仿生态装饰钢板施工技术

（北京市机械施工有限公司，北京 100045）

1 工程概况

北京市延庆区葡萄博览园配套基础设施项目为第十一届世界葡萄博览园主会场，总建筑面积约1.5 万m2，该建筑群设计新颖别致，突出了植物世界与大自然的高度融合，异型植物造型具有强烈的视觉冲击力。北门钢结构由北大门和北小门组成，作为整个葡萄博览园葡萄藤蔓上的一个支蔓，通过园区道路融入园区中，采用大跨度倾斜管桁架结构，造型类似于斜向放置的圆环。北大门桁架最大悬挑距离接近45.5m，高16.5m；北小门最大悬挑距离接近16.9m，高约8m。桁架截面均随着高度扭曲不断变化，大门共由2 280块装饰钢板密拼而成，小门共由567 块装饰钢板密拼而成，装饰采用6mm 耐候钢板，耐候钢板自然锈蚀后的铁锈色，与周围环境融为一体，形成逼真的仿生态效果。大门与小门连同业务用房就像3 粒鲜活的葡萄，自然而大气。

2 工程的重点及难点分析

1）本工程为截面渐变且扭曲的斜向放置的圆环，此截面形式给深化建模及加工下料带来了极大的困难，加工下料需要将扭曲的装饰板进行合理的分块然后展开，这样才能在充分利用原材料的前提下进行合理的排料和下料。

2）本工程装饰板全部为没有规律的双曲面。如何保证如此多的装饰板在安装时平滑过渡，控制好建筑的造型，实现建筑师的意图，保证扭曲造型装饰钢板安装及立体效果是本工程的重点。

3）如何保证扭曲的装饰钢板的加工弧度、尺寸精度是本工程的难点。

4）空间定位放线涉及整个工程的方方面面，本工程需要测设的定位点达3 000 个，也是决定建筑造型的关键。

5）本工程的采用焊缝连接，装饰板厚度为6mm，焊缝长度到5 000m，有2/3 属于仰缝和立缝，且在高空作业，如何在减小焊接变形，保证焊接质量是本工程的重点。

3 施工工艺流程及操作要点

3.1 施工工艺流程

施工工艺流程：前期准备→建深化设计→装饰钢板下料→定位放线→安装主龙骨→安装次龙骨→安装装饰钢板→焊接→打磨处理。

3.2 深化设计

深化设计工作包括：建立三维模型、4 条外边线拟合、确定装饰钢板分段点、确定控制点坐标、绘制装饰钢板展开图。

本工程具有独特的建筑造型、多维的建筑立面、多变的建筑参数等特点，依据建筑施工图纸和复测调整后的钢结构实体模型用Rhinoceros4.0进行三维建模。根据实际情况对4 条边线进行拟合，保证装饰板平滑过渡，生成不同方向的投影视图。

在拟合后的三维模型上进行装饰板的分格，沿4 条边线每隔600mm 左右确定1 个分格点，同时进行保证同1 个截面上的4 条切线尽可能扭曲的小，当扭曲增大到一定程度时，采用增加三角形和矩形板的办法来调整。为了提高装饰板材料的利用率和安装简便，对于上侧和下侧装饰板沿切线放线进行分段，切线长度9m 以下是分成两段，切线长度9m 以上是分成3 段。整个北大门的装饰板共分为2 280 块，均为双曲面。

采用Rhinoceros4.0 软件把分格后的装饰板展开，导出为CAD 文件，生成装饰板分格图和装饰板加工图，交给加工厂安排生产。

如果他买两分钱的花生米来吃，他的父亲便说：“孩子，要记住富兰克林说过的话——‘省一分钱等于赚一分钱’。”

本工程装饰板之间采用焊接，焊缝下设置龙骨，龙骨既起支架作用也做垫板使用，所以装饰板的分格线既龙骨上皮的中心线。在分格后的模型中，在装饰板的内部生产龙骨的三维实体，然后生成施工所需要的三维龙骨定位图等。

以三维空间建模为主线，依据生成的数据指导装饰板加工和安装等工作。在工程的整个施工过程中，均采用同一个三维实体模型，确保各个阶段的精度达到设计要求。

3.3 加工制作

本工程装饰钢板均为空间扭曲结构，每块装饰钢板都有不同的曲率，由于装饰钢板厚度为6mm，其自身韧性较好，且其分块后均为细长条状，所以可以依据已经确定龙骨的位置，人工扭曲成型。也就是说，装饰钢板加工出来时全部都是平板，在安装工程中，利用其自身韧性形成弧面。这样大大降低了加工的难度。

采用Rhinoceros4.0 将每块空间弯曲的装饰钢板转展开成平面钢板，每块展开后的装饰钢板均生成dxf 文件，将dxf 文件导入到排版软件中自动完成排版，然后进行装饰钢板的数控自动加工，再打磨和标识，加工完成。必须严格控制加工精度，误差控制在1mm。

3.4 现场安装

针对装饰钢板空间扭曲大的特点，采用了分块密拼技术，由中间同时向两侧安装。保证安装精度的关键是保证北门4 条边线的空间位置，本工程采用了每条边线上每隔500mm 用全站仪测设1 个控制点的方案。

具体安装顺序为：安装上面龙骨→安装下面龙骨→安装上面装饰板→安装下面装饰板→安装左右两侧面的龙骨→安装左右侧面的装饰板。

3.4.1 测量定位

测量时本工程的关键工作，而且工程量巨大，每块装饰钢板的4 个角点坐标都需要测设出来。大、小门共计测设4 000 多个坐标点。

1）钢结构复测 为了掌握钢结构安装过程中出现的变形现象，需要对钢结构整体和局部进行变形监测。本工程的变形监测均采用电子测量仪器进行，实行数据采集和分析的自动化、智能化。每次监测结束后，分析得出变形规律及发展变化趋势等信息。装饰钢板作为钢结构的覆盖层，钢结构临时支撑卸载沉降完成后的实际情况是影响整个施工过程的重要条件。针对本工程的实际情况，采用了全站仪进行钢结构面的数据采集。与钢结构采用相同的坐标系，采用全站仪对钢结构安装时的控制点进行复测，记录每个控制点的x，y，z坐标值，将记录好的坐标值输入到钢结构模型中，进行比对分析，确定现场钢结构的偏移情况和偏移量，作为对设计图纸调整深化的数字支撑。

2）控制点测量定位 本工程测量定位采用了三维空间测量技术，主要使用全站仪。采用与原钢结构相同的坐标系，从所创建的三维模型导出待测点的空间坐标。由于待测点在钢结构外侧，无法标在钢结构主体上，所以用短钢筋临时焊接在钢结构上，在钢筋上标出待测点的位置。

3）变形监测 由于本工程采用倾斜大悬挑结构样式，钢结构的下挠度较大，安装精度要求又特别高，所以在装饰板施工时必须加强监测。施工中用全站仪测量钢结构主体的挠度、水平位置、标高和几何尺寸，进行全面跟踪、精确测量，并与设计数值对比，确保偏移值在允许的范围内，一旦发现问题，根据调整后的数据，安装剩余装饰钢板，确保安装完成后整体建筑效果。

3.4.2 安装龙骨

龙骨是关键工序，施工质量的好坏直接影响装饰板的平整、美观以及连接强度。通过支托调整主龙骨安装位置，再安装次龙骨。支托与钢结构、主龙骨与支托、主龙骨与次龙骨间，均采用焊接连接。

主龙骨采用口50mm×50mm×3mm 的镀锌方管，次龙骨采用口50mm×25mm×2.5mm 的镀锌矩形管。

造型的扭曲，造成了龙骨接口均为毫无规律的相贯，且每个接口均不相同，龙骨的制作难度巨大。为了方便操作，经与设计院协调将龙骨的两端均减短100mm，这样龙骨两端都变成了直口。主龙骨安装采用挂绳法：①安装上面龙骨时，将主龙骨上皮的中心线与挂好的安装线对齐，龙骨两端各留100mm 距离，然后把龙骨与钢结构连接；②安装下面龙骨时，将主龙骨下皮的中心线与挂好的安装线对齐，龙骨两端各留100mm 距离，然后把龙骨与钢结构连接；③安装左右两侧面龙骨时，将主龙骨侧面的中心线与挂好的安装线对齐，龙骨两端各留100mm 距离，然后把龙骨与钢结构连接。次龙骨安装时，用卷尺测出主龙骨的等分点，然后用次龙骨把等分点连接起来。龙骨安装时一定控制好精度，误差控制在2mm，要保证龙骨与钢结构的可靠连接。

3.4.3 安装装饰板

装饰板进场后首先进行进场验收，一定要控制进场装饰的误差，并按编号顺序摆放好。在龙骨上弹出装饰板的边线，将装饰板一角贴到对应的弹好的边线上，然后向对角平铺，利用其自身韧性形成扭曲面。

装饰钢板与龙骨连接方式为焊接，由于钢板较薄，为防止焊接变形过大，故采用多点加固的安装方式进行安装，即安装时尽量将装饰钢板与龙骨多点焊几点，固定牢固，同时避免较大的焊接变形。现场安装时，调整好偏差，通过板缝消化误差，避免造成装饰板弧形过渡不畅，影响建筑造型。需要控制好装饰钢板的拼接顺畅，以实现整个造型的流畅、曲面的顺滑。本工程每隔15 块板预留一道10mm 的安装调节缝，消化安装误差。

3.5 焊接工艺

焊接工作是整个工程的重要工序，直接影响到工程的总体质量和工程进度。因而必须针对具体结构形式，制定并采用科学的焊接工艺，合理的安排工序方能确保整个工程优质高速的完成。

本工程的装饰钢板厚度仅为6mm，焊接变形及应力控制是本工程的重点和难点，我们采用了以下几点关键措施保证焊接质量：①构件安装时不得强行装配，致使产生初始装配应力；②采用合理的焊接顺序，对称焊、分段焊；③先焊接收缩量大的接头，后焊接收缩量小的接头，应在尽可能小的约束小焊接；④预先合理设置收缩余量；⑤采取高效的CO2焊接方法，可减少焊接道数，降低焊接变形和残余应力；⑥通过有效的工艺和焊接控制，防止或降低焊接接头的返修，可避免焊接接头应力增加；⑦同一块装饰钢板两端不同时焊接；⑧长焊缝要多人同时焊接；⑨在焊接施工中严格按确定的工艺参数执行；⑩做好防风、防雨、防潮措施。

安装焊接完成后，为使装饰钢板先装的部分与后装的部分颜色保持一致，同时为了提高感官效果，将整个面板统一打磨一遍，尤其是焊缝部分，更应加强处理。

4 结语

通过的北门装饰钢板的施工，解决了延庆区葡萄大会葡萄博览园配套基础设施项目北大门和北小门的复杂性和特殊性技术难题，将设计理念完美地体现出来了，实现了建筑效果，提高了大门的安全性、实用性；对于类似项目的深化设计具有重要指导意义。