游泳馆铝板幕墙施工技术应用分析

李义荣 （甘肃省建筑装饰工程有限责任公司，甘肃 兰州 730000）

1 工程概况

天水体育中心游泳馆地下一层，地上二层（局部三层），地下室层高为5.4m，一层层高为4.8m，二层层高为7.672m，建筑高度为27.3m，总建筑面积为17688.8m2。建筑耐火等级地下一级地上二级，建筑类别为多层乙类体育建筑，该游泳馆规模为中型游泳馆，泳池级别为甲级。建设地点位于甘肃省天水市麦积区二十里铺，主要施工内容为外立面铝板幕墙、玻璃幕墙及浮雕喷涂施工等。

该项目位于寒冷地区，铝板幕墙采用钢结构龙骨骨架、保温岩棉、双侧双层铝板外喷弹性浮雕涂料作为外墙，代替常规使用的砌筑墙体，达到了节能、节材、节水的效果，且由于该项目所处地理位置风荷载较大，因此将加强筋与铝板共同绑定，抵挡风荷载。

2 铝板幕墙施工难点

2.1 施工周期短

该工程难点为室外铝板幕墙及玻璃幕墙，由于建筑物设计造型特殊，为不规则曲面椭圆形幕墙且跨度较大，与周围建筑紧密相连，土建及安装等同时与幕墙施工，造成幕墙在施工过程中会与土建、安装等进行必要的沟通，曲面造型及较短的工期对技术要求较高，且施工材料种类较多，在材料采购、供应商确定及安装技术上均有一定的难度，且施工工期短、交叉作业多，合理安排施工进度也存在一定的难度。

2.2 钢架龙骨安装

工程铝板钢框架是由厂家生产的最终产品，由于结构宽度不同，其成型尺寸也不同，尤其是钢框架的单体构件比较长，并且在龙骨中部设有支撑，外部的龙骨坡角比较大，确保龙骨的正确安装是确保铝合金板件顺利进行的重要因素。

2.3 曲面铝板安装

游泳馆铝板的外形独特，可将铝板分成平台板、吊顶板、侧壁板，特别是侧壁板有倾斜角度，倾斜角度不同，各个部分也不尽一致。在游泳馆工程中，铝片的安装位置、弧度是施工中的一个难题，而铝片的安装位置将直接影响到整个平台的铝片和天花板的安装。

2.4 风荷载

铝幕墙和面板之间的连接主要是通过硅酮密封胶、橡胶条、螺栓连接、焊接等方法。铝幕墙所承受的水平荷载主要是风荷载。而已有研究结果表明，将加强筋与铝板相结合可提高铝板幕墙的抗风性能，但目前较少研究铝板与加强筋的变形与挠度。

3 质量控制

3.1 铝板幕墙面板施工工艺控制

铝板经过处理后，运输至工地时，必须对已运至现场的铝板进行检验，以确保其符合设计图纸[1-3]，并按图纸进行安装。在龙骨纵、横向中分线上安装铝板，用自钻自攻螺钉将铝板与机架连接，并检查、调整相邻铝板间的预定间隙及铝板垂直度。将铝片用螺钉固定于框架，梁铝板从阳角到阴角依次安装，从下到上依次安装柱铝板，每一块铝片都要涂上保护性的胶纸。

3.2 铝板幕墙面板接缝控制

在铝板的连接部位采用填料，为了保证接头附近不被污染，在铺设过程中必须贴上保护网[4-6]，注胶时要小心不要使气孔在转角处渗入。通过实例，看到了铝板材焊接时，出现了焊接接头上的扣合点数目不够以及在施工过程中出现了漏针、焊接接头不连续性等问题。在注浆时，应确保接缝处的接续，不彻底凝固的粘合表面不能触摸，否则会造成污染，当表面的粘合充分时，再进行下一步的施工。

图1 铝板幕墙铝板接缝注胶不连续

3.3 铝板幕墙面板精度控制

安装时采用两个邻近的铝板来调节加工误差、立柱安装偏差、结构变形等问题。在机架上，按铝板材接头码的定位，打洞时，接头的距离不得大于15mm，而中间的距离不得大于500mm。按照甘肃省《建筑幕墙工程质量验收规程》（DGJ32/J124-2011）[7]中的规定，铝板材表面的水平偏差不得大于2.5mm、纵向小于3mm、平面小于3mm，平行于两侧的铝板材之间的拼接高度偏差不大于1.0mm、宽度不大于2mm。

3.4 吊顶铝板施工质量控制

铝板背筋、转接挂件和横梁的排列方式对装配的成功与否有很大的影响。施工过程中，必须按照工程图纸和BIM模式提供的资料进行施工，并在施工前由设计方对BIM进行碰撞检验。

将悬挂中心的横向龙骨横向排列，便于现场施工。根据铝片的外形轮廓线，制作了横向的龙骨弯角，确保各挂件都能完美挂接，不会发生干扰和脱落。

3.5 层间高度渐变部位铝板施工质量控制

平台、天棚的横梁和横梁都与铝板平行，并以倾斜的方式排列（确保铝板与龙骨的完工面之间距离为100mm)，方便了铝板的安装和定位。

当侧面悬挂的铝板材高度大于1100mm，在中部加固位置横向设置横梁，增加了吊钩，承受水平风压力，吊钩连接，方便施工和安装。

在中间位置处横设横梁，方便现场测量和位置。

4 加强筋与铝板在风荷载下变形的影响

风压测试在北京某幕墙公司三级实验室完成。铝板幕墙按照实际工程安装，将铝板幕墙用密封胶密封，静置7d，以确保铝幕墙结构良好的气密性[8-9]。

风压加载是在一个密封良好的加压腔中进行。当施加正风压时，将加压腔内的空气抽出来，使外部环境中的空气压力可以大于加压腔中的空气压力，从而达到正风压。当施加负风压时，将气体注入加压室，使加压室内的空气压力大于外部环境内的空气压力，从而达到负风压。加压室内设置空气压力计，可测量室内外的压力差。

4.1 风荷载作用下铝板与加强筋变形分析

铝板与加强筋在等效风压作用下不同正负风压下的缺陷值如表1 所示。由于结构由上而下对称，因此选择了测量点2、5、8、11、14、17、20，便于观察和计算。

表1 铝板与加强筋在正负风压下缺陷值

在正负风压的作用下，铝板的变形量会随着风压的增加而增大。铝板在正风压下的变形值与负风压下的变形值相同，说明铝板结构稳定，能够有效抵抗铝板幕墙的局部不稳定性。铝板0～2kPa变形较快，2～3kPa 变形缓慢。原因是部件在横向风压下会弯曲变形。由于焊钉脱落等原因，铝板和加强板之间的接触面会相对错位。同时，铝板和加强筋具有相同的边界约束条件，它们都沿着其部分的中性轴变形，直到变形相等，且可观察到在风荷载作用下铝板的变形速率由快变慢。同时可发现铝板中间部分的变形最高，且加强筋的变形比铝板的变形要小得多。表明加强筋与铝板具有明显的协同效应，提高了铝板的刚度。而在铝板的下端，铝板和加强筋变形较小。因此在实际工程中，可以优化铝板中间的间距，提高铝板的整体抗风性。

4.2 有限元分析

在实际工程中，铝板幕墙的顶部用自攻螺钉固定连接，面板两侧用角铝钩住。因此，在ABAQUS 有限元分析中建模时，模型顶部约束了三个位移自由度。模型的两侧由铝合金制成。单壁空腔采用角铝连接，铝合金立柱面外刚度较弱。因此，该模型只限制了风荷载的方向。铝板和加强筋的材料性能参照《铝合金结构设计规范》（GB 50429-2007）[10]中的规定。设定铝板为弹性模量为70GPa，泊松比为0.33。铝板模型采用组合模型，铝板和加强筋分别建模。铝板和加强筋单元的型号为C3D8R，网格尺寸为20mm。铝板的风压加载采用单向风压瞬时加载。采用ABAQUS 中载荷模块下的压力，并设置铝板与加强筋为一致的分布。本试验对加强筋和铝板进行分析，风压为3kPa时铝板和加强筋的挠度和应力图，如图2、图3所示。

图2 铝板挠度变化

图3 铝板应力变化

由图2 可知，中心铝板的挠度为26.87mm，与实测值存在较大误差。原因是在测试过程中，焊钉连接了固定板和铝板。焊钉在此过程中会倾斜甚至下降，导致固定板和铝板之间出现间隙。铝板开始受力变形，导致测量误差。由图3 可知，铝板的应力集中在加强筋上，最大值为153.6MPa，加强筋上的应力在两端呈大小分布。

4.2.1 模态分析

由于铝板在高阶模态下已经完全变形和破坏，因此对高阶模态的分析没有意义。因此，选择了三种模态进行分析，如图4所示。

图4 有限元模拟结果

对于整个铝板结构来说，一阶模态是铝板在垂直方向上振动，铝板部分最先承受载荷，以中间加劲肋为中心，相邻的铝板变形较大，是整个铝板损坏的薄弱环节。二阶模态是铝板左右扭转，中间加强筋承受较大载荷。加强筋边缘部分变形明显，加强筋对整个铝板结构有很强的回拉作用。在三阶模态下，铝板从中间加强筋呈反对称分布。加强筋左侧铝板向上变形，右侧铝板向下变形，整体铝板变形明显。

5 结论

根据游泳馆幕墙结构及其设计施工特点，并结合实际工程案例归纳出铝板幕墙施工技术措施。同时为有效抵挡风荷载，将铝板与加强筋结合，并分别计算正负风荷载作用下铝板与加强筋变形，在风荷载作用下铝板的变形速率由快变慢，且铝板与加强筋共同作用可有效抵挡风荷载。试验和计算模拟均表明，复合结构下的最大变形点在铝板的跨中位置，该位置应加强铝焊钉的焊接强度，以保证铝幕墙在极端天气下的稳定性。