钢结构幕墙一体化设计施工技术

陈 立

上海市机械施工集团有限公司 上海 200072

钢结构框架梁柱位置灵活多变、节点复杂，幕墙体系中预埋件、转接件及龙骨体系依附主体结构，且构造复杂。传统的施工工艺将钢结构和幕墙作为2个独立的专业分别设计施工，相互配合有限，难以做到无缝衔接，易产生两方面问题[1-2]。

1）幕墙埋件、转接件现场和钢结构焊接，电弧和高温会直接破坏防腐和防火层，降低结构耐久性，焊接收缩应力的累积也会影响结构安全性。

2）幕墙骨架系统和钢结构空间碰撞冲突无法提前发现，现场施工碰到问题的解决途径仅剩调整幕墙体系。局部构造变化不但使质量和精度无法保证，影响建筑整体效果，而且造成返工和材料浪费，影响施工进度。

西湖大学PPP建设工程通过钢结构幕墙一体化设计施工，有效地将钢结构与幕墙结合起来，通过整体深化建模，或微调结构、或调整幕墙骨架，从设计源头上解决2种体系间的空间干扰问题。钢结构在工厂制作时将幕墙埋件和转接件同步加工好，解决了现场焊接对结构的影响，优化了施工工序。现场钢结构安装过程中控制钢结构精度，校核转接件偏差，进一步保证施工精度，局部较大偏差值通过模型模拟后微调幕墙龙骨，消化前道工序偏差，保证幕墙整体精度，通过精度保证整体外观效果，精密性保证气密性，气密性保证水密性，最终做到幕墙不漏水。通过钢结构幕墙一体化设计施工，既解决了空间干扰问题，确保了施工精度，又减少现场工作量，降低了施工难度，有效地保证了施工质量和整体效果，节约了施工成本，加快了整体施工进度。

1 工程概况

1.1 建筑概况

西湖大学位于杭州西湖区三墩双桥区域，东邻已建三墩小学，南至规划墩余路，西靠云涛北路，北侧为预留用地且靠近杭长高速。用地面积约42.2万 m2，地上建筑面积32万 m2，地下建筑面积约13万 m2，共43个单体（图1）。

图1 西湖大学整体效果图

1.2 钢结构幕墙概况

西湖大学钢结构分布在10个单体中，总计用钢量约1.34万 t。最大单体学术环为地上4层钢框架及四大学院屋顶钢架，钢结构质量9 820 t。学术会堂屋顶螺栓球网架质量340 t，学术交流中心18层外框钢结构2 073 t。其他包括连廊、网壳、挑梁等零星结构（图2）。

图2 钢结构分布示意

本工程幕墙约33.9万 m2，主要含10套系统：玻璃幕墙、石材幕墙、铝板幕墙、UHPC超高性能混凝土挂板、金属屋面、采光顶、铝合金门窗、铝合金格栅、玻璃栏板、蜂窝铝板等。

2 一体化设计施工工艺

2.1 一体化设计

钢结构幕墙整体同步开展深化设计，使用BIM软件建立钢结构幕墙整体模型。深化前同设计沟通，先对钢结构和幕墙设计图纸进行审图分析，建模按照深化进度分为2个阶段进行，每个阶段模型达到的深度不同，发挥的作用也不同。

第1阶段建设计模型，主要目的是解决2种相互依附体系空间碰撞问题，深度到主构件和表皮，将钢结构主体梁柱框架和幕墙骨架体系及表皮建完，进行钢结构和幕墙系统第1次合模（图3）。

图3 设计模型

设计模型建成后通过碰撞测试从而直观展示2种系统主要构件的空间关系，在模型中筛查出冲突部位，提出优化调整建议，便于结构设计师和幕墙设计师及时决策调整。同时可以在模型中对2种体系交界处操作面尺寸位置进行分析，后续施工是否便捷、操作空间是否满足施工要求，提前发现施工难题，可以针对性地找到解决措施。

第2阶段是深化模型，设计模型解决好空间冲突关系后，进一步进行模型深化，达到按照模型出深化图纸、提料清单的要求，深化模型深度要建到各零件细部节点图，将钢结构主体梁柱连接节点、幕墙骨架详细节点及大面玻璃类型和胶条建完（图4）。

图4 第2阶段模型

模型建好后待整体碰撞检查无误后，通过模型导出钢结构深化加工图及幕墙深化加工图，并生成相应材料清单用于材料采购，幕墙埋件和转接件及钢龙骨图纸反映到钢结构加工图中并成整体，钢结构加工厂整体采购加工。

通过深化模型建立，提前发现幕墙防水构造上的缺陷和薄弱环节，便于进一步优化防水构造，并在后续施工阶段重点把控薄弱环节，降低幕墙漏水概率。

2.2 一体化施工

钢结构施工特点是“短频快”、造型和跨度大，现场吊装措施特殊，主要针对连接节点部位搭设，钢结构安装完成后进行防腐和防火施工。幕墙施工须先搭设操作措施，对主体结构进行复测，偏差纠正消化后进行整体放线，安装定位钢转接件和钢龙骨，精度调整后进行焊接固定，会对已经完成的主体结构防腐油漆和防火涂料造成极大破坏，密集的转接件安装及大量焊接工作也会对结构安全性和耐久性产生难以预估的影响，现场动火隐患大、安全文明施工要求高，破坏的防腐和防火层必须二次施工，大大增加了施工时间和施工成本。

通过一体化设计施工，钢结构幕墙集成的深化图纸设计审批后，工厂加工时按照一体化图纸把幕墙的埋件和转接件及钢龙骨一并加工好，进行钢梁、钢柱调直校正，验收合格、质量和精度满足要求后进行防腐处理，按顺序运至现场安装。

施工现场在进行主体钢结构组装的同时，幕墙转接件应同步到位，既能保证埋件、转接件的精度和质量，又可节约施工时间，现场直接进入龙骨安装阶段。同时减少一道工序，大大降低幕墙施工成本。对于西湖大学异形幕墙，如水滴状搪瓷钢板，造型奇特，通过BIM技术进行一体化施工，确保外观精度满足设计要求。为保证整体外观效果，首先按照深化模型尺寸现场安装龙骨系统，模型发工厂加工面板，通过扫描龙骨及面材数据反馈进模型合模，发现偏差及时调整；接着在现场利用BIM建立施工模型，进行面材挂件和龙骨挂点的施工模拟，确保面材加工精度和现场安装精度，从而达到整体效果。

第1步水滴柱钢龙骨系统按照设计模型安装，通过现场三维扫描钢结构和转接件、龙骨系统的实体捕捉参数，严格控制复测精度，将现场复测数据反馈进深化模型中进行合模，偏差较大处进行调整，确保龙骨系统的施工精度。加工厂同步按照设计模型下料加工异形搪瓷钢板面板及挂件，加工完成后扫描数据，反馈进模型合模，如有偏差，在工厂内及时调整面板精度。

第2步龙骨系统和面板精度初步满足施工要求后，进行模拟预拼。现场使用全站仪测量捕捉整个钢龙骨面板挂点的空间坐标，加工厂同步测量捕捉面板挂件及面板特征点空间坐标，利用BIM技术建立现场龙骨和工厂面材的施工模型，将2个模型进行模拟预拼，工厂根据模拟结果进一步校正调整面板，确保模拟结果满足精度要求。

3 结语

1）钢结构和幕墙2种体系空间关系冲突问题在设计深化时解决，避免了现场大量返工修改、人材机浪费的情况；通过深化模型出图，确保了构件加工图纸精准度，为现场确保施工质量创造了条件。

2）钢结构加工时集成幕墙埋件和转接件，避免了大量幕墙埋件和转接件在现场焊接可能对主体钢结构耐久性和安全性造成的不利影响，减少现场埋件施工工序，直接进入龙骨安装节点，大大节约了施工时间和成本，取得了显著的效益。

3）异形幕墙的钢结构龙骨系统和面板通过BIM技术模拟预拼，确保了施工精度，降低了加工难度，整体完成效果得到各界一致好评，克服了弧形幕墙体系安装成品精度低、观感差的难点，满足了设计师和业主通过外立面幕墙造型提升整体建筑品质的需求。