超大体量复合单元精致艺术品整体安装技术研究

柳树成

（广州市第四建筑工程有限公司，广东广州 510220）

0.引言

超大体量精致艺术品由钢网片下方的吊环系挂超细高强度纤维绳并按照艺术设计的姿态（水平、竖直、倾斜）、高度、平面位置等要求悬挂水晶三棱柱（见图1），整件艺术品由4305条水晶三棱柱共同组成，体量庞大、安装程序复杂，对安装精度要求和各棱柱的顶面相对高差要求严格[1]。与此同时，在艺术品正下方的首层地面，有一口平面呈三角转子形的大直径镜面水池，如何实现正常的施工作业是亟待解决的。

图1 平面数字编码定位

1.工艺原理

结合BIM技术，通过大跨度钢结构平台在大直径镜面水池之上实施跨越施工、利用同步控制系统提升艺术品承载用的钢结构网架，根据复杂的水晶棱柱布置特点创造性地设计出类矩阵平面数字编码体系准确安装不同姿态的棱柱单元。

2.施工工艺流程

起重吊钩设计及焊接制作→成品保护→承托施工平台设计制作→艺术品钢网架深化设计及制作→平面数字编码定位设计及标线放样→起重系统设计及驱动系统和同步控制器安装→平行钢索吊篮安装→滑车组、钢丝绳穿绕设计及安装→钢网架多吊点同步提升调试→超细高强度复合纤维绳系挂→水晶棱柱系挂安装及顶面相对高差控制→逐层吊挂并分段检验合格后整体提升至预定位置锁紧固定→钢结构承托平台拆除→恢复现场原貌。

3.技术要点

（1）镜面水池位于艺术品正下方，需要实现跨越施工才能顺利安装；（2）艺术品构成复杂，根据视觉和光学艺术效果，其姿态设计不尽相同，对数量庞大的水晶棱柱准确定位提出极高的要求；（3）同步提升悬挂钢网架可以配合人工逐层安装水晶棱柱，其起重系统安装和调校是施工重点之一；（4）水晶棱柱顶面相对安装高差的分布差异大小直接影响艺术品各个侧向观感和光折射路径，需要采取有效措施逐层检查误差值。

4.施工过程

4.1 成品保护

用彩条布覆盖镜面水池及其周围，保证钢结构平台和工具触及的范围不会直接接触已完成的整体水磨石地面。铺设白色纤维布，张紧并固定，避免因松弛而影响后续标线的准确。

4.2 大跨度钢结构承托施工平台设计及制作

艺术品安装必须跨越一口平面呈三角转子形直径12.8m的镜面水池。考虑到钢结构重量轻、抗弯刚度好、能实现较大跨度，并且可以循环使用，采用焊接钢结构制作大跨度钢结构承托平台。该平台由立柱、主梁、次梁、木枋、面板组成。

根据拟定的结构平面布置图在BIM环境中建立钢结构承托平台，并对其进行优化。在TEKLA中进行钢结构承托平台的模型建立，包括构件清单、尺寸标注、节点大样等设计。制作直径600mm的钢立柱，按照设计位置放置，利用激光水准仪超平钢立柱的顶面，使得6根立柱顶面水平[2]。外边相邻角点连线方向设置H型钢主梁，平行于长边方向设置H型钢次梁，沿垂直次梁方向铺设45mm×95mm木枋，面铺18mm建筑夹板，并用钉子固定。最后检查板面平整度和挠度是否满足要求。

4.3 艺术品钢网架深化设计及制作

按照艺术品设计说明书及效果图对钢网架结构进行深化设计。钢网架由50mm×100mm矩形钢管与节点的圆钢柱焊接而成，焊缝高度6mm。钢网架长度约12.43m，宽度约8.70m，厚度约100mm。共计205个圆柱节点，相应设置205个超细复合纤维绳系挂点。系挂点采用6mm光圆钢筋制作的弧形件居中焊接于节点圆柱下方做吊挂用的吊环。

4.4 起重吊钩设计及焊接制作

每个吊钩承受的荷载主要有2台起重双轮滑车、一台换向用单轮滑车、有吊挂水晶柱用的钢网架、全部4305根水晶三棱柱，总重量约3t，设计预留一定的功能储备，按每个吊钩承受15kN计算。为方便调整艺术品最合理的摆放方向，玻璃光棚下方的钢梁交叉点位置均设计有吊钩。按照确定的摆放位置与玻璃光棚钢梁进行叠图，确定了钢网架吊点位置为DG1、DG2、DG3和DG4。

在3DMAX软件中初步建立吊钩模型大样，并充分考虑与环境的协调性，优化吊钩式样和尺寸。确定后形式后利用TEKLA建立吊钩模型，吊钩采用长度330mm、宽度170mm、厚度16mm的Q345B钢板制作，顺着钢梁轴线方向焊接。为防止应力集中，于吊钩两侧焊接6mm的加劲板。经设计计算吊钩满足安全要求。

4.5 同步提升系统安装

起重机配合安装4部卷扬机，固定在4个吊点对应位置的附近。卷扬机配合装设同步控制器及相应的配套设备，待钢丝绳和滑车组安装就绪便可启动。

4.6 滑车组、钢丝绳穿绕设计安装

在平行于任意2个吊钩连线方向两侧设置对称的直径18mm的钢丝绳平行索道，并与相应位置的屋架梁固定。施工吊篮利用平行索道悬挂运行，工人站在吊篮内行至吊钩下方时，采用弓形和D型卸扣连接安装钢丝绳换向单轮滑车、起重用吊环型双轮滑车。然后将固定在屋面结构的卷扬机钢丝绳引出，按花式绕法依次穿过换向滑车、起重双轮滑车并将绳头自由端连接钢网架提升用的吊环型双轮滑车，钢丝绳接头编束处理并经检验合格。这样在钢丝绳的收放过程中，提升用的吊环型双轮滑车就可以上下运动。由于双滑轮组的组合应用，起升会更加省力[3]。

按前述方法安装索道方向另一个吊钩下方的滑车组。同样方法，在剩余2个吊钩连线方向搭设索道悬挂施工吊篮进行相应位置滑车的安装。提升钢网架的吊环型双轮滑车升降调试正常后，启动卷扬机将其下放至钢结构平台面。其余3组滑轮及钢丝绳同样按上述方式操作。然后将4个提升用吊环型双轮滑车分别用一个1.5t级的弓形卸扣与钢网架吊环连接。

4.7 钢网架多吊点同步提升调试

用弓形卸扣将4个吊点的起重双轮滑车与钢网架吊环连接，连接符合要求后启动卷扬机上升至距离平台1200mm高度，检查钢网架稳定性，并用激光测距仪测量钢架底面距离平台面高度，调整至水平，保证4个吊点相初始相对高差≤50mm。钢网架每提升一个安装高度，4个吊点最大相对高差≤50mm；在4台卷扬机提升速率调整一致后，对钢网架进行上升、下降或静止操作。

4.8 复杂空间水晶棱柱数字编码定位及标线放样

每个吊环下方将系挂超细高强度纤维绳线卷，线卷自身可以临时卡紧，每次安装完一定高度再放下一定长度。

根据钢网架和水晶棱柱的关系，设计出类矩阵数字编码技术。

钢网架6个角点顺时针标记为A-B-C-D-E-F，吊点位置标记为DG1、DG2、DG3和DG4。平行AB方向连线均以绿色标线粘贴，平行BC方向连线均以红色标线粘贴，平行CD方向连线均以蓝色标线粘贴。

首先沿相邻长短边AB→BC方向左侧，对应每个三角形底边依次标记为1，2，3，…，13，14；相对DE→EF方向左侧，对应每个三角形底边依次标记为14，13，12，…，3，2，1。

自BC边开始，由B→C的方向，沿着底边相邻的三角形，依次编码为1，2，3，4；接着按照“Z形”走向，对第二行底边相邻的三角形依次编码为5，6，7，8，9；以此类推，按照“Z形”走向，对第二十行底边相邻的三角形依次编码为176、177、178、179和180。

至此，空间设计分布的水晶棱柱平面数字编码体系已经建立，接下来就是按照“坐标”逐个系挂，如图2所示。

图2 艺术品水晶棱柱类矩阵数字编码平面标定

4.9 超细高强度复合纤维绳系挂

超细高强度复合纤维绳线卷颜色呈墨黑，直径0.2mm，钢网架调平并试运行通过后，系挂在钢网架下方的吊环，释放一定高度后临时卡紧悬空。绳每个800mm长会有一个连接件，上有8个孔，可与水平8个方向的纤维绳作连接。

4.10 水晶棱柱系挂安装及顶面相对高差控制

采用激光测距仪测量顶部反射面至平台面的距离，以此测算各点高度，然后计算出最大相对高差是否超允许值。

4.11 整体提升至预定位置固定锁紧

校准最后一层水晶棱柱并校验合格后，整体一次性提升至设计安装高度时停止运行，机械固定锁紧卷扬机钢丝绳，电源关闭。

4.12 收起台面编码布并拆除钢结构承托平台

待水晶艺术品整体提升到预定位置锁紧并确保安全后，开始起出平台板面的图钉，取下编码布并叠放整齐入库。取下所有夹板、木枋整理入库便于其他项目使用。焊工使用氧乙炔火焰切割梁柱节点，将拆除的钢梁、钢立柱等构件运输至材料堆场，覆盖防雨布留作其他项目使用。

4.13 撤走成品保护用的塑料布等，恢复原样

将保护用的彩条布、软垫等保护用品全部清除干净，整理入库。镜面水池遗落的废料、碎屑用吸尘器清理彻底，施工区域恢复如初。

5.质量标准

（1）钢结构施工平台的设计、施工应符合《钢结构设计标准》GB50017-2017和《钢结构工程施工规范》GB50755-2012；（2）平台中心挠度≤5mm；（3）钢结构经调平后方可敷设木枋、面板及白板纸，面板和白板纸用自攻螺丝固定牢固，保证面板无翘曲、起鼓；（4）钢网架每提升一个安装高度，4个吊点最大相对高差≤50mm；（5）钢网架提升速度≤200mm/s保证网片稳定匀速提升，便于水晶棱柱快速静止；（6）同层水晶棱柱体顶面安装相对高差≤15mm；（7）水平、倾斜姿态的水晶棱柱侧向正视一致；（8）悬挂钢网架严格水平；（9）水晶棱柱无破损、污迹且不应留有指纹。

6.安全要求

（1）采用平行钢索悬挂施工吊篮安装起重吊钩，吊篮操作人员不能多于1人，且应系挂专用安全绳与永久结构做可靠固定，安全绳不得与施工吊篮等任何设施有连接、牵绊；（2）每层水晶棱柱安装应认真检查系挂点、超细高强度复合纤维绳的可靠度，全数验收方可提升；（3）施工人员需要佩戴安全帽，水晶棱柱安装工人需要统一穿戴洁净服装、白色安全帽、戴鞋套、戴塑胶手套口罩和护目镜；（4）现场出入口封闭管理，避免扬尘。

7.结语

（1）本技术采用大跨度钢结构承托平台、数字多向同步动作控制系统、数字编码空间定位渐进式吊挂技术实施艺术品的安装，具有能耗低、投入小、劳动强度低、便于维修保养以及时间效率高等优点，节约工期，经济效益明显，质量可靠，技术先进。

（2）设计科学合理，减少人工投入，精确控制一次做对，大大提高施工效率，具有较强的适应能力和较大的推广价值。该艺术品属于原创设计，造型和组成结构特殊，没有成熟的安装经验可以借鉴。

（3）通过吊装方案设计、跨越镜面水池施工，结合用BIM技术进行虚拟施工验证操作的可行性并进行结构设计，在多吊点同步提升技术的协助下，按照精心设计的数字编码渐进式吊挂技术实现钢网架平稳渐进式提升，4305根水晶棱柱精准系挂、规避高处作业带来的施工安全风险。

（4）随着大型建筑公装要求的快速提高，艺术家的审美更加大胆张扬，追求美感的同时也在比肩创意。新颖别致、独出心裁的作品更是层出不穷。本安装技术对于大体量、多单元复合组成、构造复杂、施工环境苛刻的艺术品或类似安装工程提供了很好的参考范例。