地标建筑中异形蜂窝铝板及金属屋面施工技术_周鑫.pdf

20231Building Construction56地标建筑中异形蜂窝铝板及金属屋面施工技术周 鑫 叶良生 李明泽 韦 明中建深圳装饰有限公司 广东 深圳 518023摘要：结合天府艺术公园文博坊片区场馆建设项目工程，通过BIM数字化、装配式、防水沥青及弯曲异形蜂窝板等新工艺、新技术、新材料有机结合，研发一种可调节屋面板转接构造，实现复杂曲率变化蜂窝铝板的高精度制作以及异形金属屋面装饰面板的精准安装，高度还原建筑师设计意图，完美呈现了盛开的“芙蓉花”造型金属屋面，有着较好的推广及应用价值。关键词：金属屋面；双曲面；装配式施工；BIM中图分类号：TU765 文献标志码：A 文章编号：1004-1001(2023)01-0056-04 DOI：10.14144/ki.jzsg.2023.01.014Construction Technology of Special-shaped Honeycomb Aluminum Panel and Metal Roof in Landmark BuildingsZHOU Xin YE Liangsheng LI Mingze WEI MingChina Construction Shenzhen Decoration Co.,Ltd.,Shenzhen 518023,Guangdong,ChinaAbstract:In combination with the construction project of Tianfu Art Park Wenbofang area venue construction project,through the organic combination of BIM+digitalization,fabrication,waterproof asphalt,bending special-shaped honeycomb panels and other new processes,new technologies and new materials,an adjustable roof panel transition structure is developed to achieve high-precision production of honeycomb aluminum panels with complex curvature changes and precise installation of special-shaped metal roof decorative panels,highly restoring the architects design intent.It perfectly presents the metal roof in the shape of hibiscus flower in full bloom,which has good promotion and application value.Keywords:metal roof;hyperboloid;fabricated construction;BIM1 工程概况天府艺术公园文博坊片区场馆建设项目位于金牛国宾片区，总占地面积约577亩（约38.47万 m2）。包含天府美术馆、当代艺术馆、图书馆，是第31届世界大运会配套项目中的“文旅高地”。美术馆建筑造型汲取成都市花“芙蓉花”为主要元素，屋顶为芙蓉花瓣造型的异形曲面金属屋面，下部吊顶为弧形起伏格栅。建筑平面如指状向湖面及四周延伸，以自然的形态与公园环境交融渗透（图1）。美术馆金属屋面建筑外表皮由6 000余块蜂窝铝板拼装而成，6 000余块蜂窝铝板曲率不一、尺寸造型不一，对于蜂窝铝板的尺寸抓取、窄而长造型下的加工精度及质量等均有着极高的要求。同时，要想完美还原建筑师的设计效果，必须保证表皮蜂窝铝板的加工生产及安装与理论模型高度一致，因此对蜂窝铝板本身的加工精度及龙骨系统的安装精度提出了非常高的要求，而常规的绘图及下单模式并不适用于此类工况，故而利用BIM数字化建模及下单技术给出了此类问题的解决方案（图2）。2 自由曲面金属屋面设计解决方案本工程中，BIM技术解决了壳体形态的曲率优化、双建筑师往往在个性化建筑屋面设计中融入椭圆面、折线面、抛物面、双曲面或自由曲面等元素1-3。此类不规则自由曲面的金属屋面通常存在3个难点：深化设计平衡可行性和设计师意图理解难，材料加工阶段各种扭曲材料的加工难，安装阶段高效安装难。采用“以直代曲”或“以单曲代双曲”的近似线方式拟合深化，往往造成屋面只有远观可呈现设计效果，而临近建筑会发现大量翘曲不平、错缝不一的问题。传统的逐一定位、逐一安装的方式费时费力，安全风险大，安装质量不易保障且施工周期长。通过天府艺术公园文博坊片区场馆建设项目双曲金属屋面工程，探索一套解决复杂造型金属屋面的深化设计、曲面优化、下料提单的BIM技术，一套可满足异形面板安装的多维度调节支撑转接系统，一种适用于弯曲造型的新型防水材料，一种结合BIM技术的高效装配式施工技术。作者简介：周 鑫（1993），男，本科，工程师。通信地址：湖北省武汉市江夏区滨湖路26号佩尔中心7楼（430223）。电子邮箱：收稿日期：2022-09-22结构施工STRUCTURE CONSTRUCTION建筑施工第45卷第1期57 图1 项目实景 图2 项目BIM模型曲及不同规格的面板尺寸归并优化、金属屋面与钢结构的碰撞检查、异形龙骨及面板的高效编号下单、装配式分榀组装数据提取等技术问题。为达到设计师理想的曲面顺滑效果，利用Rhino、Sub-division、Zbrush等软件技术对侧墙表皮、吊顶天花表皮进行了深度优化，形成了全新顺滑并可用于切割下料的BIM模型。优化的过程中，建筑转角处的曲率变化各不相同，难度最大，对此采用在每一次迭代偏移的同时调整转角偏移半径，来确保过渡自然，最终使得天花飘带造型完美呈现（图3）。1 082根截面线重建后的侧墙表皮模型1 103根截面线重建后的天花表皮模型优化后的合模表皮模型图3 表皮顺滑度优化步骤通过BIM模型直接指导厂家生产，实现无纸化下料，极大提高了下料的效率和准确率。同时利用参数化特性对模型的面板进行了分区编号及类型属性信息的写入，也为后期安装溯源提供依据。3 自由曲面金属屋面施工解决方案3.1 创新的多维度调节支撑转接系统为确保所有蜂窝铝板能够按照理论数据进行定位安装，需要在蜂窝铝板安装之前对龙骨系统完成精准定位，这在以往金属屋面施工中是十分少见的。经过团队的深入研究与测试，最终应用了多维可调节转接系统以及定制铝合金圆管龙骨，在出现安装误差的情况下可通过转接系统内调节达到精准定位，为面板安装提供高精度龙骨支撑。该转接系统调节灵活，可调节空间范围大，龙骨可直接调节就位后固定。龙骨系统定位完成后，装饰面板可直接安装，无需再次调节，极大地提高了安装效率（图4）。3.2 蜂窝铝板屋面施工工艺流程结构返尺抗风夹/铝合金转接型材安装铝合金U槽及铝合金龙骨支座系统定位及安装铝合金圆管龙骨系统定位及安装铝合金面板支座安装屋面蜂窝铝板安装及定位3.3 操作要点3.3.1 结构完成面返尺对已施工完成的金属屋面直立锁边铝镁锰板进行加密返尺测量，范围覆盖整个金属屋面，取得建筑屋面完成面数据，通过与施工BIM模型对比分析，确定与理论点位偏差数值，为后续确定抗风夹铝合金型材定尺高度提供准确依据。通过定尺下单不同高度规格抗风夹铝合金型材，使面板上部构造安装达到系统可调节范围（图5）。图4 多维可调节转接系统安装效果 图5 钢结构返尺示意3.3.2 屋面防水层施工本项目采用喷涂速凝橡胶沥青防水涂料作为防水层，速凝橡胶沥青防水涂料施工前在保温层及屋面檩条以上铺设一层镀锌钢板，镀锌钢板顺水方向铺设，搭接宽度100 mm，搭接部位间距250 mm，采用2颗不锈钢抽钉进行拉结固定，同时镀锌钢板搭接缝采用丁基胶带全部粘贴覆盖，钢板上部T码亦采用丁基胶带作为加强层处理（图6）。基面干燥、结实、清洁，达到喷涂的基面要求后，进行防水层的喷射施工。相对于传统的TPO防水层，速凝沥青施作时为液体状喷射于找平层上，待凝固后形成类似于橡胶皮薄层，贴合异形双曲屋面的能力更好，整体性更强（图7）。图6 镀锌钢板搭接部位 图7 速凝沥青施工 丁基胶带粘贴覆盖 完成效果速凝沥青本身对镀锌钢板具有较好的附着力，不需要额外使用机械连接固定，避免防水卷材施作时在大坡度屋面上打钉固定，重力作用下导致TPO撕裂。喷涂速凝橡胶沥青防水涂料在成都地区首次应用于金属屋面工程中，对后续其他项目防水材料的选择具有重要的参考意义。3.3.3 抗风夹/铝合金转接型材安装针对直立锁边屋面（图8），通过定制铝合金抗风夹将下部直立锁边及上部蜂窝铝板龙骨系统进行固定连接，抗周鑫、叶良生、李明泽、韦明:地标建筑中异形蜂窝铝板及金属屋面施工技术20231Building Construction58风夹分为左右2片，通过M8不锈钢螺栓组固定，抗风夹上部为卡扣造型，在螺栓锁紧后可有效控制左右两片抗风夹平行度，防止抗风夹下部张口。金属屋面直立锁边板与蜂窝铝板龙骨方向呈平行到垂直关系的不规则逐渐变化趋势，因此采用在相邻直立锁边肋上安装过桥型材，从而实现转接型材在直立锁边间隔范围内的自由调节（图9）。97975353100120120100100 图8 直立锁边屋面系统示意 图9 过桥型材安装示意针对无直立锁边的金属屋面（图10），采用在屋面次檩条上安装U形钢转接件及铝合金T形支座的方式连接上部蜂窝铝板龙骨系统，U形钢转接件根据模型确定高度及安装点位，焊接完成后，安装铝合金T形支座，支座与钢转接件间设置绝缘胶带，通过4颗自攻螺钉固定。抗风夹及T形支座上部均留有通长螺栓槽，以固定上部结构（图11）。50010053 979753图10 无直立锁边的金属屋面系统示意M6不锈钢螺栓组M8不锈钢螺栓组铝合金抗风夹铝合金T码厚1.5隔热垫片厚1.5隔热垫片自攻螺丝厚4丁基胶带厚4丁基胶带找平层铝合金U槽6061-T6速凝沥青防水层镁锰合金直立锁边屋面板铝合金U槽6061-T6自攻螺丝U槽转接件自攻螺丝M6不锈钢螺栓组铝合金转接型材图11 抗风夹（小坡度）/铝合金转接型材（大坡度）安装节点3.3.4 铝合金U槽及铝合金龙骨支座系统定位及安装抗风夹及T形支座上部通过螺栓槽以不锈钢螺栓组固定铝合金U槽的形式，形成可以在水平方向360调节的转接结构，使之适应铝合金圆管龙骨与直立锁边之间夹角的变化（图12）。铝合金龙骨支座系统下半部分与铝合金U槽侧面皆开设竖向长圆孔，可实现高度方向30 mm的调节，且铝合金龙骨支座外侧预制抗滑槽，在铝合金龙骨支座系统调节就位后通过M8不锈钢螺栓组及锯齿垫片固定，形成紧密固定。图12 屋面铝合金龙骨转接构件组成示意3.3.5 铝合金圆管龙骨系统定位及安装在铝合金龙骨支座系统下半部分安装屋面蜂窝铝板的铝合金圆管龙骨，由于屋面造型特殊，每一根铝合金圆管龙骨均需进行不同方向、不同半径的双曲拉弯。拉弯及后续安装过程中基准线的确定成为主要技术难点之一。通过在铝合金圆管两侧及顶部设置3根通长钉线，铝合金圆管拉弯时以3根钉线确定拉弯法线方向进行各方向拉弯，在铝合金圆管系统安装时，仅需将铝合金圆管龙骨两侧钉线与铝合金龙骨支座系统下半部分上侧边缘对齐，放样确定铝合金圆管顶部钉线定位点即可完成安装，高效解决了铝合金圆管龙骨安装定位方向难确定的问题，极大程度提高了安装效率及精准度（图13）。最后通过螺栓将铝合金龙骨支座系统上、下半部分固定。铝合金圆管400400400400 400400 400400400400400400400400400 400400 400400 4004004004004004004004004001 0001 0001 000预制钉线铝合金龙骨支座系统图13 屋面铝合金龙骨排布及屋面铝合金龙骨与支座系统结构示意为保证铝合金圆管龙骨系统的顺滑度，在铝合金