屋面幕墙的实施，为行业场馆类钢结构主体异型外幕墙施工技术研究进行了有益的探索，满足行业和社会发展的需要，代表了先进施工水平，具有较好的推广效益。本项目整体采用装配式吊装的方法进行施工，与传统方法对比具有以下优点。

1）安全性对比分析：常规做法是切割成多段零散钢材然后转运到脚手架上进行施工，零散配件容易造成高空坠物，先在地面焊接成一个整体，既方便转运，又可以很好地避免高空坠物，从而保证安全。因本项目为异型造型，散装构件在高空定位复杂，在下面拼装成品则化难为易，在地面进行放线拼装，降低施工难度。减少在脚手架/高空车上焊接作业，主要焊接拼接均在地面进行，降低了火灾风险。

2）工期对比分析：将次钢龙骨在加工区进行提前预制，待结构移交后，便可直接进行吊装安装，节省在墙面的作业时间，从而缩短了工期，且地面拼装效率比在高处作业拼装效率高很多。

3）成本对比分析：人工拼焊安装效率提高2 ～3 倍，脚手架高空车等措施费用节省20%，材料损耗减少约30%。

为了更好地推广装配式施工及促进装配式吊装施工的发展，首先确定装配式施工方案，确保装配式方案尽早落地；与吊装设备厂家提前沟通，勘察场地，根据单榀质量选用合适的设备进场，安排好流水施工，充分利用好吊装设备；若考虑现场加工组装则尽可能多地考虑堆放及加工周转机具站位场地；尽量减少钢材折线拼焊作业，尽量采用拉弯成品钢材；预判切材加工、拼焊、吊装、满焊环节的施工人员的合理比例，以保证每榀各项工作时长，顺畅进行流水作业，避免某个环节窝工。本项目实施阶段合理人工比例约为1 ∶3 ∶3 ∶4，拼焊及满焊人员短时阶段考虑充沛。合理划分单榀吊装尺寸，单榀尺寸过大吊装频率小、单榀吊装量大，但是易变形、调整安装周期长、降低安全性、安装误差增大；尺寸过小易调整安装但吊装频次过大，降低了装配式安装的效率。建议一般幕墙钢网架龙骨控制在3 t 左右、80 m2以内；班组的选择尽量考虑有过装配式吊装施工经验的班组，班组必须配备全站仪及专门测量放线人员。