地下大型交通枢纽“费马螺旋”异形吊顶施工技术

万兆迁 赵海平 邵 兵 夏志威

1 工程概况

深圳市岗厦北城市综合交通枢纽工程（以下简称“岗厦北枢纽”）位于深南大道与彩田路交叉口处，为地铁2、10、11、14 号线四线换乘、市政过街、商业、常规公交接驳、出租及社会车辆接驳的综合交通枢纽。共地下三层结构，其中地下一层为四线换乘站厅层，地下二层为11、14 号线站台层，地下三层为10 号线站台层。总建筑面积约23.5 万m2。站厅层中板设计长70.25 m、宽36.8 m，为下沉空间，形成贯穿站厅层和站台层的2 层通高共享空间，是站厅层通往站台层的主要通道，中庭共享空间吊顶的高度为12.8 m，站厅层空间吊顶高度为7.12 m。站厅公共区顶板中心位置为直径12 m的自然采光天井。

采用费马螺旋（Fermat's Spiral）数学原理异型吊顶位于城轨区站厅层公共区，南北跨度达185 m，东西跨度达196 m，面积约2.2 万 m2，方通数量约6 万 m。以核心区采光天窗中心点为天花造型基点，采用白色铝合金单曲方通60 mm×120 mm×1.5 mm 和直通60 mm×120 mm×1.2 mm，通过控制费马螺旋线曲率，由射线及正反曲线交汇所形成的类三角形，通过2 次加密，由小变大，再由大变小的异形吊顶。这样的造型呈现出由里向外的生长趋势，使得空间充满蓬勃生机。

2 工程重难点分析

2.1 顶部结构复杂、转换层及龙骨布设难度大

顶板为钢混结构，钢箱梁规格较大且不能焊接、顶部管线密集，分布大型风管、消防水及桥架等，且3 个方向的方通龙骨均为独立重叠设置，转换层及龙骨布设难度大、安装空间影响较大。

2.2 吊顶造型拼装定位难度大、拼装质量要求高、材料管理难度大

吊顶3 个方向的型材方通，射线方向直方通为通长设置，2 个曲线方向的曲方通在直方通处断开设置，直接斜拼，通过控制费马螺旋线曲率，以几何级数递增外扩，每圈之间的曲方通曲率、长度均不同，拼装定位难度大，拼装质量要求非常高。吊顶构部件规格众多，方通约6 万 m，约30000 根方通，材料管理难度大。

3 工程重难点解决措施

3.1 深化设计

基于BIM 技术的平台，贯彻“BIM+”设计优化理念，应用参数化设计思路，实现方案优化、虚拟建模、模块化设计等内容[1]。通过对原始设计方案智能优化，降低施工难度，实现设计方案的可操作性：通过对比构件模型，选取最优方案。通过基于BIM 的双曲面参数化拟合等分析，对预制构件进行深度拆分，完成设计方案优化。通过BIM 模拟建造过程，利用精细化模型指导施工，提前发现问题，保证施工顺利进行。

3.1.1 采用“费马螺旋”异形方通吊顶优化

应用BIM 技术，统一规格、化整为零，通过方案比选、样板打造对原始设计方案进行优化，实现构件模块化和标准化，为后续材料下单、批量生产、装配式安装提供最大化的技术支撑。通过BIM 模型多次进行曲直两种方通交界处的虚拟建造、实体打样，前后经过多次方案的推敲对比，不断优化，创新性的提出了“米字节”方案，改变原方通斜拼方案，在曲直方通交接处，单独加工成米字节作为连接单元，便于工厂预制米字节构件生产和现场装配式组装，极大提升构件精度，极大降低现场拼装难度。米字节具有易模块化、易加工、易安装等优点，有效解决以下4 个方面问题：第1，解决现场工人施工的拼装难度问题；第2，解决不同方位的方通拼接角度控制问题；第3，解决现场铝方通的顺滑度控制问题；第4，解决现场铝方通间的缝隙控制问题。

3.1.2 转换层及龙骨优化

原方案吊顶面层通过井字型钢架转换层和3 层隐藏式龙骨与结构顶板连接，3 层隐蔽式龙骨走向与面层铝材走向相同。通过结构、机电安装、装修吊顶BIM 模型之间碰撞，经过多次方案讨论，结合“米字节”方通安装方案，最终确定，以深圳之眼为原点，沿着射线铝方通方向布置转换层龙骨，将转换层由井字型优化成射线型。

根据转换层布设特点，转换层环向（切线方向）对应米字节中心点布置吊顶龙骨，米字节通过吊杆进行连接，将原设计方案沿3 个方向铝方通布设的3 层龙骨龙优化为单层龙骨，经计算，满足受力要求。通过优化，解决了在复杂结构和管线条件下，准确、高效的完成吊杆定位和安装，直接达到隐藏龙骨效果，节约材料的同时，实现效果最优。

3.2 智能物料管理

施工前通过排板建模，利用 BIM技术形成各种构部件的下料清单，自动生成规格型号加工图，并按照部位进行编号，解决了上千种规格型号带来的加工和安装难题。同时在模型属性中为每个管理对象设置唯一编码，方便后续的管理与维护；导出包含唯一编码的材料清单，上传到平台上，自动生成二维码标签（包含唯一编码、材料名称、规格、数量等信息）；将二维码标签发给材料加工商，形成构部件的全流程智能管理。实行编号系统采用相同的英文字母，通过英文字母后添加数字，保证编码的唯一性。通过各构件唯一的二维码标签进行物料跟踪，实现装配式构件现场准确定位安装。

3.3 采用人工智能机器人辅助作业

首先通过三维激光扫描，采集实际施工过程数据，与BIM 技术结合进行多算对比，在建造过程中形成全面监督和及时反馈；然后应用BIM 技术，对场地、实体模型进行统筹，对安装设备进行指导，完成精准施工、智能评判，从而提高工程效率和质量；最后采用放线机器人对施工现场进行精准定位放线。

3.4 吊顶空间高，跨度大

站厅层中板设计长70.25 m、宽36.8 m 下沉空间，形成贯穿站厅层和站台层的2 层通高共享空间，是站厅层通往站台层的主要通道，中庭共享空间吊顶高度为12.8 m，顶板结构高度为16.4 m，高空作业施工安全措施难度大。

若搭设传统满堂脚手架平台进行安装，需要的架体材料量大，长期占用场地，对此区域地面、墙面等其他工作内容进度影响较大，总体工期压力大[2]。根据装配式安装优势和安装空间特点，采用高空作业车等轻便灵活的设施进行吊顶施工。

4 施工工艺流程及操作要点

4.1 施工工艺流程

施工工艺流程的具体步骤为：现场三维数据采集—可视化BIM 放样—转换层钢架安装—吊顶龙骨安装—异型天花方通安装。

4.2 操作要点

4.2.1 现场三维数据采集

基于控制测量成果以及施工现场的通视和三维激光扫描仪的覆盖情况，布设不同的测站以实现对轨道工程区域的三维激光点云数据的获取，提高点云数据采集的完整度，使用三维激光扫描仪在工程施工区域内采用后视定向或后方交会设站，对仪器进行一些参数的设计，设置扫描等级，便可对目标物体进行表面三维数据采集，可在复杂空间、危险目标或人员难以企及的环境下对结构表面进行360°全方位扫描[3]。

根据现场采集点云数据导出点云文件，点云文件基于专业软件处理，将所有单个扫描站点数据导入专业软件，通过每个站点之间重叠部分进行拼接，合并成一个整体点云，使其位于同一坐标系内，由于三维激光扫描的过程之中，扫描速度、设备精度、被测物体的表面情况等都会对测量数据造成影响，使得到的数据可能带有很多离散点和小振幅噪声，这些噪声必然会影响重建后模型的质量。那么在信号使用前，对点云数据去噪光顺处理是很有必要的，这一过程可以提高信噪比。完成对点云噪点删除、残余区域裁剪，导出多格式点云文件，供其他软件进行应用。

4.2.2 可视化BIM放样

可视化BIM 放样应按照以下4 个步骤：第1，从BIM 模型中设置现场控制点坐标和建筑物结构点坐标分量作为BIM 模型复合对比依据，在BIM模型中创建放样控制点；第2，在BIM 模型与三维扫描逆向建模对比优化后的BIM 模型中，设置吊顶支吊架点位布置，并将所有的放样点导入软件中；第3，进入现场，使用BIM 放样机器人对现场放样控制点进行数据采集，即刻定位放样机器人的现场坐标；第4，通过平板电脑选取BIM 模型中所需放样点，指挥机器人发射红外激光自动照准现实点位，实现“所见点即所得”，从而将BIM 模型精确的反应到施工现场。通过放样机器人，高效、准确的完成放样工作，提高了作业人员的作业效率[4]。

4.2.3 转换层钢架安装

由于中庭大跨土建钢结构不允许动焊及打孔，故转换层吊杆只能与钢筋混凝土顶板通过后置螺栓的方式进行连接，为保证转换层吊杆垂直安装，转换层吊杆点位须避让土建钢结构以及安装单位管道。经计算，主龙骨间距（分格宽度）约在1000 mm，最大间距达到2000 mm，按2000 mm 计算；吊杆间距按1500 mm 布置。以核心区采光天窗中心点，按照射线方通布设位置，进行转换层角钢布设[5]。

采用50 mm×50 mm×5 mm 镀锌角钢角码钻孔，通过M12 不锈钢扩底螺栓与顶板连接；转换层吊杆则可采用50 mm×50 mm×5 mm 镀锌角钢，长度大于1.5 m 时增加镀锌角钢反支撑，转换层吊杆与顶板角码、转换层主龙骨连接均采用M10 螺栓。

4.2.4 吊顶龙骨安装

角钢转换层安装完成后，在核心区采光天窗中心点以圆形方式往四周发散布设，以与中心圆相切方向按照图纸排版尺寸进行龙骨安装。龙骨采用41 mm×41 mm×3 mm 镀锌C 型钢，龙骨间距根据图示分析得出间距（分格高度）在约910 mm，最不利情况为2000 mm。天花龙骨与转换层连接方式为龙骨在转换层角钢主龙骨上呈十字交叉状态，用特制U 型抱箍固定件通过M10 螺栓与角钢进行连接固定。

4.2.5 异形天花方通安装

以天眼圆心平均分成8 个相等扇形区域进行安装控制，在每个扇形区域施工中严格控制安装缝隙的误差，除每一榀安装过程控制外，在1/8 扇形区域安装完成时，使用三维放线机器人对该区域再次进行尺寸复核，若存在误差，在该扇形区域最后一榀时进行最后的调整，确保1/8 扇形区域每一个起始圈与结束圈的安装误差减至最小。

根据装配式安装优势和安装空间特点，采用曲臂车、剪叉式登高车、移动操作平台等轻便灵活的设施进行构部件的安装。

首先将米字节（转接件）与驳码固定，然后将铝方通通过驳码与米字节相连，调整好位置后用端头固定件将方通与米字节固定，最后依次将其他铝方通按照上述方式连接固定即可。因每圈层的“米字节”及弧形方通仅存在角度和弧形半径上的细微差别，目测无法正确辨别出安装位置，实施过程中厂家对应物资编码严格复核检查，操作人员使用时交底清晰，严格按照图纸排版编号进行方通及米字节的安装，避免因个别方通及米字节安装位置不对造成大面积的弧度错误，影响进度。

米字节与变形缝。室内吊顶方通构件会因温度和湿度等因素的变化而产生胀缩变形。本工程吊顶铝方通的变形缝为伸缩缝。变形缝设置在米字节中间腰部，缝宽10 mm。变形缝大小与方通和米字节的造型凹槽相似，有机融入吊顶整体造型，无损吊顶外观视觉效果。

5 结语

岗厦北综合交通枢纽城轨区“费马螺旋”异型吊顶，基于BIM 技术，采用人工智能机器人辅助作业，成功解决了超大超高且复杂的异形吊顶优化、安装等难点，提升施工效率和施工质量，最大化还原了设计效果，为室内大跨度、高空间的吊顶装饰装修施工提供了有利的探索及参考。吊顶安装完成效果如图1 所示。

图1 “费马螺旋”异形吊顶实景图（来源：作者自摄）