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摘要：本文針對內(nèi)蒙古少數(shù)民族群眾文化體育運動中心一期工程的亮馬圈項目，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、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，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動中心一期工程總建筑面積約81869.81平方米，本項目包括3個單位工程：多功能主體建筑，亮馬圈及看臺樓。
在單體設(shè)計上，引入“蒙元文化符號”為立面設(shè)計主要基調(diào)，以曲面的造型為主，立面簡潔明快，線條流暢。主體建筑立面采用蒙古包、哈達、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)，重點介紹其異形采光頂?shù)脑O(shè)計與施工。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158米，東西寬85米，從上往下俯視亮馬圈，采光頂呈左右對稱的兩個扇形結(jié)構(gòu)。造型特點為頂部曲率平緩，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)計體現(xiàn)了場館采光與遮陽的巧妙取舍。
2、采光頂設(shè)計
2.1建筑造型分析
內(nèi)蒙古少數(shù)民族群眾文化體育運動中心一期工程：亮馬圈，是一個橢圓形的球體結(jié)構(gòu)，采光頂位于中部，主要造型特點為：呈左右對稱的兩個扇形結(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，首先，建立幕墻表皮并進行分析，充分考慮設(shè)計、加工、施工、成本等因素，結(jié)合甲方、建筑師的要求，確定對異形采光頂進行三角形及四邊形面板劃分;其次，采用BIM參數(shù)化技術(shù)，對建筑外表皮找形，標(biāo)高（詞條“標(biāo)高”由行業(yè)大百科提供）、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)系并進行有理化分格。將分格數(shù)量、長度、比例等均設(shè)置為可調(diào)參數(shù)，通過參數(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，經(jīng)過反復(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，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)計為凹凸槽嵌套配合連接，并通過4個M8內(nèi)六角機絲螺釘擰緊固定，上下圓盤夾具形成一個環(huán)形槽，多個不銹鋼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∅14銷軸連接，耳板通過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)的特點為：T型滑塊可對采光頂龍骨進行幕墻平面上的角度調(diào)節(jié)，即適應(yīng)玻璃面板角度變化的分格要求;耳板銷軸可對采光頂龍骨進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，通過螺桿上的螺母調(diào)節(jié)可進行采光頂與主體結(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)計成圓管的形式，鋁合金龍骨（詞條“鋁合金龍骨”由行業(yè)大百科提供）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行螺釘鎖緊固定。通過此連接構(gòu)造可以看出，此多維調(diào)節(jié)支座可作為一個標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計的支座系統(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）、保溫性能。系統(tǒng)構(gòu)件的標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)應(yīng)用可大大減少了材料開模成本、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。
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)計及施工，實現(xiàn)了異形建筑外圍護結(jié)構(gòu)體系的構(gòu)配件標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計，適應(yīng)性強(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+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壓塊進行固定連接(圖2.13)。
3、采光頂提料及加工
3.1 面板及龍骨提料
整個項目中有幾萬塊玻璃板塊，采取基于BIM技術(shù)進行參數(shù)化提取加工數(shù)據(jù)，對幕墻模型進行數(shù)據(jù)收集并進行參數(shù)化建模，整個模型面板、龍骨提料工作會按照參數(shù)化流程圖變得智能化，自動進行面板編號、標(biāo)注尺寸、統(tǒng)計及歸類、加工尺寸數(shù)據(jù)導(dǎo)出等，整個過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)和測量放線存在偏差時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)確進行鋼方管底座加工，為采光頂?shù)陌惭b打下堅實基礎(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4個M8內(nèi)六角機絲螺釘緊固，圓盤夾具需要銑孔加工，全螺紋螺桿一端與下圓盤需進行連接固定。T型滑塊與耳板通過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個體需進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)，可自動快速地生成施工三維坐標(biāo)控制點(圖4.1)，要比傳統(tǒng)模型逐一取點坐標(biāo)的效率高很多。參數(shù)化建模技術(shù)進行施工模擬及指導(dǎo)現(xiàn)場施工，在本項目中，利用參數(shù)化建模技術(shù)迅速生成幕墻的面板，龍骨，支座及零件等實體模型，給現(xiàn)場幕墻施工提供參考，以保證工程施工達到最理想效果(圖4.2、圖4.3)。
4.2 施工過程
4.2.1 施工測量放線
在對主體鋼結(jié)構(gòu)進行測量前要編制測量計劃，現(xiàn)場確定模型定位基準(zhǔn)點的位置，結(jié)合工程特點對所測量對象進行分區(qū)，制定各分區(qū)測量方法，然后進行綜合統(tǒng)籌，全方位進行測量過程控制。
按建筑外形及幕墻面板所在位置，將本項目分為2個施工區(qū)(圖4.4)，從主體框架實體模型中抽取兩個分區(qū)交點坐標(biāo)、在每個分區(qū)中按每軸線間3-5個點在每層樓結(jié)構(gòu)標(biāo)高處抽取測量點，將控制點坐標(biāo)、放樣點坐標(biāo)等計算數(shù)據(jù)輸入全站儀內(nèi)存，調(diào)用全站儀內(nèi)置程序自動計算控制點至各放樣點的方位角、距離等測量數(shù)據(jù)，放出各節(jié)點具體空間位置，將復(fù)測結(jié)構(gòu)反饋設(shè)計師，根據(jù)結(jié)構(gòu)實際偏差情況調(diào)整主體結(jié)構(gòu)框架實體模型。
4.2.2 施工前準(zhǔn)備
施工前對工程的技術(shù)資料、工具、器具、材料、人員、機械、臨時設(shè)施做好充分的準(zhǔn)備。對所用到的原材料進行復(fù)驗。
對施工人員進行技術(shù)交底，應(yīng)先做樣板，經(jīng)公司質(zhì)管部、技術(shù)部批準(zhǔn)后組織進場。
對照幕墻系統(tǒng)設(shè)計，復(fù)查主體結(jié)構(gòu)的施工質(zhì)量。因為主體結(jié)構(gòu)的施工質(zhì)量如何，對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)計師提供的三維模型坐標(biāo)進行測量放線;通過測量放線確定圓管底座安裝位置，點焊臨時固定位置，測量檢查三維空間誤差，驗收合格后對稱滿焊固定，并對焊接破壞位置進行防腐處理;接著進行調(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現(xiàn)，∅89×8圓管底座焊接點定位準(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位(圖4.6)。
根據(jù)設(shè)計師提供的三維模型坐標(biāo)進行測量放線，本項目通過對幕墻表皮的進行曲面劃分優(yōu)化，并利用參數(shù)化技術(shù)自動快速地生成施工三維坐標(biāo)控制點。通過測量放線確定圓管底座安裝位置，點焊臨時固定位置，測量檢查三維空間誤差，驗收合格后對稱滿焊固定，并對焊接破壞位置進行防腐處理。
當(dāng)出現(xiàn)檁條偏差的現(xiàn)象，需對檁條進行調(diào)整，進行點位的二次復(fù)核。如偏差情況未解決，繼續(xù)對檁條進行調(diào)整，進行點位的三次復(fù)核，以此類推直至滿足設(shè)計要求。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現(xiàn)，待鋼結(jié)構(gòu)檁條調(diào)整完畢后，需采用全站儀打點安裝多維調(diào)節(jié)支座圓盤組件，只有保證圓盤頂部點位的準(zhǔn)確，才能保證裝飾效果以及外觀質(zhì)量。現(xiàn)場施工人員需將組裝好的多維調(diào)節(jié)支座打點定位，發(fā)現(xiàn)如檁條突起的情況，需標(biāo)注突起的尺寸，將圓管底座進行切割，切割完畢后在重新打點定位。
為了保證結(jié)構(gòu)安全需對鋼結(jié)構(gòu)已安裝完成的檁條進行復(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，進而通過焊接質(zhì)量保證結(jié)構(gòu)安裝。如出現(xiàn)檁條與多維調(diào)節(jié)支座錯位超過設(shè)計要求，需對檁條支架進行切割調(diào)整補焊(圖4.8)。
(2)多維調(diào)節(jié)支座的組裝
進場的多維調(diào)節(jié)支座連接件為單個個體，需現(xiàn)場進行組裝。在對進場材料嚴(yán)格把關(guān)后，將編號6：內(nèi)六角機絲螺釘進行逐一拆除，取掉編號4：頂部圓盤夾具，按照設(shè)計要求放置編號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：圓盤夾具進行恢復(fù)，將編號6：內(nèi)六角機絲螺釘采用扭矩扳手進行緊固;再安裝編號9：耳板與套筒組合件，根據(jù)立柱的安裝方向可通過編號8：銷軸對耳板組合件進行方位調(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出、分格;按龍骨立面布置圖備料(龍骨、連接件、插接件、尼龍（詞條“尼龍”由行業(yè)大百科提供）墊片（詞條“墊片”由行業(yè)大百科提供）、M12不銹鋼螺栓、不銹鋼螺帽、鋼方墊片);按鋁龍骨安裝節(jié)點大樣立豎龍骨(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、對槽、進槽、對膠縫→對板塊進行調(diào)整完成面→對玻璃板塊進行固定，用橡膠塊固定→打密封膠→檢查驗收(圖4.15、圖4.16)。
(5)電動開啟扇安裝
施工前先對基座的平整度做檢測，基座的對角線誤差不大于2㎝，水平平整度誤差不大1㎝。將傳動軸安裝固定，把電機與傳動軸連接固定;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軸連接，緊固;電機控制系統(tǒng)連接調(diào)試(圖4.17)。
6、結(jié)束語
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、標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計、BIM參數(shù)化技術(shù)在設(shè)計、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，同時為類似空間異形曲面的建筑幕墻提供更先進的技術(shù)解決方案。此外，本多維調(diào)節(jié)支座系統(tǒng)已獲得國家實用新型專利：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動中心一期工程，包括多功能主體樓、亮馬圈和看臺樓。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待發(fā)。人們站在萬畝草場仰望于它，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：金剛幕墻集團有限公司
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