鋼結(jié)構(gòu)幕墻一體化設(shè)計(jì)施工技術(shù)

陳 立

上海市機(jī)械施工集團(tuán)有限公司 上海 200072

鋼結(jié)構(gòu)框架梁柱位置靈活多變、節(jié)點(diǎn)復(fù)雜，幕墻體系中預(yù)埋件、轉(zhuǎn)接件及龍骨體系依附主體結(jié)構(gòu)，且構(gòu)造復(fù)雜。傳統(tǒng)的施工工藝將鋼結(jié)構(gòu)和幕墻作為2個(gè)獨(dú)立的專業(yè)分別設(shè)計(jì)施工，相互配合有限，難以做到無縫銜接，易產(chǎn)生兩方面問題[1-2]。

1）幕墻埋件、轉(zhuǎn)接件現(xiàn)場(chǎng)和鋼結(jié)構(gòu)焊接，電弧和高溫會(huì)直接破壞防腐和防火層，降低結(jié)構(gòu)耐久性，焊接收縮應(yīng)力的累積也會(huì)影響結(jié)構(gòu)安全性。

2）幕墻骨架系統(tǒng)和鋼結(jié)構(gòu)空間碰撞沖突無法提前發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)場(chǎng)施工碰到問題的解決途徑僅剩調(diào)整幕墻體系。局部構(gòu)造變化不但使質(zhì)量和精度無法保證，影響建筑整體效果，而且造成返工和材料浪費(fèi)，影響施工進(jìn)度。

西湖大學(xué)PPP建設(shè)工程通過鋼結(jié)構(gòu)幕墻一體化設(shè)計(jì)施工，有效地將鋼結(jié)構(gòu)與幕墻結(jié)合起來，通過整體深化建模，或微調(diào)結(jié)構(gòu)、或調(diào)整幕墻骨架，從設(shè)計(jì)源頭上解決2種體系間的空間干擾問題。鋼結(jié)構(gòu)在工廠制作時(shí)將幕墻埋件和轉(zhuǎn)接件同步加工好，解決了現(xiàn)場(chǎng)焊接對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，優(yōu)化了施工工序。現(xiàn)場(chǎng)鋼結(jié)構(gòu)安裝過程中控制鋼結(jié)構(gòu)精度，校核轉(zhuǎn)接件偏差，進(jìn)一步保證施工精度，局部較大偏差值通過模型模擬后微調(diào)幕墻龍骨，消化前道工序偏差，保證幕墻整體精度，通過精度保證整體外觀效果，精密性保證氣密性，氣密性保證水密性，最終做到幕墻不漏水。通過鋼結(jié)構(gòu)幕墻一體化設(shè)計(jì)施工，既解決了空間干擾問題，確保了施工精度，又減少現(xiàn)場(chǎng)工作量，降低了施工難度，有效地保證了施工質(zhì)量和整體效果，節(jié)約了施工成本，加快了整體施工進(jìn)度。

1 工程概況

1.1 建筑概況

西湖大學(xué)位于杭州西湖區(qū)三墩雙橋區(qū)域，東鄰已建三墩小學(xué)，南至規(guī)劃墩余路，西靠云濤北路，北側(cè)為預(yù)留用地且靠近杭長高速。用地面積約42.2萬 m2，地上建筑面積32萬 m2，地下建筑面積約13萬 m2，共43個(gè)單體（圖1）。

圖1 西湖大學(xué)整體效果圖

1.2 鋼結(jié)構(gòu)幕墻概況

西湖大學(xué)鋼結(jié)構(gòu)分布在10個(gè)單體中，總計(jì)用鋼量約1.34萬 t。最大單體學(xué)術(shù)環(huán)為地上4層鋼框架及四大學(xué)院屋頂鋼架，鋼結(jié)構(gòu)質(zhì)量9 820 t。學(xué)術(shù)會(huì)堂屋頂螺栓球網(wǎng)架質(zhì)量340 t，學(xué)術(shù)交流中心18層外框鋼結(jié)構(gòu)2 073 t。其他包括連廊、網(wǎng)殼、挑梁等零星結(jié)構(gòu)（圖2）。

圖2 鋼結(jié)構(gòu)分布示意

本工程幕墻約33.9萬 m2，主要含10套系統(tǒng)：玻璃幕墻、石材幕墻、鋁板幕墻、UHPC超高性能混凝土掛板、金屬屋面、采光頂、鋁合金門窗、鋁合金格柵、玻璃欄板、蜂窩鋁板等。

2 一體化設(shè)計(jì)施工工藝

2.1 一體化設(shè)計(jì)

鋼結(jié)構(gòu)幕墻整體同步開展深化設(shè)計(jì)，使用BIM軟件建立鋼結(jié)構(gòu)幕墻整體模型。深化前同設(shè)計(jì)溝通，先對(duì)鋼結(jié)構(gòu)和幕墻設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行審圖分析，建模按照深化進(jìn)度分為2個(gè)階段進(jìn)行，每個(gè)階段模型達(dá)到的深度不同，發(fā)揮的作用也不同。

第1階段建設(shè)計(jì)模型，主要目的是解決2種相互依附體系空間碰撞問題，深度到主構(gòu)件和表皮，將鋼結(jié)構(gòu)主體梁柱框架和幕墻骨架體系及表皮建完，進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)和幕墻系統(tǒng)第1次合模（圖3）。

圖3 設(shè)計(jì)模型

設(shè)計(jì)模型建成后通過碰撞測(cè)試從而直觀展示2種系統(tǒng)主要構(gòu)件的空間關(guān)系，在模型中篩查出沖突部位，提出優(yōu)化調(diào)整建議，便于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師和幕墻設(shè)計(jì)師及時(shí)決策調(diào)整。同時(shí)可以在模型中對(duì)2種體系交界處操作面尺寸位置進(jìn)行分析，后續(xù)施工是否便捷、操作空間是否滿足施工要求，提前發(fā)現(xiàn)施工難題，可以針對(duì)性地找到解決措施。

第2階段是深化模型，設(shè)計(jì)模型解決好空間沖突關(guān)系后，進(jìn)一步進(jìn)行模型深化，達(dá)到按照模型出深化圖紙、提料清單的要求，深化模型深度要建到各零件細(xì)部節(jié)點(diǎn)圖，將鋼結(jié)構(gòu)主體梁柱連接節(jié)點(diǎn)、幕墻骨架詳細(xì)節(jié)點(diǎn)及大面玻璃類型和膠條建完（圖4）。

圖4 第2階段模型

模型建好后待整體碰撞檢查無誤后，通過模型導(dǎo)出鋼結(jié)構(gòu)深化加工圖及幕墻深化加工圖，并生成相應(yīng)材料清單用于材料采購，幕墻埋件和轉(zhuǎn)接件及鋼龍骨圖紙反映到鋼結(jié)構(gòu)加工圖中并成整體，鋼結(jié)構(gòu)加工廠整體采購加工。

通過深化模型建立，提前發(fā)現(xiàn)幕墻防水構(gòu)造上的缺陷和薄弱環(huán)節(jié)，便于進(jìn)一步優(yōu)化防水構(gòu)造，并在后續(xù)施工階段重點(diǎn)把控薄弱環(huán)節(jié)，降低幕墻漏水概率。

2.2 一體化施工

鋼結(jié)構(gòu)施工特點(diǎn)是“短頻快”、造型和跨度大，現(xiàn)場(chǎng)吊裝措施特殊，主要針對(duì)連接節(jié)點(diǎn)部位搭設(shè)，鋼結(jié)構(gòu)安裝完成后進(jìn)行防腐和防火施工。幕墻施工須先搭設(shè)操作措施，對(duì)主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行復(fù)測(cè)，偏差糾正消化后進(jìn)行整體放線，安裝定位鋼轉(zhuǎn)接件和鋼龍骨，精度調(diào)整后進(jìn)行焊接固定，會(huì)對(duì)已經(jīng)完成的主體結(jié)構(gòu)防腐油漆和防火涂料造成極大破壞，密集的轉(zhuǎn)接件安裝及大量焊接工作也會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)安全性和耐久性產(chǎn)生難以預(yù)估的影響，現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)火隱患大、安全文明施工要求高，破壞的防腐和防火層必須二次施工，大大增加了施工時(shí)間和施工成本。

通過一體化設(shè)計(jì)施工，鋼結(jié)構(gòu)幕墻集成的深化圖紙?jiān)O(shè)計(jì)審批后，工廠加工時(shí)按照一體化圖紙把幕墻的埋件和轉(zhuǎn)接件及鋼龍骨一并加工好，進(jìn)行鋼梁、鋼柱調(diào)直校正，驗(yàn)收合格、質(zhì)量和精度滿足要求后進(jìn)行防腐處理，按順序運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)安裝。

施工現(xiàn)場(chǎng)在進(jìn)行主體鋼結(jié)構(gòu)組裝的同時(shí)，幕墻轉(zhuǎn)接件應(yīng)同步到位，既能保證埋件、轉(zhuǎn)接件的精度和質(zhì)量，又可節(jié)約施工時(shí)間，現(xiàn)場(chǎng)直接進(jìn)入龍骨安裝階段。同時(shí)減少一道工序，大大降低幕墻施工成本。對(duì)于西湖大學(xué)異形幕墻，如水滴狀搪瓷鋼板，造型奇特，通過BIM技術(shù)進(jìn)行一體化施工，確保外觀精度滿足設(shè)計(jì)要求。為保證整體外觀效果，首先按照深化模型尺寸現(xiàn)場(chǎng)安裝龍骨系統(tǒng)，模型發(fā)工廠加工面板，通過掃描龍骨及面材數(shù)據(jù)反饋進(jìn)模型合模，發(fā)現(xiàn)偏差及時(shí)調(diào)整；接著在現(xiàn)場(chǎng)利用BIM建立施工模型，進(jìn)行面材掛件和龍骨掛點(diǎn)的施工模擬，確保面材加工精度和現(xiàn)場(chǎng)安裝精度，從而達(dá)到整體效果。

第1步水滴柱鋼龍骨系統(tǒng)按照設(shè)計(jì)模型安裝，通過現(xiàn)場(chǎng)三維掃描鋼結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)接件、龍骨系統(tǒng)的實(shí)體捕捉參數(shù)，嚴(yán)格控制復(fù)測(cè)精度，將現(xiàn)場(chǎng)復(fù)測(cè)數(shù)據(jù)反饋進(jìn)深化模型中進(jìn)行合模，偏差較大處進(jìn)行調(diào)整，確保龍骨系統(tǒng)的施工精度。加工廠同步按照設(shè)計(jì)模型下料加工異形搪瓷鋼板面板及掛件，加工完成后掃描數(shù)據(jù)，反饋進(jìn)模型合模，如有偏差，在工廠內(nèi)及時(shí)調(diào)整面板精度。

第2步龍骨系統(tǒng)和面板精度初步滿足施工要求后，進(jìn)行模擬預(yù)拼?，F(xiàn)場(chǎng)使用全站儀測(cè)量捕捉整個(gè)鋼龍骨面板掛點(diǎn)的空間坐標(biāo)，加工廠同步測(cè)量捕捉面板掛件及面板特征點(diǎn)空間坐標(biāo)，利用BIM技術(shù)建立現(xiàn)場(chǎng)龍骨和工廠面材的施工模型，將2個(gè)模型進(jìn)行模擬預(yù)拼，工廠根據(jù)模擬結(jié)果進(jìn)一步校正調(diào)整面板，確保模擬結(jié)果滿足精度要求。

3 結(jié)語

1）鋼結(jié)構(gòu)和幕墻2種體系空間關(guān)系沖突問題在設(shè)計(jì)深化時(shí)解決，避免了現(xiàn)場(chǎng)大量返工修改、人材機(jī)浪費(fèi)的情況；通過深化模型出圖，確保了構(gòu)件加工圖紙精準(zhǔn)度，為現(xiàn)場(chǎng)確保施工質(zhì)量創(chuàng)造了條件。

2）鋼結(jié)構(gòu)加工時(shí)集成幕墻埋件和轉(zhuǎn)接件，避免了大量幕墻埋件和轉(zhuǎn)接件在現(xiàn)場(chǎng)焊接可能對(duì)主體鋼結(jié)構(gòu)耐久性和安全性造成的不利影響，減少現(xiàn)場(chǎng)埋件施工工序，直接進(jìn)入龍骨安裝節(jié)點(diǎn)，大大節(jié)約了施工時(shí)間和成本，取得了顯著的效益。

3）異形幕墻的鋼結(jié)構(gòu)龍骨系統(tǒng)和面板通過BIM技術(shù)模擬預(yù)拼，確保了施工精度，降低了加工難度，整體完成效果得到各界一致好評(píng)，克服了弧形幕墻體系安裝成品精度低、觀感差的難點(diǎn)，滿足了設(shè)計(jì)師和業(yè)主通過外立面幕墻造型提升整體建筑品質(zhì)的需求。