桔型大弧度幕墙安装施工技术

2024-01-02原冠初

广东土木与建筑 2023年12期

原冠初

（广州机施建设集团有限公司广州 510725）

0 引言

在体育馆幕墙施工过程中，不可避免需要搭设操作平台进行安装作业。相较于传统满堂脚手架，高空吊架平台具有成本、工期优势，能实现上下同时作业，因此，在工期紧张的项目中，常常偏向于采用高空平台。本文对桔型大弧度幕墙的深化设计、加工制作、安装施工等全过程进行研究，为满足工程安全和质量，完成工期节点，提出三维模拟优化加工、利用钢结构主桁架搭设的高空吊架平台的技术和方法。

1 项目背景

1.1 国内外研究现状

传统幕墙施工准备及施工过程大致为：①根据项目的实际情况完成幕墙施工图的深化工作；②通过技术交底和材料准备等做好施工前的准备；③施工操作平台与施工作业条件和施工作业人员的准备；④按现场条件进行施工部署和组织施工；⑤进行成本保护与验收。在实际实施过程中，施工单位专业图纸深化阶段受幕墙形式所制约，尤其是对于异型幕墙结构，图纸深化进度不尽人意，且常规的二维深化图难以直观反映空间异型幕墙的结构构造，人员不可避免地需要耗费更多时间对深化图进行理解和吸收；同时，在工期、施工条件受限的情况下，若幕墙工程的辅助施工措施选择的合理性欠佳，往往会导致工作面混乱，工序把控不严，从而造成大量的安全、质量问题，不利于幕墙工程施工的顺利开展［1］。

针对上述幕墙专业深化和施工工艺选择的不足，行业内基本形成以下共识：①在幕墙装饰工程图纸深化中将BIM 技术的应用作为基本流程［2］；②将BIM 技术应用于幕墙深化设计中，能有效实现相关构件空间位置确定、细部节点处构件异形构造的推敲、建模中发现图纸问题［3］；③针对大空间的高空幕墙施工作业条件复杂，可利用工程作业面周围现有的结构条件（如索网结构、钢结构桁架等），进一步研究悬空操作平台施工技术；④以扣件式钢管为脚手架的搭设方法，是建筑施工常用的脚手架搭设方式［4］；⑤可采用空间有限元模型建立结构吊杆的分析模型，并对吊杆、主要受力构件、纵横杆的强度、刚度及锚点可靠度进行了校核计算；⑥各类高空组合式吊架操作平台可提高空间作业利用率，但实际做法需结合项目实施条件，不具备普适性［5］。

1.2 研究背景

本文以肇庆某体育中心工程为研究背景，设计5 050 座位的体育馆主体下部为框架-剪力墙结构，上部为带斜交网格的空间钢架结构，幕墙表皮面层为异型空间曲面板，每块面板的形状相似但均不相同，完全依靠人工现场实测并绘制加工详图，难度大、工作量大而且准确度低。同时，对于大跨度空间网格结构，由于内部支撑少，幕墙施工时下侧无可依靠支撑，如何在保证幕墙施工操作平台安全、稳定的同时提高平台搭设施工效率；如何结合现场实际条件，充分利用现有资源，减少材料的损耗，降低工程造价；如何进行施工图深化，优化施工工艺流程，提高使用现场空间利用率，实现多空间立体化作业等，是幕墙施工操作平台的选择过程中需要考虑的问题。

针对现场实施条件，通过在幕墙深化设计中采用BIM 技术进行优化设计，利用BIM 技术进行参数的选取和调整［6］，对异型空间曲面实现参数化、组合单元实现标准化，不仅成本和施工难度得到降低，最终的效果也更加美观。在幕墙施工过程中通过结合施工现场实际情况，通过优化传统幕墙施工操作平台施工工艺，以钢结构主受力桁架为支撑［7-9］，合理规划幕墙构件安装流程，避免传统的脚手架、吊篮施工和高空平台车等幕墙施工操作平台的弊端，在保证安全的前提下，提高施工效率，节约施工成本［10-11］。

2 桔型大弧度幕墙单元深化设计研究

本工程建筑屋面为一个桔型大弧度幕墙屋面，幕墙单元节点面与面的交汇部位较多，进而各接触部位的接缝节点处理需进一步加强。如何做好幕墙节点单元深化设计、保证屋面防渗漏满足设计要求、如何保证大量不规则面板的加工、运输和安装是工作重点和难点，因此，将BIM 技术引入到桔型大弧度幕墙单元深化设计中。

2.1 建立幕墙深化设计模型

本项目基于BIM 技术，对异型空间幕墙进行三维虚拟仿真。将设计信息和仿真信息快速传输到材料加工厂，提高了加工方与施工方的协作效率，实现了所见即所得，减少了设计返工造成的经济损失。可视化技术可大量用于常规幕墙边角、网孔、接缝等结构节点的深化设计，也特别适用于异型幕墙结构的空间节点深化，极大地提高设计、加工、安装等各流程施工质量。

该体育馆钢网架为单层空间网格结构，根据现场实际情况，通过在网格屋盖上选取80个节点作为测量控制点进行复核，作为空间曲面拟合的基础数据，利用Rhino软件将土建结构和幕墙根据原始图纸的尺寸建立出来（见图1），通过模型建立和尺寸提取，对屋盖幕墙面板进行分区编码，汇总所有的屋面板尺寸信息并行程清单，工厂加工时根据提取的料单参数进行批量生产，实现工业化的流水线作业，提高施工质量和效率。

图1 建立BIM模型（侧面）Fig.1 Establishes the BIM Model（Profile）

2.2 幕墙深化设计及加工图设计

本项目幕墙屋面为桔型，形状不规则，各类斜面板及大曲率板块在传统的施工概念中，设计图纸无法给出准确尺寸，导致面板无法按照施工计划加工完成。通过进一步利用BIM 设计软件的信息统计功能，对每一个幕墙构件、嵌板进行编号，并对其定位坐标、颜色标号、加工材质、外形尺寸和运输物流等信息进行统计梳理，可以方便快捷的导出板块清单、材料清单。加工完成后再每块面板后面进行唯一性标识，同区域面板统一编号、集中运输、分区管理，安装前按排版图顺序进行分类整理，对进场材料进行验收，也有利于安装时对号就位（见图2）。

图2 单元节点编号Fig.2 Cell Node Number

2.3 幕墙深化设计节点优化

室外雨水有可能从横梁板块固定位置、立柱接口位置、不同类型幕墙接触位置、屋面装饰板连接件位置进入到幕墙系统内，根据已有的二维图纸建立BIM模型，在建模过程中会发现图纸问题，对于屋面板拼缝间的漏水问题有直观的显示，通过在装饰板连接件部分在面板打胶基础上，再安装一道PVC 防水卷材，从而确保水不能进入到幕墙系统内，幕墙防水节点示意图（见图3）。

图3 幕墙防水节点示意图Fig.3 Schematic Diagram of Curtain Wall Waterproof Node

BIM 技术在幕墙深化设计中的应用，不仅可以解决空间各构件的位置关系和细部结构异型构件的形状等难题；建立的模型可以及时暴露图纸问题，实现数量统计和材料处理的应用，从而提高管理效率，确保工期，节约工程造价。

3 高空幕墙施工操作平台研究

3.1 施工特点

该体育中心工程项目总用地面积8317.17 m2，其中座位为5 050 座的主体育馆用地面积34 026 m2，建筑面积27 736.58 m2，体育中心屋盖为带斜交网格的空间钢架结构体系（单层网壳），长轴110 m，短轴100 m，高度26.5 m，用钢量2 600 t，由树叉钢柱、箱型钢梁、斜交网格组成，如图4 所示。钢结构屋盖上部为幕墙结构装饰装修面层，主要包含100系统和200系统。

图4 钢结构屋盖效果Fig.4 Effect of Steel Structure Roof

本工程建设工期异常紧张，结合体育场场馆内看台、木地板、强排烟风机等设施、设备调试及试运行为贯穿整个工程关键路线的特点综合考虑，选择以钢结构主受力桁架为支撑，搭设高空钢管吊架操作平台作为进行幕墙工程屋面系统安装的平台，高空钢管吊架操作平台可在钢结构主受力构件吊装完成后与钢结构涂装、马道吊装以及地面工程施工同步进行，高空钢管吊架操作平台搭设完成后作业人员在操作平台上进行幕墙工程施工作业，相对于满堂脚手架操作平台、高空作业平台车、吊篮操作平台等方案，作业人员在钢管吊架操作平台上施工，在保证施工安全的前提下将节约施工周期，成品、半成品不会因交叉施工造成破坏，作业成本低。

3.2 高空钢管吊架操作平台体系设计

根据本工程结构特点，结合施工现场实际条件，本工程设计了一套高空钢管吊架操作平台，该平台以已施工的钢结构主受力钢箱梁为支撑点，以φ48×3.0钢管搭接配合钢栅板作为操作面层，采用φ15钢丝绳作为拉结，可以从根本上解决了传统满堂式钢管脚手架平台施工搭设速度慢、周转材料多、施工场地要求大、上下立面交叉作业困难的问题。

本工程的幕墙工程屋面系统施工采用吊架平台作为施工操作平台，吊架操作平台离已施工完成的主受力钢箱梁完成面为1 200 mm，采用φ48×3.0 扣件式钢管和φ15 钢丝绳进行搭设，采用连续布置，设置纵横水平拉杆，所有水平拉杆与外围满堂红脚手架相连接，加强吊架操作平台的整体稳定性及抗倾覆能力，吊架纵横钢管间排距为1.2 m×0.5 m，吊点钢丝绳间排距为2.4 m，钢丝绳吊点必须固定在已经满焊并检测合格的钢结构桁架/网格上，如图5所示。

图5 吊架拉结实物Fig.5 The Physical of the Hanger Elevation

3.3 钢管吊架操作平台的受力复核

针对该高空钢管吊架操作平台受力计算分析，主要分3 个部分进行，首先需校核在钢管吊架操作平台搭设时和完成后钢结构屋盖的整体稳定性分析；其次需要对钢管吊架操作平台面板进行受力验算；最后需对钢丝绳拉吊点进行受力复核［12］。

3.3.1 钢结构屋盖稳定性验算

高空钢管吊架操作平台主要用于体育馆屋盖幕墙工程初期施工阶段，主要施工内容包括幕墙工程屋面主龙骨、次龙骨、穿孔板、玻璃吸音棉以及钢结构面漆涂装，屋面幕墙工程铝镁锰直立锁边板、铝单面板及其支撑龙骨安装前将吊架拆除，以减少钢结构上部荷载。钢结构稳定验算设计单位已验算，本次验算的目的是分析高空钢管吊架平台的增加对屋盖稳定性的影响。

⑴钢结构屋面恒荷载：①结构自重（由程序自动计算）；②钢管φ48×3.0，质量为0.032 6 kN/m；③脚手板采用冲压钢脚手板，自重标准值为0.30 kN/m2；④吊架平台下吊挂的安全设施（安全网）自重标准值为0.010 kN/m2。综上所述，钢结构屋面除结构自重外恒荷载取值0.5 kN/m2。

⑵设计使用活荷载：本高空钢管吊架操作平台仅为施工人员提供站位，平台上不考虑材料堆积，因此施工均布活荷载标准值为1.5 kN/m2。

⑶结构验算采用的计算软件：本工程钢屋盖整体计算分析采用SAP2000 V15.1.0 结构通用结构分析与设计软件。

⑷建立计算模型进行仿真计算（见图6）。

图6 加载完成后竖向位移云图Fig.6 Vertical Displacement Cloud after Loading （mm）

加载荷载完成后，杆件的应力比在整体上呈现增大的趋势，分布较为均匀，最大应力比出现Y 型支撑内侧连接的第一根径向主杆件，以及洞口长悬臂侧的圆形环梁处。加载吊架平台荷载后杆件最大应力比不超过0.2。

由加载荷载完成后的竖向位移云图可知，节点的竖向位移在整体上呈现均匀增长的特性，节点竖向位移最大值出现在长悬臂端的Y 型柱和洞口之间，最大位移出现在长悬臂侧的洞口圆形环梁节点上，最大竖向位移值为65 mm。

通过采用SAP2000 结构通用结构分析与设计软件对加载钢管吊架操作平台荷载后的钢结构整体进行仿真计算，加载吊架平台荷载后，对钢结构稳定性无破坏性影响。

3.3.2 钢管吊架操作平台受力验算

主要参数：立杆纵距b=1.20 m，立杆横距l=0.50 m，吊挂钢丝绳间排距为2.4 m。脚手板自重0.15 kN/m2；钢管直径48 mm，壁厚3.0 mm，截面积4.24 cm2，回转半径i=1.59 cm，钢管重量0.032 6 kN/m。钢材弹性模量E=206 000 N/mm2，抗弯强度f=205.00 N/mm2，抗剪强度fv=120.00 N/mm2，施工活荷载1.5 kN/m2。

分别计算纵向支撑钢管的抗弯强度、三跨连续梁均布荷载作用下的挠度、横向支撑钢管的强度和挠度、扣件抗滑承载力等，满足要求。

3.3.3 钢管吊架操作平台有限元分析

根据施工现场实施条件，选取典型跨度（一跨10 m×10 m）的施工吊架进行有限元分析，通过应用大型通用空间有限元软件进行建模，建模过程中按构件类型，分为梁单元、板单元的模拟，吊架中的吊杆、纵横钢管采用梁单元，扣件式钢管脚手架构件的钢材质为Q235，边界条件的设置吻合与现场实际布置情况，吊架平台的吊点锚固位置约束形式为固定约束，纵杆与横杆的连接模拟为弹性连接。

⑴纵横杆的强度验算

钢管吊架平台主要受力构造（构件）包括纵横钢管、拉吊钢丝绳，为了使临时吊架的重要构件满足安全要求，对各主要构件的的强度分别进行了验算。

在计算模型（基本组合）为最不利状态下，设计规格为φ48×3.0 mm的纵杆（无缝钢管）最大正应力为89.3 MPa，满足《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范》中＜205 MPa 的规定，且有较大安全储备，结构安全。

⑵纵横杆刚度验算

进行纵横钢管的标准组合挠度验算时，在最不利状态下，设计规格为φ48×3.0 mm 纵横杆的最大挠度为1.65 mm，满足《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范：JGJ 130—2011》中5.2.3 条脚手架纵向、横向水平杆挠度小于L/150=1 200/150=8 mm 的规定，并且满足《钢结构设计规范：GB 50017—2003》中附录A 小于500/150=1 500/400=3.33 mm 的规定。且留有足够的安全富余量，保证构造安全。

3.3.4 钢丝绳破断力验算

在钢丝绳破算拉力验算中，分别经过：

⑴计算最小破断拉力F破=K'D2R0/1 000

⑵钢丝绳允许拉力［P］=F破α/K

⑶钢丝绳承受的拉力Toa=N施/S

得到钢丝绳承受拉力Toa＜［P］的结论，钢丝绳强度满足要求。

3.4 高空钢管吊架操作平台拆除

钢管吊架操作平台拆除时为避免材料直接掉落对结构板造成破坏，采用手拉葫芦垂直运输的方式进行吊架平台，吊架操作平台每次拆除长度约1轴距（直观以钢结构主受力桁架为标准），拆除卸下的钢管由中间向两边放置，严禁集中堆载，每次只能放置20根，马上采用手拉葫芦吊运至地面放置，手拉葫芦采用HSZ-A 型手拉葫芦（2T）。拆除时采用两个手拉葫芦进行配合作业，一个手拉葫芦作为手里加固装置，另外一个手拉葫芦作为运输工具，吊架拆除前必须用手拉葫芦拉紧吊架操作平台和钢结构桁架。

拆除施工应严格遵循由内而边缘、后搭者先拆、先搭者后拆，从安全网→踢脚板→钢栅板→水平杆→大横杆→小横杆→钢丝绳的顺序进行，并严格遵守相关现行规范、规定及操作规程。