基于單元模塊化及逆作法的異形天花大吊頂施工技術(shù)

詹進生 石鵬 陳波林

【摘要】隨著施工技術(shù)的飛速發(fā)展，越來越多建筑呈現(xiàn)出造型多元化、復雜化，裝飾表皮多維化，曲面造型普遍化的特點。文章結(jié)合成都天府國際機場 T1航站樓項目，介紹了雙曲面竹葉造型天花施工方法，對異形天花吊頂?shù)南铝霞鞍惭b方法進行優(yōu)化，通過結(jié)構(gòu)復測，逆向建模，參數(shù)化空間表皮自分割，快速、精準下料，高空逆作施工平臺搭設(shè)，單元模塊化的組拼，逆作法依次完成吊頂轉(zhuǎn)換層、單元龍骨及鋁板的吊裝，縮短工期、節(jié)約成本、降低風險、提升質(zhì)量。

【關(guān)鍵詞】異形天花大吊頂;逆向建模;參數(shù)化;單元模塊化;逆作法

【中圖分類號】 TU758.15????????? 【文獻標志碼】 B

1工程概況

成都天府國際機場T1航站樓項目建筑面積38.74萬m2，基底面積12.48萬 m2，地上4層，由中央大廳（D區(qū)）和3個指廊（A、B、C區(qū)）構(gòu)成。D區(qū)大廳頂部設(shè)計為竹葉造型，如圖1所示。整個吊頂形態(tài)為雙曲面，面積約3萬 m2，長408 m，寬67 m，拱最高點與最低點高差13 m， 吊頂高度為24 m 漸變至37 m。

整個吊頂附著于鋼網(wǎng)架底部，工程體量大、高度變化大，地面穿插施工工序較多，難以搭設(shè)滿堂腳手架。為滿足建筑獨特的竹葉造型需求，對吊頂?shù)钠秸取⑶娌课豁樆?、板塊的縫隙線及每個竹葉單元在空間的視覺效果提出了更高的要求。在施工過程中不僅需要考慮空間尺寸和大跨度網(wǎng)架受荷后的撓度影響，還要考慮材料下料、加工、安裝誤差等因素，所以吊頂施工是一項復雜的系統(tǒng)工程。

2工程重難點分析

中央大廳大吊頂由蜂窩鋁板組裝拼接而成，本工程總共140個整單元、120個半單元竹葉造型天花，竹葉天花在一個月牙形的雙曲面上分部，整個吊頂固定在鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架下方支托上，安裝施工難度大，主要表現(xiàn)在4個方面：

（1）鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架不僅弧度變化大、跨度大，而且受下料、安裝、施加荷載后的變形等因素累計影響，網(wǎng)架下支托與計算機三維放樣偏差較大，網(wǎng)架的偏差一定程度上對大吊頂定位產(chǎn)生影響。

（2）由于大吊頂造型為空間曲面，每個竹葉單元長軸方向，短軸方向都在漸變。最大的單元長軸達到31 m多，短軸接近12 m，一個單元約180 m2，每個單元都不一樣，每個單元內(nèi)的鋁板都具有唯一性。導致大吊頂?shù)娜S建模任務(wù)相當復雜，每個板塊下料單均需按部位獨立深化設(shè)計，分區(qū)域單獨編號，以免混淆。

（3）現(xiàn)場安裝定位要求非常高，每一塊板材必須安裝在指定點位上，否則型材會互相影響，甚至可能導致安裝無法繼續(xù)進行，造成費料費工。

（4）吊頂工程量大，且凈空24～37 m，地面穿插施工工序較多，若采用傳統(tǒng)滿堂架操作平臺安裝，需要的架體材料量巨大，架體材料資源有限，僅進出場及搭拆就需4個月，且大吊頂下方其他部位裝修將無法進行，總體工期壓力巨大。

為解決上述難題，經(jīng)過技術(shù)攻關(guān)和創(chuàng)新，遂采取基于單元模塊化及逆作法的異形天花大吊頂施工技術(shù)用于本工程大吊頂施工。

3技術(shù)創(chuàng)新點

（1）采用三維掃描儀復測鋼網(wǎng)架球節(jié)點結(jié)構(gòu)，生成點云數(shù)據(jù)，逆向建立施工 BIM模型，消化鋼結(jié)構(gòu)偏差，確保模型與實體的一致性，有利于控制后期安裝質(zhì)量和精度。

（2）采用空間表皮自分割技術(shù)，利用參數(shù)化將復雜造型空間表皮分割為若干細小單元，通過布爾運算確定4個特征點，形成單個竹葉菱形單元模塊，便于快速、精準下料，保證鋁板安裝的準確性，避免材料下單或加工誤差影響天花整體安裝進度和效果的情況。

（3）提出一種標準化、機械化、程序化施工方法，在地面組拼、焊接轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)和單元龍骨，并完成單元龍骨與鋁板的組拼，大大減少高空作業(yè)的工作量，實現(xiàn)高空零焊接，降低施工作業(yè)人員的安全風險，提高安裝效率。

（4）提出一種吊頂逆作施工方法，利用鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的下弦桿作為支撐，于吊頂上方搭設(shè)施工平臺，拉設(shè)生命線，滿鋪安全網(wǎng)，依次完成吊頂轉(zhuǎn)換層、單元龍骨及鋁板的吊裝。相比于傳統(tǒng)的滿堂腳手架施工平臺，能縮短施工平臺的搭設(shè)工期，降低安全風險，節(jié)約施工成本，同時滿足地面同步施工的需求。

4施工工藝方法

4.1結(jié)構(gòu)復測、逆向建模

4.1.1控制網(wǎng)布設(shè)

根據(jù)主體結(jié)構(gòu)施工階段已知的坐標控制點，采用 Leica TS11全站儀及 Ni007水準儀對水平控制網(wǎng)和高程控制網(wǎng)進行加密，滿足平面位置精度10.0 mm、高程精度3.0 mm的要求（圖2）。

4.1.2結(jié)構(gòu)復測

根據(jù)建立的天花統(tǒng)一控制網(wǎng)，采用掃描儀及全站儀對鋼網(wǎng)架球節(jié)點進行全面的復測，測量的數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后形成點云，為吊頂施工 BIM模型建立提供依據(jù)[1，4]（圖3）。

由于加工生產(chǎn)、安裝定位、沉降變形等因素影響，不可避免產(chǎn)生結(jié)構(gòu)偏差，直接影響模型的排版、收邊材料的尺寸，對于超出轉(zhuǎn)化層骨架調(diào)節(jié)范圍的結(jié)構(gòu)偏差，還需要對吊頂曲面進行優(yōu)化調(diào)整，進而消化偏差，所以施工前必須要進行結(jié)構(gòu)檢測。本工程采用基于紅外激光的非接觸式無棱鏡型全站儀完成結(jié)構(gòu)的復測，通過激光測距原理（包括脈沖激光和相位激光）瞬時測得空間結(jié)構(gòu)的三維坐標值，測量結(jié)果能自動顯示、計算和存儲，并能與外圍設(shè)備自動交換信息[3]。

球節(jié)點為鋼制全封閉空心球，球節(jié)點中心屬于隱藏點，無法直接進行測量，故采用基于球面六點的鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架中心定位方法，通過六點測量配合最小二乘法計算出鋼結(jié)構(gòu)球節(jié)點中心位置，此種處理方式可以隨意在球表面采集點位，能有效減少計算誤差，具有定位精度高、測量方便，操作簡單的特點[2-3]。

首先，現(xiàn)場測量時利用控制點對全站儀完成定向，再將儀器測距模式調(diào)整為無棱鏡測量模式，并瞄準球面上任意一點，既可測得球面的一個坐標，最后依次在球面上測得剩余不共面的5個點坐標。依據(jù)最小二乘法公式：

組成法方程，其中。

4.1.3建立施工 BIM模型

整個大吊頂由多個不同造型曲面組成，根據(jù)復測數(shù)值形成的點云數(shù)據(jù)，結(jié)合原設(shè)計模型，通過修正形成施工 BIM模型（圖5）。

4.2參數(shù)化空間表皮自分割

（1）在既有曲面上利用參數(shù)化重建曲面。在既有的基本曲面模型上，結(jié)合邊界約束條件，采用網(wǎng)格曲線構(gòu)造曲面，再根據(jù)曲面的特征方向確定曲面的 u/，方向構(gòu)造四邊形曲面，通過控制曲面U、V階數(shù)，以及與測量數(shù)據(jù)的偏差來重新生成曲面。

（2）結(jié)合竹葉造型單元變化規(guī)律（提取曲面的 u/p方向的結(jié)構(gòu)線。利用重新優(yōu)化生成的曲面（參數(shù)化提取u/p方向的結(jié)構(gòu)線作為輔助線（對大曲面進行網(wǎng)格化細分（將大的曲面分為若干個細分單元。

（3）以 u/p方向的結(jié)構(gòu)線布爾運算交集點作為頂點生成竹葉菱形單元。根據(jù) u/p方向的奇數(shù)排列的結(jié)構(gòu)線（布爾運算交集點作為竹葉單元長軸的頂點（根據(jù) u/p方向的偶數(shù)排列的結(jié)構(gòu)線（布爾運算交集點作為竹葉單元短軸的頂點（4點形成一個完整的菱形竹葉單元。

（4）參數(shù)化細分竹葉前翼、后翼。以菱形竹葉單元的長軸（結(jié)合竹葉單元的變化規(guī)律（參數(shù)化細分竹葉前翼、后翼。

（5）單元內(nèi)細分板塊。根據(jù)竹葉單元前翼曲面長邊邊緣線在曲面上參數(shù)化分割板塊;以前翼板塊分割線與后翼曲面長邊邊緣線的布爾運算交集點為基準參數(shù)化分割板塊;最后進行竹葉單元細部優(yōu)化處理（圖6）。

4.3單元模塊地面組拼

為了有效地減少高空的作業(yè)量（吊頂轉(zhuǎn)換層采用單元式整體吊裝;在地面組拼160 mm×80 mm×4 mm轉(zhuǎn)換層主龍骨框（中部布置3根120 mm×60 mm×4 mm次龍骨（主次龍骨采用 L形連接件與 M14螺栓連接（圖7）。

由于竹葉單元面積過大（施工困難（因此根據(jù)鋁板分縫（將鋁板龍骨進行單元細分（加工廠根據(jù)劃分組拼焊接單元龍骨（現(xiàn)場進行分單元吊裝（再對吊裝單元龍骨進行復測調(diào)整（最后安裝鋁板（圖8）。

4.4高空逆作施工平臺搭設(shè)

（1）綁扎生命繩：利用網(wǎng)架自身布置的馬道可綁扎安全繩。安全繩具有2個鎖扣（一個掛上弦桿上（一個掛在下弦桿上（上下弦桿間距大的位置則把2個鋼筋鉤鉤掛在上弦桿上（再將安全帶的掛鉤分別鉤在2個鋼筋鉤上（確保安全（圖9）。

（2）鋪設(shè)安全網(wǎng)：從安全網(wǎng)端頭沿垂直馬道方向開始綁扎（要求每個下弦球點必須綁扎（球點間應(yīng)適當加密綁扎點。

（3）鋪設(shè)腳手板：腳手板的鋪設(shè)必須要做到鋪穩(wěn)（不得有空隙、空頭板、探頭板。腳手板兩端與其可靠固定（嚴防傾翻。腳手板采用對接平鋪或搭接鋪設(shè)。在架子拐彎處腳手板應(yīng)交叉搭接，墊平腳手板應(yīng)用木塊并要釘牢，腳手板的搭接方向要與腳手架的運輸重行車的方向一致。

4.5單元轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)吊裝

根據(jù)安裝順序，依次吊裝拼裝好的單元轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)，通過十字調(diào)節(jié)爪件、三維系統(tǒng)調(diào)節(jié)配件與鋼網(wǎng)架球節(jié)點預留轉(zhuǎn)接件連接。

4.6單元龍骨及鋁板吊裝

利用逆作施工平臺，逐塊吊裝細分的單元模塊，并與轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)連接固定[5-6]（圖10、圖11）。

單元模塊80 mm×40 mm×4 mm單元龍骨，通過 M16的成平球頭螺桿， C型抱箍件與轉(zhuǎn)換層160 mm×80 mm×40 mm龍骨連接，所有操作均在上部完成。

4.7天花吊頂整體調(diào)整定位

竹葉造型天花吊頂?shù)恼w調(diào)整定位，是精度要求最高的一個環(huán)節(jié)，所有單元模塊吊裝完成后，對特征點進行復測，針對偏差進行調(diào)整定位。也可以利用掃描儀對完成面整體掃描，和 B1M模型進行比對，確定偏差值，指導現(xiàn)場精確調(diào)整（圖12）。

5結(jié)束語

本工程采用基于單元模塊化及逆作法的異形天花大吊頂施工技術(shù)，大吊頂施工完成后，經(jīng)多次細致全面檢查，雙曲面造型天花表面各點偏差均在誤差范圍以內(nèi)，有效確保吊頂安裝的質(zhì)量和精度;實踐證明，該技術(shù)對天花吊頂進行參數(shù)化下料、單元模塊化組織、逆作法施工能較好地滿足施工要求，降低施工作業(yè)人員的安全風險，提高安裝效率，且在保證上部天花吊頂安裝的同時，下部地面裝飾可分區(qū)錯位施工，不受天花施工的影響和制約，有效地縮短了工期，為類似項目施工提供了借鑒。

參考文獻

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