双曲面“水幔”型幕墙结构施工关键技术

史磊 贾承杰

0 引言

随着社会的进步，人们对建筑外观的追求越来越高，由于结构简约、造型美观、经济适用性好，幕墙无疑在建筑的外墙围护中占据着重要地位。目前幕墙结构施工中，几乎采取普通截面框架柱（口形、H 形）作为幕墙的支撑骨架，无形中限制了复杂曲面幕墙的发展。本文背景以第十九届亚运会项目浙江师范大学亚运手球比赛馆工程为载体，建筑外立面为双曲面连续变截面钢龙骨柱加外包铝塑复合板，穿插穿孔铝单板，钢化玻璃等多种材料的幕墙结构，形状类似于从高处突然降低水位的水幕，结构复杂，造型优美，通称为“水幔型”双曲面幕墙。由于双曲面幕墙有构件数量多，种类多等特点，因此预埋件精准布置，曲面异形柱弧度控制，异形柱吊装控制等都使其具有一定的技术难点，因此有必要对其施工关键技术进行研究，为科学施工保驾护航。

1 工程简介

本工程主体为框架结构，建筑高度22.15m，屋面为大跨度张弦梁结构，场馆外立面四周采用低碳钢的连续变截面钢龙骨柱外包铝塑复合板，中间穿插穿孔铝单板，钢化玻璃等，异形骨架上端与屋面钢桁架下端相连，与之对应的钢桁架上端与90 度圆弧钢花架连接，异形柱专用底座与地面浇筑一体，异形钢柱整根通长在17.3m 左右，厚度6mm，外表面涂60um 厚的防腐漆。单根钢柱变截面宽度尺寸为0.15～0.45m，相邻两柱之间间距尺寸为0.15～1m，单根骨架呈现双曲面型，整体立面看似水幔一样。整个建筑共有低碳钢异形钢柱一共244 根。其中带1/4 圆弧异形钢柱一共193 根，不带圆弧异形钢柱51 根，外包铝塑复合板为4.0 厚度，钢柱呈连续变截面且带弧度，形状类似于水幔，幕墙外立面布置图见图1，实景图见图2。

图1 幕墙外立面三维布置图

图2 幕墙外立面实景图

2 研究思路

2.1 重难点分析

结合本工程情况，双曲面“水幔型”幕墙结构施工具有如下难点：

（1）本工程异形柱、预埋件、铝板等构件种类及数量多，各种工艺穿插复杂，施工单元划分有一定的难度。

（2）预埋件布置在混凝土框架梁柱上，混凝土施工对埋件位置准确度影响较大，控制不好会增加幕墙构件安装的难度。

（3）“水幔型”双曲面异形柱外观有严格规定，传统人工切割无法保证圆弧精度，且现场焊缝位置施焊空间小，无法使用自动氩弧焊等全自动焊接设备。

（4）本工程场地狭小，可用吊装作业面小，异形构件类型及数量多，大部分构件进场后直接吊装。异形钢柱截面长度0.15～1m，截面宽度0.15～0.45m，整根通长17.3m，重量大，截面不规则，吊装绑扎位置多样，吊装控制难度大，需要吊机师傅的灵活操作，对构件管理要求高。

2.2 解决思路

（1）优美多变的曲面型材和玻璃板材使得双曲面框支撑幕墙给人强大的视觉冲击感，富有个性的构造空间使幕墙构件单元划分变得多样，针对单元划分复杂有如下思路：通过对安装时间和空间的合理考虑，将幕墙整体划分为多个单元，分批次安排加工、运输和安装，如变截面钢龙骨支撑可划分为钢结构桁架→变截面钢龙骨→环梁→变截面弧形钢龙骨→预埋底座等。

（2）为消除混凝土施工影响，使埋件位置变得精确的思路如下：一是从预埋件设计考虑，如通过验算将预埋件尺寸作出相应修改，二是采用合理定位方法，如增加定位步骤或校核次数等。

（3）解决加工难度大及安装复杂的思路是多使用工厂加工工序，如4.8m 处环梁，直梁现场直接焊接安装，圆弧环梁工厂折弯后运到现场安装，两者分开同时进行；又如环梁下大圆弧龙骨柱由三段弧度相同的圆弧柱组成，作为“水幔型”双曲面的底部，弧度精度要求较高，无法现场人工完成，需通过工厂特定高精度数控机床切割及二氧化碳气体保护焊焊接，运到现场安装。

（4）解决堆场及吊装作业面狭小可从如下着手：一是增加厂内加工工序，减少现场场地使用；二是合理安排吊装计划，材料到场后直接安排施工，避免造成材料大量堆积。

3 关键技术

3.1 施工工艺

双曲面“水幔”型幕墙结构的主要施工工序为：预埋件埋设→环梁安装→异型钢龙骨柱安装→钢结构次龙骨安装→屋面组合花架安装→铝塑复合板及铝单板安装。

3.2 预埋件进埋设

预埋件施工按如图3 流程进行。

图3 预埋件施工流程

双曲面“水幔型”幕墙要在外观上给人一定的冲击感，预埋件位置精度要求非常高，埋设时须对埋设位置进行全面检查校正及调整。绑扎地梁钢筋时，预埋下部混凝土底座预埋件，上部4.8m 处主梁施工时，预埋环梁埋件。重点控制混凝土浇筑前后埋板标高和位置，方法如下：首先从预埋件的设计考虑，通过合理设计及验算，将预埋件尺寸放大，以消除部分误差；其次增加定位步骤或校核次数，层层控制，将埋件位置误差降到最小，即预埋件钢筋绑扎前定位一次→增加绑扎处钢筋支撑并点焊加固→模板加固后校核一次→浇筑时矫正一次→混凝土强度达到后矫正一次。若出现漏埋、偏位严重等现象，用后置埋件，后置锚板、机械锚栓的尺寸必须符合设计要求，且埋入处混凝土表面不应有起砂、起壳、蜂窝、麻面、油污等影响锚固承载力的现象。

3.3 环梁安装

建筑外部标高4.8m 位置有一道钢结构环梁，该环梁通过预埋件与主体结构梁连接，后续的钢龙骨会连接到该环梁上。环梁施工步骤为：环梁加工→环梁位置确认→环梁吊装→焊接，即：清除预埋件表面混凝土，用仪器将轴线和标高线引出在埋件上，埋件侧面焊上薄壁方形钢管作为环梁的支撑，接下来将加工后的直环梁和圆弧梁逐步焊接安装。

3.4 异型钢龙骨柱安装

异型钢龙骨柱从环梁处划分为两段，即上部变截面钢龙骨柱和下部圆弧形钢龙骨柱。上部变截面钢龙骨柱由多段小的变截面钢龙骨柱组成，由工厂将钢板切割成型后焊接成一小段，各小段焊接成一大段后运送到现场吊装；下部圆弧形钢龙骨柱由三段弧度相同小圆弧柱组成，作为“水幔型”双曲面异形钢柱底下的一段，弧度精度控制很高，由工厂数控机床进行切割，CO保护焊焊接完成后运送到现场吊装。钢龙骨焊接后，对其进行超声波探伤，合格后涂刷防锈、防腐漆，以保证其质量。钢柱进现场前，确定好各构件连接处标高及轴线，并做好标记。下部钢柱到场后，用绑绳绑扎在事先确定好的吊装绑扎位置，用吊车将异形钢柱吊到对应位置点焊固定，焊缝处应力平衡后满焊。焊缝要求饱满顺滑，无夹杂气泡，焊缝要求到达一级，焊接完成后应进行打磨，探伤检测，合格后涂刷防腐涂料，上部钢龙骨安装同样的方法安装后，“水幔型”双曲面异形钢柱逐步形成。

3.5 钢结构次龙骨安装

如图4 所示，钢结构次龙骨分为三段：下部为多段小的钢龙骨组成，均匀分布在圆弧形钢主龙骨上；上部钢结构次龙骨1 为一段直形钢龙骨，每根主龙骨布置一根次龙骨；上部钢结构次龙骨2 为两根次龙骨布置在一根主龙骨上，呈稳定的三角形结构，中间焊接一定数量的横梁。施工过程可简述为：钢结构次龙骨安装的安装位置放线→钢结构次龙骨工厂加工焊接→各部分次龙骨与主龙骨焊接固定。焊缝要求饱满顺滑，无夹杂气泡，焊缝要求到达一级，安装时用测量仪器和线坠测量，随时校正其位置，以保证骨架的位置准确。局部钢结构次龙骨布置大样图如图5 所示，钢结构次龙骨布置实景图如图6 所示。

图4 整体钢结构次龙骨布置示意图

图5 局部钢结构次龙骨布置大样图

图6 钢结构次龙骨布置实景图

3.6 屋面钢结构组合花架安装

屋面组合花架包含矩形下弦杆（尺寸150mm×150mm×6mm）、斜腹杆（尺寸150mm×150mm×6mm）、矩形斜杆（尺寸150mm×150mm×6mm）、矩形水平杆（尺寸150mm×150mm×6mm）等构件，由工厂预制完成。组合花架布置示意图如图7 所示。进场后，首先进行地面组合焊接，焊接前可进行各构件的预拼装，正式施焊时先矩形斜杆和矩形水平杆，最后与矩形下弦杆焊接在一体，用C0保护焊施焊，焊缝要求饱满顺滑，无夹杂气泡，焊缝要求到达一级，焊接后进行打磨及探伤，检测合格后进行吊装，吊装前先进行试吊，平稳后缓慢移动至结构位置，校正后，用C0保护焊初始固定，微调垂直度符合要求后满焊，焊缝要求与前述构件一致。

图7 组合花架布置示意图

3.7 铝塑复合板及铝单板安装

幕墙铝塑复合板及铝单板安装前，根据本工程双曲面“水幔型”的特性，在工厂将板面合理加工成型，制定单元划分编号图，并将对应的板做好标记。安装依据板片编号图进行安装，不得将不同编号的板块进行互换。

对于塑复合板，将主龙骨上的轴线及标高线引出到次龙骨上，在次龙骨及组合花架上攻铣螺丝孔位，根据铝塑板箭头指示方向，用铆钉将铝塑板饰面逐块固定在次骨架上，板与板之间的间隙为10～15mm，固定好后注入硅酮耐候密封胶。铝板安装前严禁拆包装纸，直至竣工前方撕开包装保护膜。在幕墙的边缘处，在定位放线的基础上，利用铝合金成型的铝单板将幕墙端部及龙骨的部位封住，相邻二单元板高低差控制在＜1mm，缝宽控制在±12mm，缝隙用防水材料进行密封。外立面幕墙效果图如图8 所示。

图8 外立面幕墙效果图

4 结语

本文通过双曲面“水幔型”幕墙结构施工重难点分析，提出了对应的解决方法。通过对安装时间和空间的合理考虑，将幕墙整体划分为多个单元，合理安排加工、运输和安装，解决了构件划分困难的问题。从预埋件工艺优化方面，多重定位矫正，最大程度地保证了预埋件位置准确性。采将大部分构件放在工厂加工，不仅解决了钢骨柱现场加工精度问题，也消除了场地狭小的限制。