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摘要：本文針對(duì)內(nèi)蒙古少數(shù)民族群眾文化體育運(yùn)動(dòng)中心一期工程的亮馬圈項(xiàng)目，介紹一種多維調(diào)節(jié)異形采光頂技術(shù)，很好地解決異形空間曲面玻璃幕墻的設(shè)計(jì)、加工、施工等技術(shù)難題。
關(guān)鍵詞：異形采光頂，多維調(diào)節(jié)，標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，BIM參數(shù)化技術(shù)
1、工程概況
內(nèi)蒙古少數(shù)民族群眾文化體育運(yùn)動(dòng)中心一期工程總建筑面積約81869.81平方米，本項(xiàng)目包括3個(gè)單位工程：多功能主體建筑，亮馬圈及看臺(tái)樓。
在單體設(shè)計(jì)上，引入“蒙元文化符號(hào)”為立面設(shè)計(jì)主要基調(diào)，以曲面的造型為主，立面簡(jiǎn)潔明快，線條流暢。主體建筑立面采用蒙古包、哈達(dá)、吉祥繪紋，形似草原博克手的盔甲戰(zhàn)袍，又好像騰飛的雄鷹。這是一個(gè)以現(xiàn)代裝飾風(fēng)格詮釋特色文化元素的藝術(shù)作品(圖1.1)。
本文介紹的是其中之一的單體:亮馬圈(圖1.2)，重點(diǎn)介紹其異形采光頂?shù)脑O(shè)計(jì)與施工。亮馬圈由玻璃采光頂、采光頂兩側(cè)的金屬屋面及側(cè)立面豎明橫隱玻璃幕墻構(gòu)成，其中采光頂幕墻面積約5700㎡。該建筑主體為鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，整體呈扁平橢圓形的半球體造型，南北長(zhǎng)158米，東西寬85米，從上往下俯視亮馬圈，采光頂呈左右對(duì)稱的兩個(gè)扇形結(jié)構(gòu)。造型特點(diǎn)為頂部曲率平緩，向四周曲率逐漸變大，采光頂由建筑頂部中間窄向兩側(cè)逐漸變寬，采光頂兩側(cè)為金屬屋面系統(tǒng)，這樣的設(shè)計(jì)體現(xiàn)了場(chǎng)館采光與遮陽(yáng)的巧妙取舍。
2、采光頂設(shè)計(jì)
2.1建筑造型分析
內(nèi)蒙古少數(shù)民族群眾文化體育運(yùn)動(dòng)中心一期工程：亮馬圈，是一個(gè)橢圓形的球體結(jié)構(gòu)，采光頂位于中部，主要造型特點(diǎn)為：呈左右對(duì)稱的兩個(gè)扇形結(jié)構(gòu)，頂部曲率平緩，向四周曲率逐漸變大，頂部中間窄向兩側(cè)逐漸變寬(圖2.1、圖2.2)。根據(jù)采光頂以上造型特點(diǎn)，首先，建立幕墻表皮并進(jìn)行分析，充分考慮設(shè)計(jì)、加工、施工、成本等因素，結(jié)合甲方、建筑師的要求，確定對(duì)異形采光頂進(jìn)行三角形及四邊形面板劃分;其次，采用BIM參數(shù)化技術(shù)，對(duì)建筑外表皮找形，標(biāo)高、放樣曲線、斷面曲線均可由參數(shù)依據(jù)一定數(shù)學(xué)關(guān)系并進(jìn)行有理化分格。將分格數(shù)量、長(zhǎng)度、比例等均設(shè)置為可調(diào)參數(shù)，通過(guò)參數(shù)調(diào)整，輸出采光頂?shù)姆指駝澐址桨?最后，以平板玻璃面板擬合雙曲面造型，在可接受的平板（詞條“平板”由行業(yè)大百科提供）面板擬合偏差范圍內(nèi)，通過(guò)多次的表皮分格優(yōu)化分析，最終確定最優(yōu)分格方案(圖2.3～2.5)。
2.2異形采光頂系統(tǒng)構(gòu)成
根據(jù)亮馬圈采光頂?shù)脑煨吞攸c(diǎn)，經(jīng)過(guò)反復(fù)研究論證、參數(shù)化模型分析，結(jié)合我司多年的異形幕墻技術(shù)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，研發(fā)了一種多維調(diào)節(jié)異形采光頂系統(tǒng)(圖2.6)。
2.2.1多維調(diào)節(jié)支座系統(tǒng)
多維調(diào)節(jié)支座系統(tǒng)：包括上圓盤夾具和下圓盤夾具，上下圓盤夾具設(shè)計(jì)為凹凸槽嵌套配合連接，并通過(guò)4個(gè)M8內(nèi)六角機(jī)絲螺釘擰緊固定（詞條“固定”由行業(yè)大百科提供），上下圓盤夾具形成一個(gè)環(huán)形槽，多個(gè)不銹鋼T型滑塊與圓盤夾具穿插咬合連接，T型滑塊另一端與不銹鋼耳板通過(guò)∅14銷軸連接，耳板通過(guò)不銹鋼方板與不銹鋼圓管套芯焊接固定。M30不銹鋼全螺紋螺桿一端與下圓盤夾具連接固定，另一端與∅89×8圓管通過(guò)六角螺母連接固定，∅89×8圓管作為底座固定焊接在主體鋼結(jié)構(gòu)上(圖2.6、圖2.7)。
本支座系統(tǒng)的特點(diǎn)為：T型滑塊可對(duì)采光頂龍骨進(jìn)行幕墻平面（詞條“平面”由行業(yè)大百科提供）上的角度調(diào)節(jié)，即適應(yīng)玻璃面板角度變化的分格要求;耳板銷軸可對(duì)采光頂龍骨進(jìn)行垂直于幕墻面方向上的角度調(diào)節(jié)，即適應(yīng)玻璃面板擬合曲率變化的雙曲面采光頂效果;圓管底座與調(diào)節(jié)螺桿配合，通過(guò)螺桿上的螺母調(diào)節(jié)可進(jìn)行采光頂與主體結(jié)構(gòu)之間高度調(diào)整(圖2.8)。
2.2.2多維調(diào)節(jié)支座與采光頂龍骨的連接
采光頂龍骨為鋁合金型材，支座系統(tǒng)中與采光頂龍骨連接的套芯設(shè)計(jì)成圓管的形式，鋁合金龍骨內(nèi)腔設(shè)置與圓管套芯相配合的圓形構(gòu)造(圖2.9)，支座圓管套芯與龍骨連接后進(jìn)行螺釘鎖緊固定。通過(guò)此連接構(gòu)造可以看出，此多維調(diào)節(jié)支座可作為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)的支座系統(tǒng)，適應(yīng)與各種截面樣式的龍骨型材連接，且保證了采光頂?shù)?a target='_blank' style='font-size:1em; border-bottom:1px dotted blue;'>水密性（詞條“水密性”由行業(yè)大百科提供）、保溫（詞條“保溫”由行業(yè)大百科提供）性能。系統(tǒng)構(gòu)件（詞條“構(gòu)件”由行業(yè)大百科提供）的標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)應(yīng)用可大大減少了材料開(kāi)模成本、便于批量生產(chǎn)加工、降低了施工難度，大幅度提高了作業(yè)效率，降低了工程造價(jià)。
以一套支座系統(tǒng)適用于多種形態(tài)復(fù)雜采光頂?shù)脑O(shè)計(jì)及施工，實(shí)現(xiàn)了異形建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)體系的構(gòu)配件標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，適應(yīng)性強(qiáng)(圖2.10~圖2.12)。
2.2.3玻璃面板
該系統(tǒng)玻璃面板為8+1.52PVB（詞條“PVB”由行業(yè)大百科提供）+8+12Ar(氬氣)+8mm厚中空鋼化雙銀LOW-E夾膠玻璃，主要為三角形玻璃，既可保溫隔熱，又可滿足造型、采光要求。玻璃面板與鋁合副框之間采用結(jié)構(gòu)密封膠粘接，鋁合金副框與龍骨通過(guò)壓塊進(jìn)行固定連接(圖2.13)。
3、采光頂提料及加工
3.1 面板及龍骨提料
整個(gè)項(xiàng)目中有幾萬(wàn)塊玻璃板塊，采取基于BIM技術(shù)進(jìn)行參數(shù)化提取加工數(shù)據(jù)，對(duì)幕墻模型進(jìn)行數(shù)據(jù)收集并進(jìn)行參數(shù)化建模，整個(gè)模型面板、龍骨提料工作會(huì)按照參數(shù)化流程圖變得智能化，自動(dòng)進(jìn)行面板編號(hào)、標(biāo)注尺寸、統(tǒng)計(jì)及歸類、加工尺寸數(shù)據(jù)導(dǎo)出等，整個(gè)過(guò)程大大提高了工作效率及精確性(圖3.1~3.3)。
3.2 采光頂構(gòu)件加工
3.2.1 圓管底座的加工
圓管底座作為主體鋼檁條結(jié)構(gòu)與采光頂系統(tǒng)的連接件，起著承上啟下的作用。異形采光頂雙曲面造型能否呈現(xiàn)順滑自然的效果，圓管底座的精確加工及安裝十分重要。
為了使∅89×8圓管底座有效地和M30螺桿有效連接，圓管一端需要與錐形管焊接縮小連接口徑;另一端需要根據(jù)與主體鋼結(jié)構(gòu)的接觸面弧度大小進(jìn)行弧形切割，由于主體鋼結(jié)構(gòu)的安裝可能存在誤差，當(dāng)模型數(shù)據(jù)和測(cè)量放線存在偏差時(shí)圓管底座需要二次加工。此環(huán)節(jié)鋼圓管底座的加工控制重點(diǎn)是鋼圓管的放線，設(shè)置一套科學(xué)合理的放線方法，準(zhǔn)確進(jìn)行鋼方管底座加工，為采光頂?shù)陌惭b打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)(圖3.4)。
3.2.2 多維調(diào)節(jié)支座構(gòu)件的加工
多維調(diào)節(jié)采光頂支座組件包括圓盤夾具、T型滑塊、耳板、鋼方板、圓管套芯、M30螺桿和∅14銷軸等組件。
上下圓盤夾具通過(guò)4個(gè)M8內(nèi)六角機(jī)絲螺釘緊固，圓盤夾具需要銑孔加工，全螺紋螺桿一端與下圓盤需進(jìn)行連接固定。T型滑塊與耳板通過(guò)銷軸配合連接需要銑孔加工。耳板、鋼方板和不銹鋼圓管焊接成一體件，加工后的不銹鋼支座組件單個(gè)個(gè)體需進(jìn)行組裝成完整的支座體系。支座系統(tǒng)采用不銹鋼鑄件等組件，能夠有效提高系統(tǒng)的安裝精度(圖3.5)。
4、采光頂施工
4.1 BIM技術(shù)在施工階段的應(yīng)用
利用BIM參數(shù)化技術(shù)，可自動(dòng)快速地生成施工三維坐標(biāo)控制點(diǎn)(圖4.1)，要比傳統(tǒng)模型逐一取點(diǎn)坐標(biāo)的效率高很多。參數(shù)化建模技術(shù)進(jìn)行施工模擬及指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工，在本項(xiàng)目中，利用參數(shù)化建模技術(shù)迅速生成幕墻的面板，龍骨，支座及零件等實(shí)體模型，給現(xiàn)場(chǎng)幕墻施工提供參考，以保證工程施工達(dá)到最理想效果(圖4.2、圖4.3)。
4.2 施工過(guò)程
4.2.1 施工測(cè)量放線
在對(duì)主體鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行測(cè)量前要編制測(cè)量計(jì)劃，現(xiàn)場(chǎng)確定模型定位基準(zhǔn)點(diǎn)的位置，結(jié)合工程特點(diǎn)對(duì)所測(cè)量對(duì)象進(jìn)行分區(qū)，制定各分區(qū)測(cè)量方法，然后進(jìn)行綜合統(tǒng)籌，全方位進(jìn)行測(cè)量過(guò)程控制。
按建筑外形及幕墻面板所在位置，將本項(xiàng)目分為2個(gè)施工區(qū)(圖4.4)，從主體框架實(shí)體模型中抽取兩個(gè)分區(qū)交點(diǎn)坐標(biāo)、在每個(gè)分區(qū)中按每軸線間3-5個(gè)點(diǎn)在每層樓結(jié)構(gòu)標(biāo)高處抽取測(cè)量點(diǎn)，將控制點(diǎn)坐標(biāo)、放樣點(diǎn)坐標(biāo)等計(jì)算數(shù)據(jù)輸入全站儀內(nèi)存，調(diào)用全站儀內(nèi)置程序自動(dòng)計(jì)算控制點(diǎn)至各放樣點(diǎn)的方位角、距離等測(cè)量數(shù)據(jù)，放出各節(jié)點(diǎn)具體空間位置，將復(fù)測(cè)結(jié)構(gòu)反饋設(shè)計(jì)師，根據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)際偏差情況調(diào)整主體結(jié)構(gòu)框架實(shí)體模型。
4.2.2 施工前準(zhǔn)備
施工前對(duì)工程的技術(shù)資料、工具、器具、材料、人員、機(jī)械、臨時(shí)設(shè)施做好充分的準(zhǔn)備。對(duì)所用到的原材料進(jìn)行復(fù)驗(yàn)。
對(duì)施工人員進(jìn)行技術(shù)交底，應(yīng)先做樣板，經(jīng)公司質(zhì)管部、技術(shù)部批準(zhǔn)后組織進(jìn)場(chǎng)。
對(duì)照幕墻系統(tǒng)設(shè)計(jì)，復(fù)查主體結(jié)構(gòu)的施工質(zhì)量。因?yàn)橹黧w結(jié)構(gòu)的施工質(zhì)量如何，對(duì)骨架的位置影響較大。特別是結(jié)構(gòu)的平整度偏差，將影響整個(gè)幕墻的平整度。所以，放線前，要檢查主體鋼結(jié)構(gòu)的施工質(zhì)量。根據(jù)主體結(jié)構(gòu)的施工情況，最后調(diào)整主體結(jié)構(gòu)與幕墻之間的連接，以便確保安裝工作順利進(jìn)行。
4.2.3施工工藝介紹
主體結(jié)構(gòu)為空間曲面鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，為確保安裝質(zhì)量以及最終室外效果的實(shí)現(xiàn)，與主體鋼結(jié)構(gòu)焊接的圓管底座定位準(zhǔn)確是關(guān)鍵，根據(jù)設(shè)計(jì)師提供的三維模型坐標(biāo)進(jìn)行測(cè)量放線;通過(guò)測(cè)量放線確定圓管底座安裝位置，點(diǎn)焊臨時(shí)固定位置，測(cè)量檢查三維空間誤差，驗(yàn)收合格后對(duì)稱滿焊固定，并對(duì)焊接破壞位置進(jìn)行防腐處理;接著進(jìn)行調(diào)節(jié)支座、龍骨、面板等的安裝。
(1)圓管底座安裝
本工程主體結(jié)構(gòu)為空間曲面鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，∅89×8圓管底座焊接在主體鋼結(jié)構(gòu)的∅180圓管鋼檁條上。為確保安裝質(zhì)量以及最終室外效果的實(shí)現(xiàn)，∅89×8圓管底座焊接點(diǎn)定位準(zhǔn)確是關(guān)鍵，圖示中綠色陰影為多維調(diào)節(jié)支座的圓管底座在檁條上的理論點(diǎn)位(圖4.6)。
根據(jù)設(shè)計(jì)師提供的三維模型坐標(biāo)進(jìn)行測(cè)量放線，本項(xiàng)目通過(guò)對(duì)幕墻表皮的進(jìn)行曲面劃分優(yōu)化，并利用參數(shù)化技術(shù)自動(dòng)快速地生成施工三維坐標(biāo)控制點(diǎn)。通過(guò)測(cè)量放線確定圓管底座安裝位置，點(diǎn)焊臨時(shí)固定位置，測(cè)量檢查三維空間誤差，驗(yàn)收合格后對(duì)稱滿焊固定，并對(duì)焊接破壞位置進(jìn)行防腐處理。
當(dāng)出現(xiàn)檁條偏差的現(xiàn)象，需對(duì)檁條進(jìn)行調(diào)整，進(jìn)行點(diǎn)位的二次復(fù)核。如偏差情況未解決，繼續(xù)對(duì)檁條進(jìn)行調(diào)整，進(jìn)行點(diǎn)位的三次復(fù)核，以此類推直至滿足設(shè)計(jì)要求。此次是鋼構(gòu)檁條水平方向的調(diào)整(圖4.6)。
為確保安裝質(zhì)量以及最終室外效果的實(shí)現(xiàn)，待鋼結(jié)構(gòu)檁條調(diào)整完畢后，需采用全站儀打點(diǎn)安裝多維調(diào)節(jié)支座圓盤組件，只有保證圓盤頂部點(diǎn)位的準(zhǔn)確，才能保證裝飾效果以及外觀質(zhì)量。現(xiàn)場(chǎng)施工人員需將組裝好的多維調(diào)節(jié)支座打點(diǎn)定位，發(fā)現(xiàn)如檁條突起的情況，需標(biāo)注突起的尺寸，將圓管底座進(jìn)行切割，切割完畢后在重新打點(diǎn)定位。
為了保證結(jié)構(gòu)安全需對(duì)鋼結(jié)構(gòu)已安裝完成的檁條進(jìn)行復(fù)核，確保多維調(diào)節(jié)支座的圓管底座與檁條連接部位有效的接觸面積，進(jìn)而通過(guò)焊接質(zhì)量保證結(jié)構(gòu)安裝。如出現(xiàn)檁條與多維調(diào)節(jié)支座錯(cuò)位超過(guò)設(shè)計(jì)要求，需對(duì)檁條支架進(jìn)行切割調(diào)整補(bǔ)焊(圖4.8)。
(2)多維調(diào)節(jié)支座的組裝
進(jìn)場(chǎng)的多維調(diào)節(jié)支座連接件為單個(gè)個(gè)體，需現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行組裝。在對(duì)進(jìn)場(chǎng)材料嚴(yán)格把關(guān)后，將編號(hào)6：內(nèi)六角機(jī)絲螺釘進(jìn)行逐一拆除，取掉編號(hào)4：頂部圓盤夾具，按照設(shè)計(jì)要求放置編號(hào)7：T型滑塊，T型滑塊根據(jù)龍骨位置在圓盤夾具環(huán)向調(diào)整最終確定滑塊的安裝角度;再將4：圓盤夾具進(jìn)行恢復(fù)，將編號(hào)6：內(nèi)六角機(jī)絲螺釘采用扭矩扳手進(jìn)行緊固;再安裝編號(hào)9：耳板與套筒組合件，根據(jù)立柱的安裝方向可通過(guò)編號(hào)8：銷軸對(duì)耳板組合件進(jìn)行方位調(diào)整并固定(圖4.9~4.11)。
(3)龍骨安裝
根據(jù)幕墻龍骨平面分格定位圖放鋼絲控制鋁龍骨的進(jìn)出、分格;按龍骨立面布置圖備料(龍骨、連接件、插接件、尼龍墊片、M12不銹鋼螺栓、不銹鋼螺帽、鋼方墊片);按鋁龍骨安裝節(jié)點(diǎn)大樣立豎龍骨(控制好標(biāo)高);校核龍骨分格、垂直度，分格、標(biāo)高是否能閉合。龍骨通過(guò)與連接支座的不銹鋼套芯固定完成安裝(圖4.12)。
(4)玻璃安裝
龍骨調(diào)整完畢后安裝玻璃面板。
施工準(zhǔn)備，檢驗(yàn)玻璃板塊規(guī)格、色差、使用位置等→玻璃初安裝，調(diào)整方向、將玻璃就位、對(duì)槽、進(jìn)槽、對(duì)膠縫→對(duì)板塊進(jìn)行調(diào)整完成面→對(duì)玻璃板塊進(jìn)行固定，用橡膠塊固定→打密封膠→檢查驗(yàn)收(圖4.15、圖4.16)。
(5)電動(dòng)開(kāi)啟扇安裝
施工前先對(duì)基座的平整度做檢測(cè)，基座的對(duì)角線誤差不大于2㎝，水平平整度誤差不大1㎝。將傳動(dòng)軸安裝固定，把電機(jī)與傳動(dòng)軸連接固定;將窗體置于基座上，并將窗體與基座間連接固定;用齒條將窗扇與傳動(dòng)軸連接，緊固;電機(jī)控制系統(tǒng)連接調(diào)試(圖4.17)。
6、結(jié)束語(yǔ)
多維調(diào)節(jié)異形采光頂技術(shù)，以其特有的多維調(diào)節(jié)支座設(shè)計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)、BIM參數(shù)化技術(shù)在設(shè)計(jì)、加工、施工階段的成功應(yīng)用，使我司在曲面采光頂技術(shù)領(lǐng)域取得新的突破，同時(shí)為類似空間異形曲面的建筑幕墻提供更先進(jìn)的技術(shù)解決方案。此外，本多維調(diào)節(jié)支座系統(tǒng)已獲得國(guó)家實(shí)用新型專利：一種采光頂連接支座系統(tǒng)。
完工后的內(nèi)蒙古少數(shù)民族群眾文化體育運(yùn)動(dòng)中心一期工程，包括多功能主體樓、亮馬圈和看臺(tái)樓。成為呼和浩特市的地標(biāo)性建筑，屹立于廣袤的草原上，它像一只展翅翱翔的雄鷹，又像一位蒙古族搏克手蓄勢(shì)待發(fā)。人們站在萬(wàn)畝草場(chǎng)仰望于它，可以感受到濃濃的蒙古族文化與現(xiàn)代建筑文明的完美融合。
作者單位：金剛幕墻集團(tuán)有限公司
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