大型穹顶多轴式金属饰面板安装技术研发与应用

吴 龙 简齐超 李思瑾

1 工程概况

绍兴大禹陵纪念馆，主体结构为钢结构，地下一层、地上二层，总高度约25.4 m，建筑面积27000 m2。地上约7000 m2，地下约20000 m2。其中核心筒区穹顶饰面采用了约9000 多块铜砖，工程量较大（92 层，每层98 片，总共9016 片），现有的穹顶金属饰面板安装完成后，均为固定状态无法活动，容易出现不平整或者板缝不齐的情况，很难通过其他的方式进行调整，对饰面板进行调整变更饰面效果更是无法操作，只能拆除现有饰面板重新安装，且拆除时很难保证饰面板不被损坏。饰面板常规安装方式，虽然技术成熟，但是调整操作很难实现，如需调整只能采取拆除重装的方式，会造成材料浪费、人工成本增加等问题。确保铜砖平整度和安装效率的提升，是穹顶金属板安装的施工质量及观感上提升的关键。

2 工艺特点

施工简单快捷。通过调整钢架安装顺序，大量减少了工人仰头操作的次数，降低了劳动的强度与难度，缩短安装时间，同时更好的保证了钢结构的安装质量。

接缝高低差、接缝宽度控制好。多轴式连接件可调节范围：X轴最大可调8 cm，Y轴最大可调8 cm，Z轴最大可调10 cm，饰面角度可调–12°～+15°。多轴调节有效的保证了饰面金属板弧形造型的连续性，并降低了后续检查和调整的难度。

装饰弧形效果好。饰面金属板、多轴式连接件与基层钢架连接牢固后，通过多轴式连接件进行调和，达到完美的弧形效果。

轻质经济施工简单便捷，降低劳动强度，加快施工进度，节约工程总造价。

3 全过程管理

3.1 设计方案的确定

鉴于现场为大型穹顶式建筑，现场安装饰面前期设计方案为瓷板安装。但考虑到干挂瓷板及单块安装重量大约为2.5 kg，穹顶上部瓷板基本呈倒挂形式，在能满足整体效果的前提下，安全性需要进一步进行验证，且在一定程度上需要保证瓷板稳定性，内部钢结构挂接基层为不可调节式，在施工过程中，对于精度的要求比较高，若瓷板后场加工出现偏差，材料损耗率较大。

基于以上考虑，项目部应该及时与建设、设计单位进行协商讨论，优化设计方案，最终确定利用科调节式钢结构基层和轻质手工铜砖，在保证了安全性的前提下，最大程度上还原设计效果。

3.2 工期控制

该项目施工工期仅为83 d，施工工期较为紧张，体量大，施工工艺造型复杂。工程施工工期的控制紧密结合进度目标进行施工方案确定，理清项目施工重难点及工程计划关键线路。施工中根据实际情况实施合理纠偏，动态调整和控制，进而按照规定和计划规定的时间完成施工目标，实现有效控制。具体施工工期控制要根据施工计划进行合理规划、控制和协调，管理人员具有重要责任，同时也是其担负的职责和基本的工作要求。

3.3 材料的选取和加工

项目穹顶涉及大量铜砖，且材料质量、运输距离及加工排产周期是材料选取的关键因素，项目遵循在材料的性能标准以及成本预算可控的情况下，坚持“货比三家”，对材料的供应商资质进行严格审查，并能提供相关的材料性能检测报告等质量证明文件，优先选用具有ISO9000 体系审核认证的生产厂家，在其材料符合采购计划时选择距离施工项目较近的材料供应商。

3.4 材料的后场加工

现场大部分面层材料要求后场加工完毕后直接现场安装，省去现场二次深化加工的繁杂程序，降低施工现场粉尘污染，提升项目施工效率。但材料后场加工对尺寸和精度要求极高，为避免材料运抵现场后因下单尺寸偏差无法安装，现场利用建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）点云放线技术对现场完成面进行复原处理，对曲面及造型复杂区域进行精细化排版下单。施工管理人员将切割排版图与现场实际情况进行二次比对调整，确保后场加工材料运抵现场后可直接使用，避免二次深化加工，增加粉尘污染。

4 施工关键技术

4.1 基层钢架分段式安装

基层钢架环形部分经过深化设计，进行合理分段，预先在地面完成焊接安装[1]。再通过机械设备将每段钢架临时抬送到预定位置，最后将其与竖向的钢架和建筑钢结构焊接牢固。通过调整钢架安装顺序，大量减少工人仰头操作的次数，降低了劳动强度与难度，缩短安装时间，同时更好的保证了钢结构的安装质量。

4.2 多轴式连接件组装

如图1 所示，自研结构构件多轴式连接件各子部件在工厂生产，现场快组装[2]。子部件1 ～3 通过结构造型组装成多轴式连接件，并保持上下、前后、左右、饰面角度均可调节的状态。前文已述，多轴式连接件可以调节范围为：X轴最大可调8 cm，Y轴最大可调8 cm，Z轴最大可调10 cm，饰面角度可调–12°～+15°。多轴调节有效的保证了饰面金属板弧形造型的连续性，并且降低了后续检查和调整的工作难度。

图1 多轴式连接件拆分效果图（来源：作者自绘）

4.3 饰面金属板套筒式连接

如图2 所示，饰面金属板在工厂预先打孔，在现场快速与多轴式连接件的子部件3 螺钉连接，形成金属板与多轴式连接件组合的整体后，将其通过机械设备运送到安装部位，通过子部件1 与基层钢架套筒式连接。确定饰面金属板、多轴式连接件与基层钢架连接牢固后，通过多轴式连接件进行调和，达到完美的弧形效果。

图2 多轴式连接件与连接板示意图（来源：作者自绘）

5 工艺流程和操作要点

5.1 施工工艺流程

施工准备—三维测绘扫描定位—BIM 深化设计—材料下单与加工—基层钢架安装—多轴式连接件组装—饰面金属板安装—饰面金属板调和—三维扫描复核—饰面金属板局部调和—验收。

5.2 操作要点

5.2.1 施工准备

施工准备工作应该按照以下2 个步骤着手进行：第1，模型与图纸准备。确定铜板穹顶的三维BIM 模型，对于不同高度安装段，导出二维平面图纸。第2，材料准备。按进场计划将施工所用的三维测绘扫描仪，多轴式连接件、饰面金属板、螺钉、基层钢架、脚手架钢管、升降机、手电钻、等工具和材料运至现场；工具和材料的合格证书、性能检测报告、进场验收记录和复检报告应齐全并符合要求。

5.2.2 三维测绘扫描定位

首先，使用三维测绘仪器对现场钢结构进行扫描，通过专业软件处理形成点云模型，并与设计原始模型进行对比拟合[3]；其次，通过对比拟合，在地面确定基准点，在穹顶各个高度段确定竖向和水平向的关键点位；最后，使用全站仪在施工现场进行精准定位，标记出基础点和各高度段的各关键点位。

5.2.3 BIM深化设计

首先，根据三维测绘扫描形成的点云模型调整原始设计模型；其次，根据修改调整后的三维模型进行基层钢架的深化，对基层钢架进行合理分段，导出现场基层钢架加工安装图；最后，同时对多轴式连接件进行深化，绘制加工图，注明加工精度[4]。

5.2.4 材料下单与加工

根据调整后的三维BIM 模型确定基层钢架、多轴式连接件、金属板等材料的加工图和用量，并通过工厂下单加工。

5.2.5 基层钢架安装

首先，依据标记好的竖向关键点位，完成竖向基层钢架的安装；其次，根据BIM 图纸将分段式环形基层钢架在地面安装完成；再次，依据标记好的水平向关键点位，通过机械设备将分段式环形基层钢架临时抬送到预定位置；从次，将分段式环形基层钢架与竖向的钢架和钢结构焊接牢固；最后，抽检焊接点位。

5.2.6 多轴式连接件组装

多轴式连接件的组装在现场地面进行，将各子部件通过结构造型进行套筒式连接，再将两者的整体与子部件通过结构凹凸造型进行组装，形成多轴式连接件整体。

组装成型后，检查套筒连接的可转动性与可移动性，检查凹凸造型连接处的可调节性，符合要求后，将子部件临时拆下，利于下一步饰面金属板安装。

5.2.7 饰面金属板安装

在地面进行与多轴式连接件的安装，通过饰面金属板预加工好的孔眼进行与多轴式连接件的定位，定位准确后使用手电钻和螺钉将两者连接，再将子部件重新组装，形成饰面金属板与多轴式连接件的整体。

使用升降机将材料抬升至待安装部位进行，将整体的子部件与基层钢架进行套筒式连接，并检查两者之间进出位置的可调性是否满足要求，如图3 所示。

图3 饰面金属板整体安装图（来源：作者自绘）

5.2.8 饰面金属板调和

根据左右上下及关键点的对比，进行饰面金属板的调和。首先通过子部件与基层钢架调整饰面金属板的前后进出位置；其次，通过各子部件间的凹凸连接调整饰面金属板的上下位置；最后，在上一步骤调整到位后，通过各子部件间的套筒连接调整饰面金属板的左右位置和饰面倾斜角度。

5.2.9 三维扫描复核

饰面金属板全部安装并调和后，进行三维测绘扫描，并将测绘得到的点云模型与深化后的BIM 模型进行色谱分析，检查安装效果，得到需要调整的金属板的位置和偏差信息。

5.2.10 饰面金属板局部调和

依据色谱分析可得到需要调整的铜版纸的位置和偏差信息，进行饰面金属板的局部调和，调整方法和前文相同。

5.2.11 验收

饰面金属板经过局部调和后，再次进行三维测绘扫描，重新进行色谱分析，达到验收要求。

6 质量控制

6.1 主控项目

首先，焊接材料应符合设计要求和有关标准的规定，应检查质量证明书及烘焙记录。其次，焊工必须经考试合格，检查焊工响应施焊条件的合格证及考核日期。再次，Ⅰ、Ⅱ级焊缝必须探伤检验，并应符合设计要求和施工及验收规范的规定，检查焊缝探伤报告。最后，焊缝表面Ⅰ、Ⅱ级焊缝不得有裂纹、焊瘤、烧穿、坑等缺陷。Ⅱ级焊缝不得有表面气孔、夹渣、坑、裂纹、电插伤等缺陷，且Ⅰ级焊缝不得有咬边、未焊满等缺陷。

6.2 一般项目

焊缝外观：焊缝外形均匀，焊道与焊道、焊道与基本金属之间过渡平滑，焊渣和飞溅物清楚干净。

表面气孔：Ⅰ级、Ⅱ级焊缝不允许，Ⅲ级焊缝每50 mm 长度焊缝内允许直径≤0.4 t；且≤3 mm 气孔2 个；气孔间距≤6 倍孔径。咬边：Ⅰ级焊缝不允许。Ⅱ级焊缝：咬边深度≤0.05 t,且≤0.5 mm，连续长度≤100 mm，且两侧咬边总长≤10%焊缝长度。Ⅲ级焊缝：咬边深度≤0.1 t，且≤1mm。金属板安装允许偏差及检验方法另计[5]。

7 结语

绍兴大禹陵纪念馆利用基层钢架分段式安装、多轴式连接件组装、饰面金属板套筒式连接等先进施工技术，有效提升了穹顶铜板安装质量，并且施工进度快、观感效果好、设计方案还原度高。

大禹陵纪念馆作为景区的核心部分，公祭典礼的场所，每年举办活动，祭拜祖先，寄托追思、缅怀先祖、追念禹王的圣功伟业，同时兼顾了公祭典礼作为国家级非物质文化遗产的传承性和庄严性（图4）。

图4 整体安装完成效果图（来源：作者自绘）