成都大魔方演艺中心(图1)是成都市重点创意文化产业项目,建筑形式是以陀螺轴旋转的起点和终点定为两个圆心点,法向延伸使轴网有机连接陀螺运动轨迹,形成顺滑的环形立面,最终呈现出倒锥状的不规则碟形视觉形体,达到轻盈灵动、简洁大气的视觉效果 ^[1]。总建筑面积约131 624.4m²,其中地下2层建筑面积共67 487.3m²,地上6层建筑面积共64 137.1m²。

　　 该演艺中心外形为“大小双陀螺”形式,大陀螺采用钢筋混凝土框架-剪力墙结构,结构高度46.60m;小陀螺采用钢框架-钢筋混凝土剪力墙结构,结构高度31.32m。本建筑抗震设防烈度为7度(0.10g),地面粗糙度为B类,设计使用年限为100年,耐火等级为一级 ^[2,3]。幕墙设计使用年限25年,气密性能、隔声性能、平面内变形性能均为3级。

　　 幕墙采用蜂窝铝板饰面直立锁边墙面幕墙系统,面积共58 160m²,通过面板、横向钢龙骨、竖向钢龙骨、预埋件焊接转接件支承于混凝土主体结构上。横、竖向龙骨均为Q235B矩形钢管(热镀锌),因安装位置不同而规格不一。面板材料从内到外依次为:0.8mm厚压型钢板、0.25mm厚隔汽膜、无纺布、90mm厚保温岩棉(容重120kg/m³)、0.17mm厚防水透气膜、直立锁边金属屋面板(0.9mm厚铝镁锰金属屋面防水板、肋高65mm)、10mm厚装饰蜂窝铝板(图2)。

　　 该建筑具有大跨度、大空间、不规则等特点,建筑轴网的精确定位和幕墙系统的精准施工是其建筑意象的重要保障。如何保证整个幕墙的形状、弧度、精度并尽量缩短工期是本项目的重点与难点,但采用传统的测量方法不能兼顾保证精度和提高效率两个指标,故定位和放样工作难度非常大。为了解决上述问题,本文主要从测量放样和工装系统的角度,对施工过程进行了优化。

　　 如果采用传统的测量放样方法进行放样,即极坐标方向法(传统方法一)和直角坐标法(传统方法二),不仅点位过多,容易造成误差传递累积,同时安装幕墙时,还会因为幕墙内外不通透造成较大施工困难。基于上述问题,本文提出了“双层控制网、轴网法向线”的测量放样方法(简称本文方法)。

　　 一般而言,单独采用内部测控网或者外部测控网能够较好地解决大多数定位问题,但是本工程中直立锁边墙面一旦安装完毕,则建筑内外不通透,此时单独的内、外部测控网均无法正常使用。针对此施工难题,本文采用了双层控制网的施工方法,即在建筑外部和内部分别建立一层控制网。该方法的具体内容为:首先,确定建筑的2个坐标原点O₁(大陀螺中庭圆心)和O₂(小陀螺中庭圆心),见图3;其次,围绕建筑物外围合理布置控制点,形成闭合导线,作为外部测控网,见图4;最后,在主体结构内部视线佳的部位布置控制点,形成附合导线网,作为内部测控网,见图5。

　　 使用双层控制网的优势为:1)坐标传递稳定。因为有足够多的点来传递坐标,故能有更多方法进行控制点放样,并且有足够的点来进行检验。2)现场施工方便。因为幕墙工程中直立锁边墙面安装后建筑内、外侧不通透,使得内、外侧的施工很难有效沟通和传递坐标。使用双层控制网能够从内、外分别对幕墙系统进行定位,较好地解决了建筑内、外侧不通透的问题,提高了施工效率,加快了施工速度。

　　 保证幕墙工程的安装精度重点在于幕墙龙骨的精确放样。本工程龙骨轴线为极其不规则的曲线,见图6。

　　 如果在本工程中采用直角坐标法进行放样,即首先通过O₁和O₂点建立本层直角坐标系,然后再逐层向上传递控制点,最后进行龙骨放样,则至少存在以下劣势:1)很难建立完整的直角坐标系。本工程中柱与剪力墙均向外倾斜。如果采用直角坐标系,则倾斜的柱和剪力墙会遮挡放样视线,从而影响控制点的确定,最终导致很难甚至无法建立完整的直角坐标系。2)无法精确放样龙骨轴线。本工程中无论是横、竖向龙骨轴线都是弧线形,采用直角坐标系几乎不能完整放样出精确的龙骨轴线。

　　 针对上述劣势,本工程通过四个弧形轴网法向线叠加形成龙骨定位轴线,即因为本工程每一个平面上的龙骨轴线均为曲线,将放样过程改为找到每一条曲线的法向线,通过对法向线的定位来完成龙骨轴线的放样。改用该方法后,工程中最终只需要放样出共计184根轴网法向线,即可完全确定每一根龙骨轴线的精确位置,见图3。

　　 为了在不降低精度的前提下尽量减少工作量,本工程采用如下的测量方式:

　　 (1)放样内部测控网。通过外部测控网传递坐标,在各楼层布置楼层控制点,形成内部测控网并确定坐标值,见图7。

　　 (2)形成附合导线网。在各楼层的控制点中,选择通视条件好的控制点在该楼层布设附合导线网,测量各点坐标值、测量平差,如图8所示。

　　 (3)放样轴网法向线。如图9所示,为了减少数学计算和控制点过多造成的放样误差,放样前先将随机选取的控制点A3,A4的坐标导入CAD图中,这样就可以很直观地得到控制点与轴网法向线○A32+0～○A32+7线的关系;在CAD图中连接A3和A4两点形成连线,则该连线与轴网法向线○A32+0～○A32+7分别相交于点P1～P8;在CAD图中使用图纸量距工具得到每个交点的坐标值;在现场弹出A3与A4两点连线,在该连线上用图纸量距数据找到交点P1～P8;之后随机选取另外两个控制点A7和A8重复上述工作,可以定位出轴网法向线与新连线的交点M1～M8;现场连接P1和M1点即放样出○A32+0轴网法向线,重复上述工作则可完成所有轴网法向线的定位。

　　 现场放样中采用该方法的优势为:1)测量精度高。通过CAD图量测交点位置、通过两点一线形成轴网法向线可以大大提高精度,减少冗余工作带来的精度降低。2)放样速度快。测量点坐标比放样点更快,并且该方法具有的少转点的特点对仪器架设的位置要求相对较低。

　　 若用传统测量放样方法对本文项目进行放样,其放样方法施工过程与本文方法施工过程对比见表1。

　　 通过表1可知,本文方法中控制点数量只占传统测量放样方法的10.87%,只需找到控制线与轴网法向线的交点,将两点连线做延伸即可定位竖向龙骨,不需要转点,且测量精度由3mm误差提高至1mm。采用传统测量放样方法测量需要8组(3人一组)测量队,完成测量工作需要15d,采用本文方法仅需要4组(3人一组)测量队,10d即可完成测量工作,换算为工作量为120个工日,相比传统测量放样方法,共节约工作量240个工日,最终节约资金8万元。

　　 该幕墙系统主要施工过程为蜂窝铝板饰面直立锁边墙面系统,即建筑主体施工完成后,首先将直立锁边墙面系统固定在结构主体上,之后将蜂窝铝板饰面安装于直立锁边墙面上。为了达到幕墙美观、工整的效果,要求直立锁边墙面系统和蜂窝铝板饰面必须都精准定位。为了达到精准定位的目标,需要首先对幕墙系统的横向和竖向龙骨进行精确安装,为此本文提出了“模具辅助测量”的方法进行横、竖向龙骨定位。龙骨定位后,就可以对幕墙进行安装,为了达到建筑以折代曲、平滑过渡的外立面要求,本文提出了“平尺辅助安装”的施工方法。

　　 模具辅助测量主要针对横、竖向龙骨的安装。施工中,如果采用传统方法,即通过电葫芦拉起龙骨,龙骨两侧由工作人员辅助微调最终定位的方法,则会因为龙骨发生晃动和工作人员的移动精度受限,造成安装精度不高、安装时间较难控制等不利影响。而通过标高控制线模具和辅助定位模具可以快速完成龙骨定位过程。

　　 标高控制线模具(图10)主要用于竖向龙骨的安装。起吊前,先在竖向龙骨内侧指定位置粘贴上、下两个标高控制线模具,安装时通过红外线激光扫平仪分别对准上、下两个标高控制线,即完成了竖向龙骨的预安装。预安装过后,通过项目自主设计的定位工装(图11)进行位置调整,完成最终定位。

　　 辅助定位模具主要用于横向龙骨的安装。竖向龙骨安装完毕后需要对横向龙骨的坐标进行确定,此时采用辅助定位模具(图12)能够把横向龙骨的檩托位置快速标记出来。定位后的横、竖向龙骨见图13。

　　 使用上述模具安装后的横、竖向龙骨安装误差 ^[4]分别见表2和表3。通过表2和表3可知,横、竖向龙骨安装偏差在允许范围之内,并有一定的安全余量,说明安装效果良好。

　　 采用传统方法和采用模具辅助测量对竖向龙骨进行定位时的施工数据对比见表4。通过表4的对比可知:采用模具辅助测量能使横竖向龙骨的各个空间坐标准确、快速定位,从而为幕墙系统面板的安装提供准确的坐标支撑。

　　 由表4可知,相比传统方法,采用模具辅助测量可使龙骨安装效率提高75%;模具辅助测量仅需要1组(7人)5d即可完成测量安装工作,完成1线龙骨所需的工作量为2×7×5=70个工日,相比采用传统方法完成1线龙骨测量安装所需工作量为2×10×14=280个工日,共节约210个工日,最终节约资金6.3万元(按300元/工日计算)。

　　 幕墙系统中的三角形蜂窝铝板为悬空安装,因为安装前没有有效的受力点,故若采用传统方法进行安装,即工作人员扶住蜂窝铝板进行定位,则会因为蜂窝铝板晃动和人员移动精度受限,造成蜂窝铝板的移动、定位和安装等均很困难的不利情况。

　　 经过分析讨论后,本文设计制作了一种“井”字形平尺来辅助安装蜂窝铝板,该“井”字形平尺由四条平尺组成,平行的两条平尺净间距为12mm,四条平尺组成中孔尺寸为12mm×12mm小正方形,刚好可以使横向龙骨伸出的用于固定蜂窝铝板的M12螺杆穿入,单条平尺宽度50mm、厚度4mm,见图15。

　　 该“井”字形平尺的设计思路为:两条平尺的厚度加净间距(4mm+4mm+12mm)为20mm,刚好为相邻蜂窝铝板间的板缝宽度,操作人员将该平尺穿入M12螺杆的端部并紧靠横梁辅助定位钢板后,即预留出蜂窝铝板位置;之后直接将蜂窝铝板放置在水平平尺上面,向中孔滑动至与竖直平尺紧贴,即完成了一个单元蜂窝铝板的定位工作;最后固定蜂窝铝板,拆下“井”字形平尺用于下一蜂窝铝板单元的安装。为保证相邻蜂窝铝板间板缝宽度均匀、误差较小,在已经安装固定好的蜂窝铝板侧楞附框内侧上安装两个尺寸为3mm×30mm×60mm的不等边角铝,便于下一蜂窝铝板单元安装时,左右调整该不等边角铝就可以简便、准确地达到20mm缝宽要求,见图16。

　　 采用传统方法和平尺辅助安装对蜂窝铝板单元进行定位和安装时的施工数据对比见表5(本项目将幕墙系统共划分12个区)。

　　 由5表可知,相比传统方法,采用自主研制辅助工装“井”字形平尺可使铝板安装效率提高23%。总工作量节约720个工日,最终节约资金21.6万元(按300元/工日计算)。

　　 以成都大魔方演艺中心幕墙系统测量放样和幕墙安装过程为基础,探讨了类似大型场馆异形幕墙系统的测量与定位技术,分别针对轴网定位和幕墙安装提出了相应的技术方案。该技术方案主要具有提高精度和缩短工期两方面的巨大优势,并已经在类似的其他工程(如南充四馆一中心、重庆仙桃数据谷)的应用中取得了良好的效果。