大板块双曲挑檐铝单板高空安装新技术研究与应用

随着经济高度发展及思想观念的解放,建筑结构形式日趋新颖,异形幕墙工程数量与日俱增,越来越多的悬挑结构出现在我们的视野,其幕墙铝板施工以传统的框架式安装和近年逐渐广泛采用的单元式安装为主。对于建筑结构高、悬挑距离大的挑檐铝单板,经常受到场地等因素约束,框架式或单元式安装均难以满足施工要求,为了突破此技术难点,本工程采用了单元式与框架式相结合的大板块施工方法,成功完成了安装任务。通过实践验证,此工法对类似工程具有较大借鉴意义。

1 工程概况

新能源研究院工程由武汉市政府和华中科技大学共同组建,工程在设计上结合武汉气候特点,综合利用现有风能、水能及太阳能等多种节能技术和新能源技术,以期实现在日照充足的情况下“零”常规能源供应的目标。工程主塔楼地下 1 层、地上 17 层,建筑总高度为 127. 9m,整体造型似一朵绽放的“马蹄莲花”,是目前国内最大的仿生建筑(见图 1)。塔楼外立面幕墙由玻璃幕墙、铝格栅幕墙和双曲铝板幕墙 3 部分组成,挑檐位置的双曲铝单板幕墙最大悬挑出主体混凝土结构约 21m,安装最高点近 110m,且铝板板块大,在国内外建筑工程中均属罕见。而且,双曲铝单板是安装在呈 24°倾角的花冠形钢结构桁架上,对安装措施提出了很高要求。 

    2 特点、难点分析

1)工程造型新颖,挑檐超大双曲铝单板安装高度高、悬挑距离远。

2)铝板安装在呈 24°倾角的钢结构屋架上,精度不易控制,且周边裙楼已施工完成,无法搭设施工平台,安装难度大。

3)高空安装,安全风险大。

3 设计方案优化

根据现场实际情况,经过多个方案筛选、严密计算、方案洽商和专家论证,最终决定采用单元大板块的安装方法,此方法是对常规的单元式吊装及框架式吊装两种方法的有效结合。根据工程造型特点,通过计算机三维放样,以轴线为单位,将整体挑檐铝单板分解成48 块(最大板块:6m×13m,质量2100kg;最小板块:6m×4.8m,质量775kg),提取板块模型图,通过坐标系转换,绘制大板块龙骨加工图,在地面完成大板块的龙骨和铝板拼装,然后进行板块整体吊装、定位及焊接,确保施工速度及安装效果。

4 优点分析

本工程挑檐双曲铝单板板块大、安装高度高、悬挑距离远,常规的单元式安装方法厂家可加工的铝板尺寸有限,无法满足本工程板块大的需求;对于框架式安装方法,受安装高度及周边裙楼的影响,无法搭设操作平台,也无法满足施工需求。单元式大板块安装方法对以上两种方法进行了有效结合,按照框架式安装方法在地面上进行大板块拼装,然后对拼装好的单元板块进行整体吊装的设计,成功解决了该项施工难题。其具体优点如下。

1)采用计算机三维放样,板块龙骨按轴线整体定型,更能有效控制尺寸偏差,为整体施工效果控制打下基础。

2)板块全部在地面拼装,与高空作业相比,操作人员能更好地控制龙骨与面板的拼装、焊接质量,为双向曲面的顺滑度等效果控制提供便利条件。

3)大板块的定位、拼装、焊接等主要工序从高空转移至地面进行,一方面能有效降低高空作业的施工安全风险,另一方面可以采用多场地同时拼装和多点位同时吊装的方式,加快施工进度,缩短工期。

4)单个板块的尺寸大,板块的总量少,可以有效减少板块定位次数,降低定位偏差及板块间拼接的累积误差,能很好地控制双曲铝单板的安装质量。

5 施工工艺流程

5.1 加工图绘制

由于施工图为整个屋架的三维模型图,板块加工的数据均需要从三维模型中提取。完整的板块加工图绘制经过以下几个过程。

1)板块原始数据提取 按照板块分割单位,从挑檐铝单板整体模型中提取板块模型图。

2)坐标系转换 板块空间结构斜向高差大,不利于板块加工,通过转换坐标系将加工图从立式转换为水平式。

3)主龙骨放样图绘制 根据转换后的模型图,提取主龙骨放样图,并进行尺寸标注。

4)龙骨组装定位图绘制 将转换后的模型图导入 Auto CAD 中,进行龙骨各控制点坐标标注,最终形成板块加工图。

5. 2 龙骨制作安装

1)场地搭设 在各板块吊装区域搭设拼装平台。

2)板块龙骨制作 根据龙骨放样图制作板块主龙骨及横龙骨。

3)板块龙骨组装 先根据板块加工图控制点坐标值对主龙骨进行定位,然后从起始控制点开始进行横龙骨的连接。

4)吊装龙骨设置 在中缝主龙骨上方焊接钢方通,形成 300mm 高桁架结构,加强板块纵向刚度;在板块背面焊接 50mm ×5mm 镀锌方钢管斜向剪刀撑,加强板块横向刚度;斜撑与板块龙骨相交处全部采用焊接;卷扬机及汽车式起重机吊点根据需要设置在吊装专用龙骨上。

5.3 双曲面铝板安装

1)以角点板为起点,按照先横后纵顺序安装;铝板通过自攻自钻螺钉与龙骨连接。

2)板块折边采用螺钉对穿连接,以保证板块拼接的平整度。

5.4 外盖板安装及打胶处理

1)板块拼装完成后,在竖向分缝位置安装外盖板,包括铝合金盖板和圆弧铝板柱。

2)顶端第1块外盖板采用铝板封头,此工序在加工厂完成。

3)盖板与铝板接缝处、装饰柱与铝单板接缝处采用胶缝处理。

5.5 板块吊装

施工步骤为:板块释放、转移→板块提升→板块定位、固定。

5.5.1 板块释放及转移

1)板块与支架是整体,吊装前采用汽车式起重机完成释放工作。

2)提升吊钩,当板块与支架达到分离临界状态时停止提升,然后逐点拆除支架对穿螺栓,逐步释放板块与支架的连接。

3)待板块全部释放后,提升板块至悬空状态,然后观察板块是否出现塑性变形,若无就开始板块转移。

4)通过汽车式起重机将板块水平转移至作业点正下方。

5.5.2 板块提升

1)板块转移至作业点下方后,将卷扬机吊钩与板块预设吊点连接,进行板块提升。

2)待板块全部由卷扬机着力之后,解除汽车式起重机吊钩,开始向上提升板块,提升过程中保持板块水平。

3)板块临时连接。待板块提升至安装点时,卷扬机停止工作,然后通过手拉葫芦与板块预设吊装环连接,形成临时连接。与此同时,卷扬机吊钩不脱钩。

5.5.3 板块定位

1)板块就位后通过微调手拉葫芦对板块位置进行定位。

2)板块定位参照点设置在板块四边,长边设置3个参照点,短边设置2个参照点。

3)根据参照点与钢结构桁架相对关系确定参照点微调空间范围。

4)最终以板块外饰面拼接效果为依据确定板块的最终定位点。

5.5.4 板块固定

1)板块定位完成后,用方钢管将板块与主钢构上弦杆焊接固定。

2)板块固定时,应顺应板块原弧度尺寸,尽量避免手拉葫芦强力拉拽等方式强制装配,以减小板块整体变形。

6 质量控制措施

6.1 板块拼装质量控制板块拼装质量作为施工质量的基础及源头应做重点控制,其控制内容主要包括加工图准确度复核、加工过程质量监控及板块验收等方面。

1)加工图复核 板块加工图绘制的整个过程包括多个图形处理环节,出错概率较大,为确保最终加工图与模型图的一致性,加工图在用于指导施工之前需由技术负责人进行复核。

2)旁站监督 板块在拼装过程中,由管理人员旁站监督,对龙骨加工的精度、龙骨组装的误差、铝板安装的顺滑度等方面进行过程监控。

3)板块验收 板块吊装之前,项目部应进行自检,并请监理、业主单位进行板块验收,验收合格后方可用于吊装。

6.2 板块定位质量控制

由于现场条件限制,板块定位采用非完全精确定位方式,主要参照依据是钢构桁架及连系杆的空间位置。为保证整体安装质量,必须重点控制板块定位精度。

1)预留调节空间

板块固定时,先固定上边、下边及主桁架所在竖向边;第4边待相邻板块安装完成后,统一调整进场尺寸再固定,保证板块拼接时的平整度。

2)接缝顺滑度控制

檐口向下两块铝板的竖向接缝无装饰柱封闭,板块固定时,从檐口开始向下逐点连接,确保拼接的顺滑度。

6.3 成品保护

1)铝板搬运过程中用海绵铺垫小车,避免材料表面油漆磨损。

2)板块整体拼装完成后再撕掉铝单板保护膜。

3)板块拼装完成后,四周设置防护杆,防止铝板被撞击损坏。

7 结语

由于建筑结构的特殊性,采用单元式大板块安装方法可以解决双曲铝单板板块大、安装高度高、吊装措施难、安全风险高等难题,经专家论证后实施,保证了施工质量和安全,取得了良好的经济和社会效益。本工程创造了同类工程造型最独特、技术难度最复杂的先例,可为类似工程提供良好借鉴。

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