莫比乌斯环造型幕墙安装技术*

陈 涛,刘 平,任烨军,刘复磊,黄日亮

(1.中国建筑第五工程局有限公司,湖南 长沙 410004; 2.中山盛兴股份有限公司,广东 中山 528412)

0 引言

国内建筑幕墙以1983年兴建的长城饭店为标志,经过30多年的发展,历经行业标准制定、试验研究和实践应用。在技术体系方面,从简单标准化框架体系向装配化(单元化)和多层化方向发展;在制造安装工艺方面,向数字化加工和机械化安装方向发展,已与国际幕墙技术接轨,并进入广泛应用新技术、新材料和新工艺的智能信息化、绿色环保化、工厂装配化个性发展阶段。近年来,建筑师为了追求永恒审美和商业价值,个性化的设计越来越多涌现出来,很多建筑立面采用曲面形式,赋予建筑新的审美情趣和相应功能。但在复杂异形幕墙施工过程中,如何精准定位每根龙骨及确保每件面板安装到位是整个施工方案中需要重点把控落实的一个环节。本文依托虎门TOD项目莫比乌斯环造型幕墙工程,阐述其幕墙安装技术。

1 工程概况

东莞市虎门TOD莫比乌斯环造型幕墙工程位于东莞市虎门高铁站旁,主体结构为钢结构;2层楼面采用钢梁上铺压型板+钢筋+混凝土楼板,结构造型为莫比乌斯环曲线。幕墙面积约 3 600m2,施工高度16.0m,整个幕墙由5大系统组成,分别为首层落地玻璃系统、2层折线玻璃系统、3mm穿孔铝板+TPO柔性防水系统、洽谈区镂空5mm铝板+ 8mm钢化+12A+8mm半钢化+1.52PVB+8mm半钢化超白夹胶玻璃系统、穹顶玻璃8mm+1.15PVB+8mm+12A+8mm钢化夹胶彩釉玻璃幕墙系统。整个项目使用的杆件和面板数量均>10 000件,并且每件规格尺寸不同,定位坐标点>10 000个。现场主体钢结构立面如图1所示,幕墙三维立面效果如图2所示。

图1 现场主体钢结构立面

图2 幕墙三维立面效果

2 三维空间坐标定位难点分析

1)折线玻璃定制直角方钢管精准定位

折线玻璃采用钢铝结合作为主龙骨,钢主梁为定制的450mm×80mm×8mm直角方钢管,安装好后再安装铝型材主梁,根据幕墙节点做法,铝主梁平行于钢主梁,因此折线玻璃系统关键点是对钢方管的精准定位。要准确定位方钢管,首先要定位好其支座,相邻2根钢主梁还存在角度和进出关系,主梁安装完毕后进行80mm×80mm×5mm方钢管横梁安装,横梁安装角度复杂,钢横梁需要通过BIM模型提取长度、两端断面角度等数据在工厂加工好后运至现场进行安装。其中,柱与柱、柱与梁间的对接需利用模型和轴线绘制坐标网,提取出三维坐标值进行精准定位。折线玻璃系统节点如图3所示。

图3 折线玻璃系统节点

钢主梁、钢柱安装时,若为箱形结构,则断面要最大限度地保证管口对口精度,这在操作过程中具有很大难度。本工程有单根跨度约11m钢主梁,上、下2个支座,挠度较大,施工定位难度大,需要设置大量临时支撑胎架减少挠度变形。幕墙施工均为高空作业,采用汽车式起重机进行定位更加难以掌控。

2)穿孔铝板+TPO柔性防水系统方钢管和铝合金圆管及支座三维空间坐标控制

幕墙外形为莫比乌斯环造型,整体以双曲面螺旋上升的形式交汇于穹顶,即折线玻璃系统与3mm厚穿孔铝板+TPO柔性防水系统自2层分别从不同地方开始螺旋上升,2个曲面交汇于穹顶周围。穿孔铝板系统面积为1 300m2,幕墙构造为由200mm×150mm×5mm方钢管主梁+80mm×60mm×4mm方钢管横梁组成的钢底架+0.8mm厚压型钢板+100mm厚、密度为160kg/m3保温岩棉+TPO柔性防水层+双层φ50×4.5铝合金圆管+3mm厚穿孔铝板。整个主体结构曲率不断变化,最终幕墙的完成面也是以不规则曲面形式呈现,因此每个方钢管主龙骨和铝合金圆管精准定位与安装直接决定幕墙最后呈现质量,甚至可能无法合龙收口,安装精度必须保证在3mm以内。穿孔铝板系统节点如图4所示。

图4 穿孔铝板系统节点

为精准控制龙骨定位,在BIM模型中提取钢龙骨与铝合金圆管支座控制点坐标,派2个测量组用全站仪进行打点测量,相互核对和校正数据,每个坐标点均进行3次打点测量,以保证测量点位精准度。

3)穹顶玻璃8mm+1.15PVB+8mm+12A+8mm钢化夹胶彩釉玻璃幕墙系统测量与定位

顶部球面穹顶主体钢结构由400mm×100mm矩形管制作而成,从矩形管制作到定位放线、安装均存在误差。因此,此部位的幕墙龙骨测量放线前还重点对主体钢结构进行偏差查找和分析。项目采取在穹顶正下方找出坐标原点,在坐标原点分别向周围设置几个测量点,然后从BIM模型中提取各钢结构中心线端点、中点和转折点进行打点测量,通过对数据进行分析、误差消化等方法最终确定穹顶龙骨控制线。

4)洽谈区镂空5mm铝板+8mm钢化+12A+8mm半钢化+1.52PVB+8mm半钢化超白夹胶玻璃系统T型钢制作放线与定位

镂空铝板+夹胶中空玻璃系统属于双层幕墙系统,构造节点如图5所示。幕墙构造为T型钢支座+万向支撑杆+T型钢立柱(含φ180×30圆形钢板+φ80实心钢棒焊接形成的转接圆盘,以下简称钢转接圆盘)、斜梁+铝合金龙骨+ (8mm钢化+12A+8mm半钢化+1.52PVB+8mm半钢化)超白夹胶玻璃+铝合金扣线+镂空铝板φ28不锈钢圆管转接件+铝合金转接圆盘+5mm镂空铝板。其中,难点是T型钢和镂空铝板不锈钢圆管转接件的安装定位。为精确控制,需设置1 000多个定位坐标点。由于180mm×80mm T型钢采用直径为180mm、厚30mm转接圆盘相接,如果空间定位此转接圆盘,要求精度非常高且难度巨大,每个圆盘角度均不同,施工时为能精确定位且提高安装效率,将竖向T型钢与钢圆盘提前制作好,制作时需采用全站仪准确将上、下端T型钢焊接在转接圆盘上,形成1根整体钢梁,钢梁吊装到位后,依据图纸开好料的斜向T型钢焊接在竖向主梁钢圆盘转接件上,并确保整个制作和安装精度控制在2mm以内,确保后续铝合金型材与T型钢的相接轮廓线平直、顺滑,保证外观效果。

3 复杂龙骨精确定位与安装技术

幕墙龙骨是在主体钢结构上通过支座固定,按幕墙平面风格布置莫比乌斯带为三维空间扭曲的面,每个坐标点均不同,需要采用三维空间坐标测量定位技术。

为确保工程顺利施工,施工过程中技术人员采用三维激光扫描技术和实时三维空间测量定位技术,在计算机技术帮助下进行辅助测量和纠偏。首先,采用三维激光扫描仪对整个主体钢结构进行3D扫描,得出轮廓关键点数据与模型进行比对,误差大的进行纠偏;其次,技术人员根据BIM模型提取每个控制点坐标,然后在施工现场建立测量坐标系,即通过原点坐标,在建筑四周上方等位置引出观测点;然后在测量坐标系中导入建筑模型坐标参数,得出每个关键节点实际坐标位置。三维空间坐标测量定位技术主要测量工具为全站仪,BIM模型提供的坐标是核心。实时三维测量定位技术在复杂空间扭曲面幕墙施工过程中具有以下优点。

1)可应用于各种复杂杆件测量且操作便捷,只需在虚拟坐标系中输入相应的建筑模型坐标参数即可,可进一步简化复杂测量过程。同时,在测量时需利用全站仪保证测量精度,使测量效率大大提升。

2)三维测量定位技术在应用过程中适应性强,且所需配套设备成本较低,降低了建筑施工企业额外施工成本。

3)自动化与智能化程度高。因全站仪在测量过程中能够实现对数据的自动计算并存储测量结果,可进一步减少测量人员工作量,操作简便。

实时三维测量定位技术应用过程如下。

1)第1步:建立控制网 技术人员需在计算机软件Rhinoceros(犀牛)中建立虚拟测量空间,形成各幕墙系统定位模型图,同时提取定位点坐标,然后利用坐标定位法进行测量。

2)第2步:现场实测 为提高测量速度与精度,施工人员在安装龙骨前需详细熟读施工图纸,了解各幕墙系统定位模型图特点(见图6～10),针对每个系统特点制订特定测量方案。由于本工程的所有杆件和面板均唯一,因此所有杆件和面板均进行标记编号并存储,在此基础上利用三维模拟测量技术进行现场实测。具体操作为:在计算机软件模拟空间中计算具体坐标值,将数据存储至全站仪,在实际操作时工作人员只需调出相应编号即可。同时,在安装时需施工人员配合技术人员进行具体控制点位确认和固定,在固定控制点位过程中需借助临时辅助措施,确保控制点精确性,误差在 ±2mm 内,为幕墙主龙骨安装打好坚实基础。

图6 穿孔铝板系统主钢龙骨定位模型

图7 穿孔铝板系统铝圆管龙骨定位模型

图8 镂空铝板系统铝圆管龙骨定位模型

图9 穹顶玻璃系统主钢龙骨定位模型

图10 天沟系统主钢龙骨定位模型

通过实际操作,在三维空间测量定位技术的支持下,各种复杂异形曲面造型幕墙安装都可有效提高定位精度,确保施工效率和质量。

4 镂空铝板+夹胶中空玻璃系统的T型钢杆件预拼装定位与安装技术

依据方案和设计模型(见图11),镂空铝板+夹胶中空玻璃的竖向T型钢可在工厂与钢转接圆盘进行预拼装。

图11 镂空铝板+夹胶中空玻璃模型

镂空铝板+夹胶中空玻璃属于双层幕墙系统,里面是玻璃幕墙,外面是镂空铝板金属。幕墙厚度达800mm,并且两系统共用T型钢龙骨,因此首先应考虑T型钢精度控制。T型钢作为钢结构主受力龙骨,同时也作为内玻璃幕墙直接主龙骨,主、次龙骨通过钢转接圆盘连接形成米字形拼接造型(见图12),垂直度和米字角度均要求精度高,误差>3mm,铝合金与T型钢轮廓线会有进出偏差,外观会受到影响,无法达到设计效果要求,同时,本工程弧度均由折线平板实现,因此角度的控制成为曲面过渡是否平顺的关键。由于此系统区域为室内进人尺度区域,外观效果要求高。另外,如果T型钢左右偏差过大,外镂空铝板幕墙分格及缝隙无法满足设计要求,因此,系统重点是T型钢精度控制及φ28不锈钢圆管精确定位。

整个系统安装工序流程为:首先是T型钢支座安装,然后安装竖向T型钢立柱(含φ180×30圆形钢板+φ80实心钢棒焊接形成的转接圆盘),调整到位后安装斜向T型钢,安装完成后的T型钢会形成米字形拼缝造型,加固完成后安装铝合金龙骨,然后安装 (8mm钢化+12A+8mm半钢化+1.52PVB+8mm半钢化)超白夹胶玻璃+铝合金扣线+镂空铝板φ28不锈钢圆管转接件+铝合金转接圆盘+5mm镂空铝板。

5 结语

通过对复杂异形幕墙龙骨精准定位与安装技术的深入探讨,结论如下。

1)现场采用类似莫比乌斯造型的曲线幕墙和球面穹顶的三维空间坐标测量定位技术,最大点位数据误差为3mm,板块缝隙误差3mm,现场安装可有效提高定位精度、施工效率和质量水平。

2)针对空间通过转接圆盘拼接的杆件,采用竖向杆件预拼装方法,经过现场安装和实测数据可很好地解决空间拼接的龙骨问题,该方法具有实际施工的可行性和可操作性。