外倾阶梯式悬挑玻璃幕墙施工技术研究

郭志强

(中铁十七局集团建筑工程有限公司 山西太原 030032)

1 引言

随着现代建筑的快速发展，外围护结构形式也更加趋于风格迥异化，复杂多变的外幕墙形式及造型越来越受到青睐[1]，而造型独特、复杂多变的幕墙带来的是安装技术难度增加和质量要求提高。晋城文化艺术中心外观为层叠紫薇花，造型独特，外幕墙与地面呈79°外倾，采用阶梯式悬挑结构，无法在有限的工期内通过传统的配重吊篮法或者搭设通高脚手架作业法完成施工。基于此，必须要通过开展技术攻关研发总结出一整套外倾阶梯式玻璃幕墙安装技术，来保证幕墙的安装速度、精确度、质量、安全等目标，并实现幕墙外倾斜阶梯造型效果。

2 工程概况及重难点分析

2.1 工程概况

晋城文化艺术中心坐落于主城区凤台东街以北，文化路以东。建筑整体造型恰似一朵盛放的紫薇花，总建筑面积4.5万m2，其中地上3万m2，地下1.5万m2。南北大厅装饰采用整体外倾阶梯式悬挑玻璃幕墙，幕墙顶距地面29.1 m，幕墙悬挑重量大，单块玻璃自重达到150 kg，幕墙整体向外倾斜79°，幕墙竖向主龙骨与抗风钢桁架连接，形成开放的花瓣造型，如图1所示。

图1 外倾阶梯式悬挑玻璃幕墙效果

2.2 重难点分析

外倾阶梯式悬挑玻璃幕墙结构复杂，本工程外幕墙与地平面夹角为79°，体量大、工期紧、作业面有限，优美的花瓣幕墙造型意味着对幕墙安装的高精度、高质量要求，幕墙骨架安装定位难以控制，幕墙原件单块玻璃重量大，施工过程中易碎，幕墙安装过程中整体穿插作业多，施工难度极大。

3 幕墙安装关键技术

3.1 总体方案

主体结构完工经验收合格后，通过三维扫描技术及BIM技术三维建模，解决因空间结构复杂造成的幕墙与原结构构件发生的碰撞问题，并为后续幕墙深化设计、下料及精确定位放样提供依据。通过金属抱箍装置将幕墙龙骨与抗风钢桁架可靠连接，构建出外倾斜阶梯幕墙骨架结构体系，在施工安装过程中采用无支架、无配重悬挂吊篮，在保证安全、质量前提下实现幕墙快速安装。

3.2 应用了三维扫描＋BIM技术

工程结构主体建造完成后不可避免地存在施工误差[2]，因此，在玻璃幕墙安装前必须对主体结构的实际空间尺寸进行测量复核，然后根据复核空间尺寸开展深化设计及幕墙玻璃的加工制作，以满足玻璃幕墙的精准定位和精度要求。为此应用三维扫描的快速测量技术对现场抗风桁架结构进行三维扫描，如图2所示，通过对传统测量复核作业进行改进，采用三维扫描快速精确测量，降低了测量误差，大幅提高工效。

图2 抗风桁架三维扫描模型

根据三维扫描结果对外幕墙进行BIM建模，如图3所示，并将最终数据反馈至现场技术员和深化设计人员，根据三维建模反馈数据，对幕墙进行深化设计[3]，在正式进行玻璃制作安装前需对吊篮及玻璃幕墙进行放样，以指导玻璃制作及确保玻璃安装准确。利用三维扫描＋BIM技术，解决了因空间结构复杂造成的幕墙与原结构构件发生的碰撞问题，提高了幕墙骨架定位安装的准确性，同时也提高了玻璃幕墙安装的施工效率。

图3 幕墙骨架BIM模型

3.3 研发了管桁架外接抱箍装置

本工程南北入口结构形式为主、次双向平面桁架、环向空间立体桁架、立面空间抗风桁架[4]以及水平支撑和系杆组合而成的结构体系，而外幕墙主龙骨为箱形柱，针对管桁架焊接容易产生残余应力及应力集中变形[5]，影响结构安全，研发了一种管桁架外接抱箍装置，如图4所示，解决了在管桁架外接幕墙龙骨结构安全的问题。现场安装使用操作简便，连接稳定可靠，安装效果如图5所示，缩短了施工周期，加快了施工进度，同时在温度应力变形时可自由伸缩[6]，振动环境下隔振减震，下侧抱箍具备防滑作用，保证了结构安全性能[7]。

图4 管桁架外接抱箍装置

图5 现场抱箍结构

该外接抱箍装置主要包括2个抱箍，上下2个抱箍半径差1 mm，具体为10 mm厚抱箍钢环与6副M12不锈钢螺栓、1副M30高强螺栓、3块16 mm半圆形钢板、5 mm厚橡胶方形隔震垫与10 mm厚橡胶环形隔震垫组成。10 mm厚抱箍钢环与16 mm半圆形钢板在工厂里提前焊接完成，在主体桁架上安装10 mm厚抱箍钢环，套上10 mm厚环形橡胶隔震垫，接着在主体桁架上通过M12不锈钢螺栓固定10 mm厚抱箍钢环，抱箍钢环里面垫5 mm橡胶隔震垫，最后通过M30高强螺栓与焊接在幕墙竖龙骨上的16 mm半圆形钢板连接。

3.4 研发了无支架无配重悬挂吊篮

外倾阶梯式幕墙与地平面的夹角为79°，最高安装高度29.1 m，幕墙玻璃无法采用传统的施工工艺或普通机械设备运送至作业面[8]，为此，研发了一种无支架无配重吊篮，根据吊装施工承载力，吊篮结构强度经检算满足幕墙及作业的要求，确保施工安全，根据本工程的特点，在原有抗风钢桁架主体结构顶部设置悬挑钢牛腿，作为吊篮的吊点，从最底层开始安装，逐层将吊篮钢丝绳穿到上一层的骨架内，如图6所示，保证吊篮和幕墙安装作业面保持平行及适当的工作距离，保证幕墙快速可靠安装[9]。

图6 吊篮位置示意

3.5 外幕墙玻璃吊装控制要点

从最底层开始安装，逐层将吊篮钢丝绳穿到上一层的铝板骨架内，玻璃安装由最底层开始，将吊篮钢丝绳通过临时固定装置固定于安装层上层的铝板龙骨内，从而保证吊篮和玻璃安装作业面平行[10]，以确保吊篮位于适合玻璃幕墙安装作业的范围内。首先将玻璃运送至吊篮内临时固定，2个作业人员一起跟随吊篮提升至玻璃安装位置[11]，使吊篮升至玻璃安装位置下口齐平，固定提升钢丝绳，然后采用吸盘将玻璃送至安装位置进行安装[12]，如图7所示，保证玻璃顺利安装。待玻璃安装完成后，应让玻璃静置24 h，观察其整体变形情况从而进行整体微调，最后才打胶和细部处理[13]。松开固定于上一层铝板龙骨内的临时固定装置，上移一层再临时固定。逐层调整吊篮位置，每次调整吊篮至玻璃安装位置的上一层的铝板龙骨内。采用该技术后解决了倾斜幕墙玻璃安装的难题，施工更加便捷，节约了幕墙施工成本，加快了施工速度，提高了施工质量。

图7 外幕墙玻璃吊装

4 结论与体会

外倾阶梯式悬挑玻璃幕墙施工技术在晋城市文化艺术中心项目外幕墙施工中得到了很好的实际运用，开发了集三维扫描快速测量、BIM建模深化设计、无配重吊篮、管桁架外接抱箍装置于一体的外倾阶梯式玻璃幕墙施工技术，为幕墙施工提供了技术支撑，解决了外倾幕墙玻璃安装的难题，便捷、优质、高效地完成了晋城市文化艺术中心项目玻璃幕墙的安装施工，通过分析总结，得到以下结论:

(1)针对完工后的实际主体结构因施工误差、温度变形等原因存在一定的偏差，施工过程中采取的BIM＋三维扫描技术能够有效地控制误差，较好地实现深化设计效果，指导下料，有效地解决了复杂空间结构施工难定位的情况，保证放样安装的准确性。

(2)根据本工程结构特点，为实现幕墙外倾斜造型效果的同时保证安全性，幕墙龙骨需要与抗风钢桁架可靠连接，并满足一定程度可自由滑动的温度变形要求，通过使用自主研发的管桁架外接抱箍装置，解决了受力问题，装置稳定可靠，安装简便，美观实用，提高了结构整体的安全性和抗震性。

(3)因本工程幕墙为外倾悬挑结构形式，且顶部屋面结构不能承重，无法采用传统的吊篮悬挂方式施工，通过设计采用无支架无配重悬挂吊篮装置进行安装，解决了外倾幕墙玻璃安装的难题，满足了施工要求，加快了施工进度。

(4)通过晋城文化艺术中心实际应用总结的外倾阶梯式悬挑玻璃幕墙施工技术，不需要过度依赖各类作业吊装车辆和升降平台，降低了能源消耗。通过对施工现场的优化分区，加强幕墙安装物料的集中管控，有效地降低了对环境的污染破坏，实现了绿色施工。节约工期10 d，获得经济效益11万元，取得了良好的社会、经济效益。随着我国大型公共建筑的独特化设计、建设，该技术具有良好推广应用前景。