单曲面菱形折拼铝板幕墙施工技术探究

付叶

正兴建设集团股份有限公司 上海 200126

1 工程概况

南京世茂雨花项目B地块幕墙工程位于江苏省南京市。采用的结构形式为钢筋混凝土剪力墙结构。建筑总高度60m，幕墙总面积约23000m2。由B栋和C栋两栋楼组成，在B栋和C栋主楼之间由裙楼相连贯穿整个建筑。

B栋和C栋主楼主要为玻璃幕墙系统，为了满足建筑节能要求，玻璃采用8mm(钢化)+12A(中空)+8mmLow-e(钢化)玻璃，玻璃基本分格尺寸为2500mm×1500mm，层间采用中空钢化玻璃后背衬2mm铝单板。

裙楼部分系统相对较多：有玻璃幕墙、单曲面菱形铝板幕墙、石材幕墙、采光顶、玻璃雨篷等等。建筑整体创意新颖、造型别致[1]。

2 施工技术重难点分析

2.1 菱形折拼铝板处现场测量放线及三维空间定位困难

该菱形折拼铝板幕墙进出错位，且在东南立面交叉处形成弯弧状，同时菱形板块大小不一，角度各异，菱形板块无规律排列，导致幕墙钢结构龙骨也不在同一平面，菱形折拼铝板部位幕墙龙骨需单独三维放样，现场测量放线工作量大且三维空间定位困难。

2.2 幕墙钢结构龙骨焊接变形控制难

菱形铝板出结构面大，需重点关注其安全可靠；且钢结构龙骨在焊接、运输与吊装过程中的变形需有效控制。具体菱形铝板完成面距离主体结构梁外边线较大，最大间距达到700mm。当菱形铝板幕墙通过连接件及埋件固定于结构梁上后，相当于整个铝板幕墙悬挑出结构面700mm，且悬挑尺寸不一。由于悬挑结构弯矩相对较大，端部变形也较大，故需重点关注其安全可靠性。

菱形铝板幕墙钢结构主龙骨采用140mm×80×6mm的钢方通，次龙骨采用63mm×63×4mm的等边角钢。角钢与角钢之间采用焊接的连接方式，最终拼成许多不同角度，不同大小的菱形分格小单元，因此，确保每个小单元钢构件的焊接精度是本项目重难点。同时，整体钢架的变形控制也是重点要关注的，其变形有：焊接冷却收缩变形，组装成小单元钢架后的现场吊装拉伸变形，装卸、运输过程中的振动、挤压变形，安装完成后的各种工况下的受荷变形，等等。以上变形对施工质量造成一定的影响，需采取相应的有效措施控制。

2.3 菱形铝板折拼的角度，大小，进出位置均不同，材料下单困难

铝板幕墙中的菱形折拼板造型别致，整体呈不规则状，铝板的样式有很多种，折拼的角度，大小，进出位置均不相同，按常规的材料下单方式，精准度及效率均无法保证。

2.4 菱形折拼铝板加工及安装难度大

实际加工中的菱形折叠铝板的折角、尺寸大小不一，工厂加工时需折出不同的角度，并辅以焊接打磨；安装时角度、进出位置调整困难，整体排列无规律可循。

3 关键施工技术

3.1 BIM技术

在施工准备阶段，根据原有设计图纸进行深化，并利用BIM技术建立三维实体模型。在主体结构完成后及时复尺，并对于结构偏差及时进行调整。

主钢龙骨下单安装完成后，再一次复尺。将误差进行严格地控制，接下来在BIM模型中调整实际主龙骨的位置。最后菱形铝板要安装到位，只需要控制次龙骨的相对安装误差即可。利用BIM对钢结构龙骨精准建模完成后，在完成的小单元钢架的基础上对菱形铝板进行排版，此排版就是菱形铝板的三维派位图，然后可以直接进行精准加工图的输出，从而很大程度地降低了铝板下单的难度，提高了工作效率和精准度，保证了整体的美观与质量要求。铝板输出示意如下图1：

图1 菱形铝板三维派位图

3.2 3D扫描校对技术

对现场已经安装完成的钢构架龙骨利用3D扫描技术进行扫描，然后将测量结果直接与CAD软件接口，将测量的立体信息转换为计算机能直接处理的数字信息，从而获得钢构架的三维空间坐标。将3D扫描得出的实际模型与BIM设计模型进行整合校对，核查各构件之间的位置关系，及时调整角度和长度有偏差的位置，从而很好地控制了因钢龙骨偏差而造成其他问题，如导致后续无法安装铝板的情况。在确保外观效果的同时，大幅节约加工费和材料费，不浪费材料，同时缩短铝板的加工周期，有效地推进施工[2]。

3.3 钢龙骨小单元安装技术

钢龙骨的安装是本菱形铝板幕墙安装中的一个重要环节，也是难度较大的环节，其三维空间定位难。整个菱形铝板幕墙的钢结构龙骨，如果采用常规方法将每支钢构件在立面上按顺序拼装，不能保证龙骨的安装精度，且不能消化安装错误，而且大量的高空拼装作业将会带来很多不安全因素。于是，经过多次的商讨，决定先在现场正式安装前建立BIM模型进行模拟和演示，通过空间观察，找出可以进一步优化的措施。

将以往的现场按顺序一根根拼装方式改为在事先在加工厂进行拼装，形成小单元式钢架，然后使用吊装机快速提升小件。以BIM批量输出的定位点数据为基础进行定位，对各定位点进行实时测量和调试，最终准确、高效地完成钢龙骨构架上墙的操作在工厂加工拼装成小单元不仅使安装精准度提升，同时还能较好地控制焊接冷却收缩变形。

3.4 SAP2000及3D3S受力分析技术

菱形铝板完成面距离主体结构梁外边线较大，最大位置达到700mm。当菱形铝板幕墙通过连接件及埋件固定于结构梁上后，相当于整个铝板幕墙悬挑出结构面700mm，且悬挑尺寸不一。

图2 建模受力分析示意图

由于悬挑结构根部弯矩较大，端部变形也较大，故需重点关注其安全可靠性。且对于这种非标准幕墙，通过普通的计算软件及公式无法准确计算整个钢龙骨的受力。于是采用了SAP2000建模，在考虑风荷载，自重荷载，地震荷载的作用下，对整个钢构件进行了受力分析，确保构件的强度，变形，稳定性均能满足规范要求。同时为了安全起见，也采用了3D3S进行了受力分析核对，得出的结论不相上下，均能满足规范要求。

对于小单元的起吊点数，起吊位置我们也通过受力分析得出最合适的起吊方案。以确保起吊过程中的变形几乎可以忽略。

3.5 单元钢构架的运输与吊装技术

在运输及吊装过程中，单元钢构架的整体强度及稳定性关系到能否安全吊装以及吊装过程中是否变形，为此钢构架的整体强度及稳定成为该系统控制的重点。于是，在运输前先将钢构架用硬质木枋进行绑扎保护，防止在运输及吊装过程中变形，同时也达到保护钢构架表面质量的目的。

钢构架的吊点位置和吊点数，通过受力分析得出最合适的起吊方案。另外，在吊点位置设计了专门吊装夹板，确保吊点部位局部有足够的强度。并在钢构架底部设置牵引绳防止在吊装过程中摆动过大，当吊装到合适高度时，利用牵引绳辅助对钢构架进行就位安装。同时，在吊装过程中还必须控制好吊车的速度，避免急停急送。

通过以上系列的措施设计的单元钢构架，从局部到整体均有足够的强度和稳定性，确保了所有钢构架安全可靠地运输与吊装。

3.6 菱形铝板的折拼与加工

本系统中的铝板有标准菱形板、单曲菱形板、和由4片不共面的三角板折拼组合而成的三维立体板。其中最为复杂的是角度不一、大小不一的三维折拼立体菱形板。前面采用BIM建模及3D校对，均为菱形铝板的加工奠定了基础。需要从BIM模型中提取各铝板的板块信息，制作成加工单，然后厂家按加工单用标准铝板按一定角度裁切去多余部分，再经过如下操作流程：裁板→折弯→施焊→打磨→酸洗→表面处理→安装附件。最后通过铝角码挂件，用ST4.8mm×35mm不锈钢自攻自钻螺钉固定在角钢龙骨上[3]。

4 结束语

本项目中的单曲面菱形铝板幕墙施工采用了先进的BIM技术、3D实体扫描校对技术、小单元拼装技术、SAP2000及3D3S软件受力分析技术等，对此幕墙进行了实体建模，受力分析等。并利用BIM空间模型信息，自动生成二维CAD加工图纸和EXCEL表格进行精准下单。同时根据需要做成三维动画，对项目管理人员、现场施工人员进行技术交底，帮助施工人员理解设计意图和施工要点，提高了技术交底的质量和效率，也大大提高了加工安装的精准度和整体工作效率。