大跨度悬挑铝板幕墙整体吊装技术研究与应用

郑新愿,鲁永杰,闫文博

(中国水利水电第五工程局有限公司,成都 610066)

0 引言

随着建筑行业的不断发展,大跨度悬挑铝板幕墙广泛应用于建筑装饰工程。传统幕墙安装运用吊篮或脚手架为施工平台,幕墙结构按单体构件逐一吊装或小单元构件吊装拼接方式安装。针对跨度大、高度高、悬挑长度长等结构,采用传统幕墙安装方式施工存在吊装施工效率低、措施成本高、施工难度大及施工周期长等问题。

为了解决这些问题,大跨度悬挑铝板幕墙整体吊装施工技术应运而生。通过将加工完成后铝板幕墙构件在地面胎架上拼装成整体。并利用吊装设备将其整体吊装到预定位置。从而实现了施工的快速、高效。该技术不仅能够提高施工效率,缩短施工周期,还能够保证施工过程的安全和可靠。

本文将以蜀山泵站大跨度悬挑铝板幕墙整体吊装施工为研究对象,运用BIM技术、有限元分析建立三维模型,进行构件精准施工、吊装点设计和构件整体吊装稳定性分析。从吊装设备选型、吊装方法、步骤及安全措施入手,探讨其整体吊装施工技术。

1 工程概况

引江济淮工程是一项以城乡供水和发展江淮航运为主,结合灌溉补水和改善巢湖及淮河水生态环境为主要任务的大型跨流域调水工程。其中江淮沟通段蜀山泵站枢纽为引江济淮工程线路重要节点。蜀山泵站建筑方案以现代中式风格建筑呼应“水上丝路,盛世江淮”的设计主题,整体采用三段式,清晰划分出基座、墙身、屋顶,造型稳重大气,于河段中间处形成视觉中心点。泵站建筑造型为树立“水上门户”的形象,突出中间主厂房形体,提取传统建筑中大屋顶及飞檐的建筑元素,与立面竖向立柱一起,通过现代手法转译营造出壮观的气势和特有的飞动轻快的韵味,同时形成建筑屋顶丰富的高低层次。

屋顶铝板幕墙横跨整个主厂房,长度为177.45 m,宽度为38.7 m。其中厂房北侧飞檐造型为大跨度悬挑结构,纵向跨度33.5 m,悬挑长度12.45 m,安装高度23 m。悬挑结构采用钢结构支撑体系,为实现方案造型飞檐效果,采用铝板幕墙外包装饰。铝板幕墙由镀锌方通龙骨和铝单板组成,整体通过幕墙龙骨固定在钢结构支撑体系上,整体质量29.57 t。

2 工艺原理

针对大跨度悬挑幕墙结构跨度大、悬挑长度大、安装高度高及结构复杂等特点,运用BIM技术、有限元分析建立三维模型,进行构件精准施工、吊装点设计和构件整体吊装稳定性分析。从吊装设备选型、吊装方法、步骤及整体吊装安全措施入手。将加工完成幕墙龙骨和装饰铝板构件在地面胎架上拼装成整体,采用吊装设备将铝板幕墙一次整体吊装至安装位置。解决传统幕墙安装方式存在的施工效率低、施工难度大及施工周期长等问题,实现了施工快速、高效,降低施工难度和风险。

3 BIM技术应用

大跨度悬挑铝板幕墙结构为倒挂三角形型式,铝板造型凹凸有致,幕墙龙骨结构型式复杂。采用传统手工下料和二维平面图下料加工存在误差较大,加工精度难以保证。同时前期安装钢结构支撑体系存在一定误差。为了提高幕墙构件加工和安装精度,现场测量数据,运用BIM技术,建立三维可视化模型。实现构件安装方案可视化,并从模型中提取加工数据进行参数化提料,实现大跨度悬挑幕墙精确加工和快速安装[1]。

4 吊装设备选型及吊装点设计

4.1 吊装设备选型

吊装设备选型应综合考虑吊装场地、吊装重量、吊装高度、吊装构件吊装点及构件变形情况。吊装位置场地空间开阔平整,满足各种吊装设备要求。本工程幕墙整体预制安装完成后是一个长33.5 m,宽6.8 m的框架体。从BIM三维模型中提取质量参数,整体质量29.57 t。由于构件形体尺寸、重量大且吊装安装高度达23 m,选用单台吊装设备时吊点少,吊装点应力集中,构件易变形,且需要更大型的吊装设备。综合考虑以上因素,选用2台100 t汽车吊进行抬吊施工。

4.2 吊装点设计计算

吊装点设计进行吊点数量选取和吊装点位置的布置,吊装点设计合理是确保构件吊装安全的前提。吊装点设计结合弯矩小、应力小、挠度小准则,吊装点数量和吊装位置布置要保证构件吊装稳定、安全[2]。

根据构件特点,整体骨架呈横卧直角三棱柱型,三棱柱骨架长度方向共分为14榀,单榀间距2.6 m。根据有限元模拟分析计算,整体吊装共设计4个吊装点,单台吊车为2个吊装点。吊装点位置布置在距骨架端头第四榀骨架上,约1/4跨度位置。吊装点将构件沿长度方向分成三跨连续结构,有效减小构件弯矩。吊装时吊绳固定在吊点位置横向龙骨上,焊接角钢绳槽防止吊索滑动。根据吊点受力分析计算结果,吊装点结构自身强度满足吊装需求,同时吊装构件应力、变形满足要求。吊装点布置示意见图1。

图1 吊装点布置示意

5 整体吊装施工流程及操作要点

5.1 准备工作

幕墙整体吊装前需准备整体预制拼装场地和吊装场地,由于大跨度悬挑铝板幕墙结构体型较大,不方便整体移动。结合现场实际情况,幕墙安装位置下部地面作为整体预制拼装场地。附近场地平整,无障碍物,满足吊装场地要求。场地选定后进行清理和压实处理,确保场地坚实、平整。

5.2 幕墙龙骨、装饰铝板整体拼装

幕墙龙骨骨架断面型式为三角形,直角边长度分别为6.8 m和6.0 m,纵向由14榀桁架连接纵向龙骨组成。整体结构形式为倒置式三角形,无法靠结构自立稳定。所以,场地平整后需进行安装胎架施工。胎架采用矩形方管根据幕墙骨架结构形式拼装加固。

铝板幕墙构件根据下料单在加工厂按单元构件加工制作挖完成,为减少现场加工、焊接工作量,根据幕墙龙骨结构特点,将整体骨架按榀为单位分成14个单元在加工厂焊接完成,加工完成运至安装现场,在地面胎架上按单元组成顺序拼装成整体。在地面拼装能更好的控制幕墙龙骨和铝板的安装、焊接质量[3]。

安装过程采用全站仪进行构件精确定位放样和检验[4],骨架焊接完成进行结构整体复测和焊缝检测,检验合格后进行铝板安装。铝板安装严格按分缝和铝板编号进行,保证安装效果和外观效果。安装完成后采用全站仪和激光水准仪检查铝板平整度和结构整体线型。吊装过程中可能存在一定变形,吊装前铝板缝不进行封闭,并且保护膜留着保护铝板。

5.3 整体吊装稳定性计算分析

吊装前运用有限元分析计算软件3D3S Design建立幕墙整体有限元模型进行吊装稳定性和构件强度计算分析。根据吊点设置避免幕墙整体构件在吊装过程中发生变形[5]。根据构件组成和吊装点设置情况,计算模型建立1060个单元总数、606个节点总数和4个支座。考虑恒荷载和活荷载两种工况进行线性分析计算。

(1)构件最大最小位移计算

根据结算结果,整体吊装构件最大竖向位移在跨中位置26 mm。线性组合最大最小位移见表1和图2。

表1 线性组合最大最小位移

图2 线性组合最大最小位移(整体)

(2)对整体吊装构件进行应力比验算,强度应力比最大为0.939<1,满足吊装强度要求。稳定性应力比最大为0.813<1,满足吊装稳定性要求。

根据以上验算结果,吊装点设计和结构整体强度和稳定性满足整体吊装要求。

5.4 整体吊装施工

(1)吊装前将汽车吊吊装位置地面进行压实处理,尤其吊车支腿基础位置压实整平,防止沉降,吊装时在支腿下放置垫板。

(2)由测量人员采用全站仪测放出幕墙构件与钢结构连接点位置,并做明显标记。

(3)组织具体操作人员进行吊装前吊装方法工艺和安全注意事项交底。

(4)针对作业环境、吊装机械设备及吊具、钢丝绳等方面进行全面检查。

(5)起吊设备就位,安装吊绳至起吊点。

(6)试吊,幕墙整体构件起吊距离地面约100 mm,检查起吊设备运行状态是否良好、钢丝绳是否存在断股等现象、起重设备支腿是否存在下沉、整体构件是否有变形、焊缝开裂等现象。确保施工安全后方可正式吊装。

(7)经过检查无安全隐患后,由起重设备信号工同步指挥2台汽车吊缓慢上升,逐步到达设计安装位置。

5.5 构件固定

幕墙悬挑结构龙骨为三角形结构,上部倒挂在支撑钢结构桁架上,侧面与建筑外墙预埋钢板连接。吊装至设计安装位置保持稳定,用全站仪复测安装位置和安装对接点,采用一台50 t汽车吊对跨中和两端进行微调,消除吊装挠度变形,微调稳定后开始焊接固定。焊接固定时从靠近吊装点节点开始两侧对称焊接固定,侧面和顶面同步多人进行。避免构件在空中长时间停留发生位移。待全部连接点焊接完成后进行焊接点检查,检查无误后进行缓慢放松吊钩。

5.6 构件保护和安全措施

在幕墙整体吊装施工时,为了保护构件的安全和完整性,同时确保施工过程的安全,需要采取一系列的保护和安全措施。

在吊装前,铝板保护膜不拆除,防止铝板表面受到损坏。吊装过程中使用的吊装工具如吊索、吊钩等也需要进行保护,以防止其对构件造成损害。可以在吊索和吊钩的接触部位加装保护套,或使用软质材料进行包裹,以减少对构件的摩擦和冲击。由于吊装幕墙构件离墙面较近,在进行幕墙整体吊装时,合理规划吊装位置,避免和墙面产生相互碰撞,设置缆风绳防止吊装过程构件晃动,确保吊装过程安全顺利进行。在吊装过程前和吊装过程中,需要进行安全检查,确保吊装设备和构件的状态良好。

在进行幕墙整体吊装时,需要控制吊装速度,避免过快或过慢导致构件的损坏。可以通过调整吊装设备的速度和力度,使吊装过程平稳进行,减少对构件的冲击和振动。

吊装人员需要经过专业培训,熟悉吊装设备的操作规程和安全要求,掌握吊装技巧和注意事项。具备良好的安全意识和团队合作精神,在吊装过程中密切配合,确保施工安全。

6 应用情况

大跨度悬挑铝板幕墙整体吊装施工技术在蜀山泵站工程得到成功应用。若按传统幕墙安装方式,将幕墙龙骨和铝板等构件按单体逐一吊装安装,施工工期20天,且高空作业量大,吊装设备台班费用高,高空悬挑倒挂结构安装施工质量难以保证。在加工厂将幕墙构件单元化加工运至现场地面胎架上拼装成整体后一次吊装到位,总工期11天,吊装完成后整体安装精度满足相关规范要求。该技术实施后大大提高了施工效率、缩短了施工周期、降低了施工成本,并且安全可靠。

7 结论

本文涉及一种大跨度悬挑铝板幕墙结构整体吊装技术,运用BIM技术、有限元分析建立三维模型,进行构件精准施工、吊装点设计和构件整体吊装稳定性分析。从吊装设备选型、吊装方法、步骤及整体吊装安全措施入手。将大跨度悬挑铝板幕墙在地面胎架上拼装成整体一次吊装至安装位置。解决了传统幕墙安装方式存在的施工效率低、施工难度大及施工周期长等问题,对类似工程施工具有借鉴意义。