浅谈特别复杂造型钢结构支撑体系幕墙设计与施工

刘升华

深圳市嘉信建设集团有限公司 广东 深圳 518007

1 前海深港青年梦工场二期幕墙工程概况

前海深港青年梦工场二期项目总用地面积约10000m2，总建筑面积约20000m2。项目包括两栋科研办公楼，其中1#楼为孵化器、 2#楼为加速器。

根据现有资料显示，前海深港青年梦工场二期幕墙工程是国内目前为止唯一一个空间异型铝板建筑幕墙，该项目主要包括以下几种形式的幕墙：横明竖隐构件式玻璃幕墙，氟碳喷涂穿孔铝板幕墙，氟碳喷涂铝合金格栅，全玻式幕墙、点支承式玻璃幕墙、发光特色墙幕墙。

本项目中的1#楼（孵化器）外立面由217个三角形的切割面组成，包括有374条棱线和147个交汇点，外观造型为“钻石”形状，这也是本项目中最具特点的部分。外立面的三角形切割面材料为穿孔铝板，穿孔铝板幕墙在1#楼（孵化器楼）的外墙覆盖率超过80%，氟碳喷涂穿孔铝板幕墙是前海深港青年梦工场二期工程整体造型特点的集中体现，穿孔铝板选用的是3mm厚的氟碳喷涂铝单板，冲孔形式为长圆形，沿水平方向布置，同时，在穿孔铝板的拼接交接部位预留有LED灯带；每组氟碳喷涂穿孔铝板造型为三角形构造，并且每组氟碳喷涂三角形穿孔铝板按照不同的角度进行布置，整栋建筑氟碳喷涂穿孔铝板的外立面呈现出高低起伏的装饰效果[1]。

图1 效果图

图2 实景照片

2 项目幕墙设计

前海深港青年梦工场二期项目幕墙工程选用钢龙骨作为穿孔铝板系统的主受力体系，基本构造为先将钢管支座固定在主体结构上，再通过一段能够根据需要调节长短的圆钢管与玻璃外侧预留的支座延伸段实现对接，延伸段的端头作为连接穿孔铝板的次龙骨的固定点；固定点再通过铰接机构与穿孔铝板次龙骨进行连接，以释放弯矩，同时实现空间可调；本项目选用钢方通作为穿孔铝板次龙骨；每个钢方通次龙骨按照一定的间距预留若干钢支座，钢支座上设有带齿形的L型角铝，L型角铝可以通过齿形垫片来实现高低方向的调节；三角形氟碳喷涂穿孔铝板通过铰接连接机构实现面板安装角度的变化调节，通过以上构造设计，既实现了钢结构安装过程的三维调节，还有利于弯矩和内应力的释放，同时也便于三角形氟碳喷涂穿孔铝板的安装调节。

图3 标准节点图

3 项目幕墙施工

3.1 信息化施工管理技术

由于本项目钢结构造型复杂，异形穿孔铝板规格大小不一，角度变化多样，加工难度大，灯槽的交汇角度非常多。特别是对于灯槽的相交位置，每个交点的交角都不一样，如果按照常规做法，效率低，且容易出错，因此，我们的项目设计师采用BIM建模这一新技术，通过BIM模型来提取钢结构和穿孔铝板的加工参数，幕墙灯槽的弯折角度和拼接角度、灯槽下料规格、铝板下料规格等，然后反馈到生产厂进行加工，这样大大提升了加工精度、生产效率。

3.2 三点式整体吊装技术应用

1#楼幕墙钢结构加工及安装的工作量约120t，异形穿孔铝板数量约为2800块，照明灯带长度约为5000m。在施工的过程中，先按照BIM模型提取的钢结构参数，对钢结构在工厂加工好，并按照施工排版进行一对一编号，运到工地后，钢结构工程采用分榀三点式整体吊装的安装方式，在钢结构组件就位后进行焊接，这样既减少了现场的工作量，有利于保证产品的质量，也便于安装过程的定位调节；由于异形穿孔铝板进出变化大，且没有任何规律，给安装施工增加了非常大的难度，项目安装过程中，我们使用12台曲臂车作为升降设备安装异形穿孔铝板，这样非常方便[2]。

3.3 样板先行技术应用

到目前为止，异形穿孔铝板幕墙细节处理方式还没有有效经验可借鉴，因此，对于项目的设计能力、施工过程的统筹协调能力提出了极高的要求。在加工生产过程中，项目部选取了具有代表性幕墙单元做成实体样板，通过对样板的加工、安装，在批量生产、安装前发现问题，并针对出现的问题分析原因，找出解决方案。

3.4 空间异形幕墙施工定位中综合测量技术的应用

1#楼幕墙钢结构造型复杂，全部都是异形结构，幕墙钢结构与主体结构的位置关系没有任何规律，为了确保“钻石”的装饰效果，必须非常精确保证幕墙钢结构的安装位置，如果采用常规的测量方法，无法精确的确保穿孔铝板幕墙外立面各构件的定位及安装。针对本项目的特点，项目部技术团队采用三维激光扫描技术与BIM技术有效结合的方案开展项目设计工作，并有效指导项目施工，同时，结合放样机器人进行定位，指导项目安装。

3.4.1 平面控制测量技术的应用。1#楼幕墙钢结构造型复杂，全部都是异形结构，测量定位体系复杂，采用常规的测量方法难以获取有效的放样坐标。为了提高本项目的平面控制测量精度，采取了了以下措施：

3.4.1.1 网形优化。为了减少二次建网导致精度误差分布偏差，项目测量过程中选用一次布网的方案。

3.4.1.2 控制点采用强制对中的方式进行布设。基本方案是使全站仪和棱镜在基准基座上实现共轴，这样可以有效减少仪器的对中误差，提高控制网的测量精度，同时，可以减少仪器调整时间，有效提高测量速度。

3.4.2 高程控制测量技术的应用。高程控制点的测量方式采用的是二等水准方法来实施联测，以保障测量精度。本项目实施过程中采用了以下措施来提高三角高程的观测精度：

3.4.2.1 通过初步预估，在同等条件下，选用高精度全站仪，以便提高测量角度和测量距离的精度，可以有效降低测量角度和测量距离引起的三角高程误差。

3.4.2.2 对向观测消除球气差影响，本项目采用对向观测，对于往返高差取平均值，这样可以完全抵消球差的影响，并可以抵消大部分的气差影响。

3.4.2.3 采用水准仪测量法来测量仪器高。本项目采用水准仪法来测量仪器高，这样可以更准确地测量出仪器高，其精确度不低于[±0.3]mm。

3.4.2.4 选择有利于观测的时段进行测量，例如选择阴天来进行测量，这种天气情况下，大气相对稳定，大大减少了大气折光对测量结果的影响。

3.4.3 三维激光扫描技术的应用。

3.4.3.1 本项目测量过程中，三维扫描时采用3.4.1平面控制测量和3.4.2 高程控制测量建立的平面及高程控制网，这样有利于确保成果的统一性。

3.4.3.2 本项目云数据采集采用的是“测站点+后视点”的方法，具体的操作方式是：通过对在前面两个阶段建立的控制点上设站进行扫描，通过对各个站点云数据进行配准操作，然后直接叠加在设定的施工坐标系上。

3.4.3.3 三维激光扫描注意事项：扫描时尽量减少采用大角度扫描数据的采集。

3.4.4 有效衔接设计与施工。

3.4.4.1 采用三维激光扫描的方式采集安装好的钢构件完成面的信息，建立现场安装完成的钢结构的BIM模型图，利用BIM软件校核幕墙的设计模型与实际安装完成面的偏差，对BIM设计模型进行修正和完善。

3.4.4.2 通过BIM模型与现场施工安装实际同步的方式，实现BIM在幕墙安装时的指导作用，确保施工质量。

3.4.4.3 施工过程中，把BIM设计模型转化为电子文件，将电子文件直接导入到放样仪器里，通过测量机器人实现幕墙在施工过程中的精准定位。

3.4.5 项目验收。待幕墙全部安装完成，采用三维激光扫描的方式重新扫描已安装完成的幕墙实体，建立幕墙实体BIM模型，将幕墙实体BIM模型与设计图做对比。该验收方法可以从各个角度对施工质量做全面、系统检验，确保了验收质量，而且，还可以为后期维护工作提供更真实、更可靠更有效的数据[3]。

4 结束语

采用三维激光扫描技术与BIM技术有效结合的方案开展项目设计工作，并有效指导项目施工，同时，结合放样机器人进行定位，指导项目安装，可有效解决特别复杂造型钢结构支撑体系幕墙生产安装效率低，容易出错的问题，确保工程质量，而且，还可以为后期维护工作提供更真实、更可靠更有效的数据。