科学馆金属幕墙工程关键技术分析

林 山

1 工程概况

总建筑面积约36万m2的广东省珠海长隆自然生态海洋科学馆项目在珠海市横琴新区富祥湾珠海长隆海洋王国南侧。科学馆的主体建筑设计采用飞船的造型，表面形体流畅，建筑体量整体统一，充满未来感和科技感。科学馆内最大的看台可容纳5 000名观众，馆内设有形式多样、大小各异的海工环境水池和大型游乐设备。作为集海洋生物展览与娱乐休闲一体的综合性建筑，其建成后将成为世界最大的海洋科学馆。建筑长度方向约630 m，宽度方向约192 m，金属幕墙玻璃裙顶最大高度约58.53 m。主体为钢结构，项目结构体系采用巨型拱壳结构形式，通过巨型框架柱和148 m大跨度三角拱桁架和90 m直径环形桁架形成大空间，视野开阔，从不同角度为游客近距离展现美妙的海底奇观。科学馆金属幕墙BIM优化模型如图1所示。

图1 科学馆金属幕墙BIM优化模型（来源：网络）

2 工程特点

2.1 工程规模大

本工程建筑立面幕墙系统的面积达到2.4万m2，幕墙建筑外部造型以流畅的曲线为基调，整体造型美观，对设计深度和施工精度要求高。

2.2 自然环境对现场施工影响大

珠海市地处亚热带，横跨北回归线，年平均温度22.8 ℃，最低温度0 ℃左右，全年中4～6月为雨季，8～9月天气炎热，多台风。受自然环境影响，施工防风、工人高温作业、温差变化对幕墙长板的影响等提出了严格的要求，保证施工质量、降低自然环境对施工造成的影响是本工程的重点之一[1]。

2.3 施工资源一次性投入大

整个幕墙面积约2.4万m2，根据招标文件的要求，施工单位要在121 d内完成所有施工内容，同时设定多个节点工期。结合本工程特点、招标要求及现场工作面移交顺序，独立配备施工资源。因此，在施工周期内需投入大量的机械设备、周转材料、劳动力以及资金等，对施工单位的实力提出很高的要求。

2.4 实施环保节能的绿色施工

本工程施工要求按照绿色建筑工程标准进行，以实现环保节能的目标。在施工过程中，除应采取封闭施工、防止扬尘、减少环境污染、清洁运输以及文明施工外，还应减少场地干扰，尊重基地环境，结合气候情况进行施工，节约水、电、材料等资源和能源，采用环保的施工工艺，减少填埋废弃物的数量[2]。

3 各幕墙系统简述

第一，大鱼区采光顶跨度约90 m，南北两边采光顶玻璃后加背板；中间I字型为玻璃，玻璃下方加装电动遮阳帘，闭合状态可达到大鱼区采光顶全遮光效果。大鱼区采光顶无背板区域采光顶下部安装电动遮阳帘，闭合可达到全遮光效果；同时在双层穿孔铝板内包玻璃布与玻璃棉，满足声学要求。

第二，儿童乐园区采光顶跨度68 m，做法同大鱼区采光顶无背板位置。儿童乐园采光顶玻璃含多种颜色，颜色分布如图2所示。

图2 儿童乐园采光顶效果（来源：网络）

第三，鱼鳍幕墙系统集玻璃幕墙系统、铝板幕墙系统、电动开启以及通风防雨百叶于一体，鱼鳍玻璃采用8FT+1.52PVB+8FT夹层磨砂玻璃。开启窗为电动开启，开启处设置不锈钢水槽系统，设置3 mm厚的铝单板、1.6 mm厚的铝合金防雨百叶，以满足建筑使用要求。

第四，船长餐厅幕墙系统玻璃采用的是10HS+12A+10HS中空玻璃，铝面板为4 mm厚弧形铝板，除弧形铝板第一道防水外，内部另设置2 mm厚防水铝板作为第二层防水。

第五，珊瑚池采光顶采用8LOWE+12A+（8+1.52PVB+8）中空夹胶玻璃，外部用3 mm厚铝板封边，内部用2 mm厚淡蓝色铝板封边。

4 质量管控重难点分析

4.1 金属屋面的防风处理

本工程屋面为双曲造型，屋面板施工体量大，屋面单板约长70 m，局部屋面高度超过39 m，对屋面的防风能力要求很高。施工中需要提高屋面系统的整体防风能力，防止节点破坏及薄弱点的产生，而收边板是屋面防风的薄弱点，因此需要进行有针对性的设计和施工。同时，珠海市属于沿海地带，抗台风能力要求高，为了保证屋面的防风性能，需根据屋面风洞试验报告数据，结合板型截面参数和材料性能理论计算屋面板的抗风揭能力，通过调整檩条间距和板型截面，保证屋面板满足风洞试验的数据要求[3]。

防风处理的关键是屋面四周的边板、每张屋面板的端头和收边，这些部位风压比较大，同时又是板的受力薄弱点，因此需加强防风处理措施。所有边板，包括山墙边板、天窗边板、洞口边板，全部都要通过铝合金扣件、铝合金扣条以及镀锌折件3道结构措施进行加强，以防止屋面板从边区掀起。在板的端头（檐口位置）增加滴水片，将所有屋面板连接成一个整体，实现整体抗风，提高防风能力。收边一般采用与屋面板同厚度同材质的屋面板基材进行加工，其板面平整，抵抗风压的能力偏弱，因此所有收边板内部都要增加支撑件，或采用加厚不锈钢板作为收边。

4.2 金属屋面的防水处理

防水是屋面的主要功能之一，屋面一般设置有天沟系统、天窗系统和检修系统等，因此屋面的防水处理面临多种情况。

天沟对接焊缝处的节点处理，消防排烟洞口、检修上人口的防水收边做法和工艺，都是屋面防水处理的重点，需要在施工中加强质量监控和管理。在施工中，通常采用试验的方式来检验屋面系统和其他附属系统的防水性能，如天沟和落水管的闭水试验、屋面和天窗的淋水试验等。在伸缩缝节点处，考虑到伸缩缝较长，漏水隐患大，采用2道防水设计，第一道采用热塑性聚烯烃（Thermoplastic Polyolefin Waterproof Membrane，TPO）防水卷材，第二道采用加厚铝单板收边，确保防水性能。通过在最适当的位置设置排水天沟，从根本上解决了采光天窗因变形带来的漏水难题，彻底解决天窗的漏水问题[4]。

4.3 结构误差调整及建筑外轮廓保证

本工程屋面部分外形为复杂的三维双曲面，为了保证屋面成型效果流畅、平整、美观，曲线平顺光滑，且实际施工完成面与设计的理论模型一致，幕墙龙骨安装需要进行大量的调整工作[5]。保证所有结构的安装精度是确保工程质量的重中之重，结构误差调整及建筑外轮廓保证需注意以下3点。第一，钢结构安装时一般存在较大误差，无法满足屋面板的安装精度要求，因此需要在安装前，根据屋面的结构设计三维模型，全面测量整个屋面的钢结构，并核算出每个连接板处的误差。第二，根据实测数据建立实际的钢结构三维模型，核算每个位置的调整尺寸。第三，根据理论模型和实际模型的误差调整幕墙龙骨的高度及进出位，保证主檩条的施工完成面与理论建筑模型完全一致。

4.4 铝单板的安装施工

铝板的平整度、顺滑度、分格缝和颜色是直接影响建筑立面造型的主要因素，在施工中需要采用合理的方案或措施，保证平整的板面和顺滑的外轮廓线，实现墙面、室内外分格缝以及建筑线条的协调统一，确保板面无色差等。板面平整度主要与龙骨的安装精度、铝板自身强度有关，施工中要确保龙骨成型面与铝板板面完全一致，安装时在板面不产生内应力。另外，在铝板分格设计和背筋设计时，需进行板面的强度计算。铝单板加工成型后需进行工厂烤漆，多批次加工，必须保证颜色一致，因此施工中需根据业主、设计院等单位确定的色卡进行油漆配色，确认最终颜色后，再进行样板段的施工。整体加工的油漆配色需一次性完成，确保油漆种类和颜色一致，同时在出厂前用色差测试仪进行检测，合格后方可出厂[6]。

4.5 采光顶的防水施工

屋面采光天窗是屋面防水设计的重点部位，尤其是天窗的排水坡度和平整度、天窗与屋面间搭接的节点处理、铝型材的设计等，是保证天窗防水功能的重点环节，也是屋面防水的重中之重。屋面的小采光顶为多彩彩釉玻璃，施工要求较高；采光顶的结构主体为单层空间网壳结构，净空高、跨度大、造型复杂、高空作业量大，垂直运输和水平运输难度大。

天窗和不锈钢、屋面板间搭接处采用多道防水措施，主要防水措施有玻璃与铝单板包边之间的密封胶灌封防水、天窗侧的加厚铝板包边防水、天窗与屋面和天沟之间的切水收边增加镀锌钢板结构等。技术上为了保证天窗排水畅通、不积水、不漏水，需要测量放线，调节天窗骨架立杆的高度，确保天窗骨架的安装精度。施工完成后，为了防止少量水流入室内，形成漏水隐患，选择天窗的铝型材时，要考虑内外双导轨水槽，即使有少量的渗漏水，也能通过导水槽流入下端天沟或屋面。工程上应选用合格的材料供应厂家，对玻璃规格型号进行统一编码，分批按需发货[7]。

5 BIM实施方案

5.1 BIM系统组织架构

本项目建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）系统组织架构如图3所示，BIM组组长全面负责BIM小组的管理工作，并统一协调BIM各相关方，包括各专业BIM工程师、计划协调管理部、物资设备部、商务合约部、建设单位、设计单位、BIM咨询单位以及各分包商等。各专业至少配置1位熟练掌握本专业业务、熟悉BIM建模、浏览软件操作的人员，组成项目各部门的BIM团队，负责相关专业工作。

图3 BIM系统组织架构（来源：网络）

5.2 BIM深化设计

在建设单位提供的施工图或合同图基础上进行细化、优化和完善，形成各专业的详细施工图纸，同时对各专业设计图纸进行集成、协调、修订与校核，以满足现场施工及管理需要。应用BIM技术进行深化设计，可有效解决方案设计与现场施工的诸多冲突，充分保障方案设计的还原效果。深化模型通过建设单位、设计单位、相关顾问单位的审核确认，最终由模型生成可指导施工的三维深化施工图与节点图。通过BIM技术和管理方法，在项目设计过程中把握工程设计方向，解决设计阶段多方沟通和协调的问题，切实控制设计质量，避免下阶段的工程风险。同时，通过模拟项目的建设过程对项目进行优化，主要步骤如下。

第一，检查并复核Rhino体量轮廓控制模型。在复杂的异型金属幕墙中，利用轮廓模型作为参考依据，在此基础上进行幕墙各层的排布，及时与项目参与各方沟通，排除幕墙形体中可能存在的风险，精确控制轮廓以保持原有设计意图。第二，利用BIM设计软件进行深化设计。结合建筑模型和结构网架模型校核与幕墙构造之间可能存在的局部差异，并在Tekla或Revit软件中进行深化（可依据咨询方的要求调整），及时发现并解决问题，提高工作效率。第三，生成深化设计图纸。先根据规则建立深化设计模型，再由信息模型自动生成所需要的图纸和材料清单等，避免手工绘图造成的疏漏。

本工程中的建筑物形状不规则，对外轮廓的设计要求比较高。建筑金属幕墙、墙面方案对后期施工、造价等方面的影响较大，尤其是表皮的分割方式与嵌板平直度决定了施工的整体成本。在确定表皮嵌板使用材料的前提下，需要考虑表皮的曲面造型可能造成的后期影响。

6 结语

相较于传统的幕墙工程，金属幕墙工程更为节能环保，施工更高效，同时也是未来幕墙工程的发展方向。由此可见，金属幕墙是幕墙工程中不可或缺的重要部分。通过总结科学馆金属幕墙工程在施工过程中的关键技术和质量控制措施，力求打造出一项精品工程。