1 工程概况

　　南京牛首山佛顶宫项目是我国首座废弃矿坑内建造的大型宗教建筑(见图1)，位于江苏省南京市牛首山风景区，地上4层，地下6层，建筑高度45.3m，总建筑面积13.6万m²，体量大、地质条件复杂、结构异形、宗教文化建筑独具特色、矿坑景观再造、修复难度大，采用大量现代技术与传统工艺结合技术及新材料、新技术，科技含量高，施工难度大，是一座古典与现代结合、当代建筑和佛教文化相融、弘扬和展现中国优秀文化的世界级佛教艺术殿堂。

　　2 工程特点、难点分析

　　1)废弃尾矿资源化利用利用历史形成的矿坑而建，建筑以“莲花托珍宝，袈裟护舍利”分别寓意内、外供养;并以曲线自然模拟山体形态的建筑手法，从实际形体上修复坍塌的西峰，重现历史上牛首山双峰双塔的恢弘格局。

　　

　　图1 南京牛首山佛顶宫实景  

　　 

　　2)废弃矿坑生态恢复工程建造于矿坑内，最大深度150m，坡度75°，锚索加固14万m，尾矿渣滑坡治理90万m³，地貌恢复、景观营造及绿化9万m²，条件复杂，施工难度大。

　　3)复杂山区条件基础施工65m高、75°崖壁人工挖孔桩施工;矿渣回填层、中风化岩层等不同软硬过渡岩土层桩基施工，成孔难度大，材料运输难，交叉作业、安全防护多。

　　4)佛教建筑复杂造型结构施工250m铝合金屋盖为自由曲面，形似袈裟，投影面积20 968m²，是国内最大、最复杂异形铝合金结构，变形及安装精度控制要求高。矿坑中心位置38m跨、28m高钢结构拱架及铝合金屋盖下高51m、单支重71.4t、投影面积5 000m²的钢结构树状柱，均空间狭窄受限，安装困难。

　　5)佛教建筑艺术造型与装饰施工140m跨椭圆形铝合金穹顶狭窄空间高空自约束闭合安装，安装高度、精度要求高;130m巨型树影状镂空天花板，大跨、超高、尺寸和镂空花纹复杂、制作安装困难。艺术装饰综合应用3D打印、BIM、三维扫描现代技术与异形面石材雕刻、铜雕、异形嵌入式石材拼花等传统工艺，工艺复杂，安装精度要求高。

　　6)佛教建筑场景舞台施工38m直径大型莲花升降舞台机械设备、泛光照明、音响等专业系统技术复杂，安装精度及综合调试要求高。

　　7)佛教建筑项目管理涉及设计、文创、施工、工艺厂家等众多单位，同时有大量艺术供应商、设备供应商、佛教元素组件制造商，交叉、立体作业，总承包管理内容多、范围广、协调量大;同时，复杂的建筑外立面，非标准室内异形高大空间艺术装饰与机电配合(末端点位处理)等，二次深化设计与创作的内容多，专业性强。

　　3 创新技术研究与应用

　　3.1 整体施工部署

　　项目位于80m深矿坑内，地形复杂，两侧山势陡峭，建筑外形贴合山势，场地极为狭窄，在矿坑南、北侧预先开设道路入坑内，在中部开设若干道路用于削坡出渣。通过确定坑内清淤、土方开挖与桩基施工交叉进行，先地下结构，中间穿插钢拱架，再地上结构、铝合金穹顶结构，最后袈裟状屋盖铝合金结构的施工顺序进行整体部署。利用±0.000楼板、削坡平台、矿坑南北平台为后期结构施工、铝合金施工、艺术石材幕墙提供料场，解决矿坑施工场地狭窄的难题。

　　塔式起重机采用两边向中间以塔安(拆)塔方式。地下结构施工利用南、北侧下坑道路，人员、材料进入场内;随地下结构施工，矿坑中心部位钢拱架、铝合金结构采用塔式起重机逐次散拼安装。地上袈裟状铝合金结构利用山体作为拼装场、高空累积滑移安装，树状结构柱采用原位拼装及高空自平衡提升安装等创新技术，减少对场地、设备依赖，避免二次搬运，满足业主工期和质量要求。

　　3.2 超高边坡治理及生态恢复关键技术

　　本项目坑底至顶，边坡最大深度150m，最大坡度70°，边坡加固既要保证施工期安全及稳定性，又需保证临近古建文物安全;同时，需满足佛顶宫建成后使用期的长期稳定性和抗震稳定性。其具有以下特点:建筑约300多根桩坐落于矿坑斜坡;需满足边坡-地基基础-建筑结构全面共同作用，对矿坑边坡加固质量要求很高;距文物最近50m，中深孔爆破单段装药量和爆破振动控制难度大;尾矿渣滑坡体90万m³，体量大，治理难;矿坑高边坡施工与运营期安全监测难度大;地处著名景区，边坡加固后，绿化及生态恢复覆绿+景观小品营造，艺术构造及施工难度大。

　　针对以上特点，从边坡-地基基础-建筑结构全面共同作用、爆破炸药单耗与大块率关系、削坡至底搭设百米爬坡架逆向加固、锚索和抗滑桩组合抗滑体系、既有矿坑削坡产生的大量废弃岩土综合再利用、矿坑边坡恢复与生态覆绿、矿坑崖壁逃生通道、信息化自动监测等方面研究矿坑超高边坡治理与生态修复关键技术，实现矿坑治理、景观再造及安全高效施工。

　　3.3 异形曲面铝合金结构体系施工技术

　　本工程屋盖采用大跨度自由曲面铝合金结构体系，形似袈裟，长约250m，宽约112m，投影面积20 968m²，结合树状钢结构柱共同受力支撑起整个屋盖，是目前国内已知最大的异形铝合金结构。其特点为:250m异形曲面铝合金结构为国内外首例，且位于矿坑狭窄空间，无经验可借鉴;楼面荷载8kN/m²，大体量与高度的常规操作架体无法搭设，大吨位汽车式起重机无法使用;袈裟外形，复杂曲率多，精度要求高，为确保外形效果，安装过程和变形控制难度大。

　　1)传统铝合金结构采用高空散拼法安装，由于铝合金结构施工过程中变形及铆接精度问题，未采用其他安装工艺;施工前，设计局部足尺模型，通过现场试验，确定用于实际工程的高空滑移与单元分块吊装工艺。

　　2)通过在混凝土面设计转换钢梁或桁架，解决混凝土楼面单点承载力低的难题;由槽钢、钢板、滑轮焊接制作工件滑移支座，通过支座处多点支撑，解决滑移施工过程中局部杆件变形过大问题;设计R板与关节轴承，实现±5°调节，解决树状钢结构柱与网壳精度连接的技术难题。

　　3)根据袈裟状外形，设计52m高空支撑胎架+钢结构桁架梁等支撑体系，综合采用高空散装、分块吊装、曲面滑移施工技术;解决高空散拼法工期长、成本高、楼面荷载要求高的难题。250m袈裟状铝合金屋盖模型如图2所示。

　　

　　图2 250m袈裟状铝合金屋盖模型  

　　 

　　本技术实现铝合金结构首次滑移安装，累计安装杆件8 340个，节点盘2 680个，卸载后监测，与设计标高相比，<30mm，满足设计要求。

　　3.4 铝合金穹顶结构施工技术

　　摩尼宝珠椭圆形铝合金穹顶长约140m，宽约100m，采用铝合金网壳结构，由2层铝合金内外单层三向网格穹顶组成，与防水铝板相结合，形成防水体系，集保温、隔热、降噪、防水等多功能于一体;铝板上安装约5 000块佛手造型。施工难度为:构件多，曲线变化在节点板，安装精度要求高;操作架高度达55m，安拆难度大，特别是穹顶封闭后，无法使用塔式起重机等室外大型吊装设备，且操作架体系构件多、自重大，拆除难度大;铝板、佛手构件与铝合金杆件节点处理难度大。

　　1)采用承插盘扣型架体搭设成高空独立塔桁架式操作架(见图3)，以3.6m×3.6m架体为1个单元，单元间隔3.6m，单元间每隔1.5m高度连接1道水平桁架，满足架体整体稳定性要求的同时，减轻架体自重，实现灵活可拆卸调节性能，解决52.8m高操作架稳定性问题。

　　2)采用在中间支座上下，各由外至内逐圈成环的自约束闭合安装(见图4)，解决铝合金结构安装过程中，杆件变形与累积误差较大难题。

　　

　　图3 高空独立塔桁架式操作架  

　　 

　　

　　图4 高空闭合体系自约束安装  

　　 

　　3)设计一种扣合连接构件，通过可靠的扣压紧固方式，用于铝合金杆件与铝板、铝板和佛手之间的安装(见图5)，使结构、面板一体化，解决防水构造问题，建立屋面高效防水体系。

　　

　　图5 扣压紧固件及安装完成  

　　 

　　通过标准、精确、快速的装配式施工，闭合体系自约束的高效安装解决了140m跨铝合金穹顶结构安装难题，缩短工期25d，节约费用约300万元，取得良好的实施效果。

　　3.5 镂空铝板天花施工技术

　　椭球形铝合金穹顶内为130m双曲面形状巨型娑罗树影状镂空铝板天花，铝板面积为12 000m²，防火透光膜面积为9 000m²，通过法向拉杆+斜拉索+铝板拼花单元连接，具有跨度大(130m)、高度高(净高44m)、尺寸和镂空花纹复杂、制作安装难(相交复杂、无规律)等特点，特别是镂空铝板节点盘孔安装误差≤2mm，精度控制要求高，施工控制难度大。

　　1)采用拉杆节点盘式连接装置，利用节点盘与拉杆、斜拉索与铝板拼花单元形成一个稳定体系;再通过专用铝支架将防火透光膜固定于镂空铝板的铝方通。本技术避免设置钢结构转换层，造成荷载大、成本高、维护难的问题。拉索、拉杆连接节点如图6所示。

　　

　　图6 拉索、拉杆连接节点  

　　 

　　2)采用一种铝槽安装用L形连接件，通过卡接于铝板，将U形铝槽与镂空铝板连接，避免电化学腐蚀反应，提高耐久性。设计一种铝合金结构内不锈钢安装管线支架，通过自锁夹紧功能与铝合金杆件连接，解决铝合金结构中管线安装问题，避免铝合金杆件开孔。

　　3)采用从穹顶各分区底部向弓高方向安装(见图7)，形成一个封闭稳定的空间结构，减少累积误差，并防止局部荷载集中，通过逐榀拼装，调节误差，解决了镂空铝板天花安装精度控制要求难的问题。

　　

　　图7 镂空铝板板块安装顺序 

　　 

　　3.6 钢拱架矿坑狭窄空间安装技术

　　本工程钢拱架位于结构中心，长轴长53.4m，短轴长33.4m，为空间双曲面椭圆形式，整个建筑地处废弃矿坑内，四侧山势陡峭，周边场地地形复杂，起重机械无可供使用空间;结构外扩，整体提升技术不可用。

　　1)综合考虑矿坑地形情况，利用三维激光扫描矿坑体建模进行塔式起重机平面布置(见图8);在钢拱架中心位置设置塔式起重机，利用矿坑外塔式起重机接力运输构件，中心位置塔式起重机安装钢拱架;开发塔式起重机超长软附着(钢丝绳)连接技术，解决塔式起重机超长距离附着问题;利用以塔安拆塔技术解决矿坑塔式起重机安拆技术难题。

　　

　　图8 三维激光扫描矿坑体建模  

　　 

　　2)通过矿坑内塔式起重机有效布局及钢拱架构件拆解，实现吊装、转运、分区、分块、分片安装(见图9)，解决大跨空间钢拱架结构安装对空间、场地要求高、机械依赖性强的问题。

　　

　　图9 钢拱架分块、分区、分片安装  

　　 

　　本技术应用减少了吊车应用，同时柔性附着技术避免常规制作格构式附着杆等方法导致截面大、成本高、安装困难、存在安全隐患等问题，节约工程成本。

　　3.7 钢结构柱双枝自平衡原位柔性提升施工技术

　　袈裟状异形铝合金屋盖下有2根钢结构树状柱与其共同组成受力体系，树状柱位于狭窄矿坑空间内，高50m，投影面积5 000m²，单支重70t，具有超高、超重、节点复杂、空间狭窄、安装精度高等难点。特点为:(1)±0.000楼面混凝土已完成，最大承载力20kN/m²，大吨位起重机无法平台行走;(2)单根树枝最重71t、长76m，只能在现场对接成单个树枝。需采用小型吊装设备进行复杂构件安装。

　　1)将树枝于胎架上分段拼装，并将树枝部分与树干部分铰接，在树枝部分与提升设备间设置提升索装置。

　　2)通过在树状结构树干部分设置提升塔架，塔架安装提升横梁，横梁实现不同角度、不同位置的旋转，提升横梁上安装斜向提升装置及拉索后，采用原位对称两片同步提升树枝，解决空间狭窄及楼面荷载受限情况下，巨型树状钢结构柱的安装难题。

　　该技术实施后，卸载前和卸载后树枝根部应力较小，均处于安全状态;卸载后监测，树枝x向变形最大59mm,y向变形最大19mm,z向变形最大28mm，满足设计要求。该技术解决了狭窄空间大型树状结构施工难题，提高了效率，降低安装成本，缩短工期20d，节约费用约300万元。

　　3.8 高浮雕艺术石材幕墙施工技术

　　本工程采用高浮雕艺术石材幕墙为主要外装饰，装饰面积约为50 000m²;设置56个11m高飞天菩提门、云纹如意柱及摩崖石刻等;具有造型层次感强，图案精美、制作工艺复杂，单块质量大，雕刻、拼接精度高，品质艺术效果要求高，工序衔接紧密，安装难度大等特点。

　　1)采用(Rhino)犀牛软件三维数字化模型设计，对模型切割、模拟安装等技术，确定高浮雕莲花构件、分块、连接、安装顺序等;数字化模型指导安装，使石雕图案连贯完整、拼接完好，达到高品质艺术效果，保证实体安装与设计的一致性。

　　2)结合建筑设计理念，融合丰富历史文化、佛教文化，借鉴唐、宋、明以来石刻风韵，制作1∶1石雕样品;采用黄金麻石材雕刻，数码控制自动铣床机(CNC)结合人工雕刻，大面采用机雕工艺，细部人工纹理雕刻，并确定构件安装编号及操作流程。

　　3)依据三维模拟安装图、构件编号及安装顺序数字化模型指导安装，使石雕图案连贯完整、拼接完好，实现高品质艺术效果，保证实体安装与设计的一致性。

　　4)板块安装时，通过在面板支撑点处调整安装，解决高浮雕安装精度高的难题，通过铝合金挂件与骨架连接将石材干挂在骨架上，减少因焊接、打磨工艺造成变形，确保成型效果。

　　3.9 佛教建筑复杂艺术装饰与精密建造技术

　　本工程室内宗教空间为双曲面(宽34m、长46.5m、高36m)，墙、地面均采用异形石材拼花。内有10m×4.75m卧佛，13m高铜无忧树、菩提树、佛像等，大量运用传统工艺(雕刻、锻造、琉璃等)与现代技术(3D打印、三维扫描、数控加工等)，工艺复杂、新颖。其特点为:(1)异形空间双曲面复杂构件定位精度、加工精度、平整度要求高;(2)复杂艺术件造型三维数字化建造，传统工艺与现代技术相结合;(3)异形空间双曲面复杂构件安装难度大等(安装误差≤5mm，确保圆滑)。

　　1)采用基于三维扫描逆向建模与BIM模型拟合比对技术。对拟合比对模型进行模块化分区与加工数据抽取(见图10);模拟拆分与组拼构件，解决双曲面弧形复杂构件加工尺寸与现场实际数据偏差的问题，实现数字模拟建造。

　　2)采用基于BIM技术的三维数字化加工技术，通过BIM系统数字模型完成自由曲面下单，利用三维软件编写雕刻程序配合五轴雕刻技术，解决空间双曲面复杂构件加工精度高的难题。

　　

　　图1 0 模块化分区及数据抽取 

　　 

　　3)采用基于3D打印技术的大型复杂艺术构件制作工艺，利用自定位三维激光扫描组合成像技术，将艺术像泥塑模型转换为精密三维模型，实现成像后艺术效果忠实于雕塑模型的要求。针对复杂构件，设计三维数字化模型，利用3D打印技术进行形态组合，实现整体艺术效果设计与造型，打破常规泥塑小稿的建模形态。

　　4)通过BIM系统模型分割板块，确定板块三维控制点，对界面收口方案、节点可视化深化，对已安装部位三维扫描比对，调整安装误差，控制安装精度。解决复杂空间双曲面构件安装精度高的难题，实现传统装饰施工向现代化、数字化施工转变。

　　5)针对异形复杂艺术石材，通过BIM分模块设计、三维数据生成，工厂不同造型加工、镶嵌，现场装配安装施工(见图11)，解决了佛教建筑复杂艺术装饰整体效果与精密建造难题。

　　

　　图1 1 异形复杂艺术石材模块化BIM造型  

　　 

　　6)采用基于BIM技术的大型复杂艺术构件安装工艺，通过BIM、3D打印、三维扫描技术结合种钉连接技术(见图12)，解决佛教艺术构件装配式连接安装难题，实现传统工艺技术数字化智慧建造与工业化建造。

　　7)采用大型复杂艺术构件空间定位技术，通过基于3D打印模型、形态及走向、定位距离安装等，实现多种方法控制，实现复杂艺术构件高精度安装。

　　本技术运用特点为:(1)数字化三维设计及3D打印，在打破传统泥塑小稿验证的同时，提升验证直观性、充分性，降低验证成本;(2)通过三维数字化建模、3D打印等现代技术，使安装及加工精度均≤0.5mm，有效指导安装施工，缩短工期30d，保证实体安装与设计效果一致，进一步推动数字化技术在传统技术的应用与发展。

　　

　　图1 2 种钉连接装置 

　　 

　　3.1 0 佛教莲花旋转升降剧场舞台施工技术

　　本工程首层禅境大观设置大型莲花剧场舞台，直径38m，可升降、旋转、打开、合龙，庞大莲花造型与宏伟建筑气势相呼应，体现佛教文化内涵，其成型工艺、空间定位、安装异常复杂。其特点为:(1)直径38m莲花升降舞台，为国内首例，无经验可借鉴;(2)莲花瓣的安装精度高，定位误差<2mm;(3)室内无吊装条件，且需360°覆盖安装位置;(4)36个莲花瓣叶片多曲面、双曲线造型，制作、安装难度大。

　　1)安装前，采用1∶1足尺模拟试验，反复计算测量，验证、检验各工作环节工艺。确定用于实际工程的安装方法、工艺。

　　2)研制舞台环吊装置，实现沿舞台坑边360°行走吊装功能，通过桁架及卷扬机进行吊装作业，解决在场地狭窄空间下舞台设备的吊装、安装难题。

　　3)采用24等分标记标高轴线控制及配合精调技术，运用预先设置标识法、过程监控纠偏法、多点精度控制法等，确保安装过程12台莲花机组、卧佛升降台机组安装的精度。

　　4)通过三维建模、模型切割、仿真模拟、足尺试验安装等技术，确定舞台主构件、莲花瓣分构件安装顺序，莲花瓣表皮、内部桁架的分割、安装次序，保证舞台系统装置的顺利实施。

　　本技术应用减少了吊车使用;工厂化构件生产减少材料浪费;装配式作业，保证工程质量;缩短工期约25d，舞台安装运行1年多来，未发生任何故障，已完成近800多场佛教剧场演出。

　　3.1 1 绿色建造技术

　　工程秉持生态修复、文化创新的绿色建筑理念，首次在矿坑内建造大型宗教建筑，主要采取的绿色建造措施如下。

　　1)充分利用天然矿坑地形建造，避免大量挖填方。同时，与周边现有景观自然融合，将建筑隐于山、景之中，有利于节能。

　　2)采用集中分散和自动相结合照明方式，并使用大量节能LED灯。同时，设置下沉庭院，使80%地下功能区获得自然采光、通风，节约能源，提升建筑品质。

　　3)采用高能效比节能型空调设备机组及全空气空调系统，充分利用空气对流改善区域气候，在过渡季节转化为全新风运行，用低焓值的室外新风消除室内负荷。

　　4)“禅境大观”大空间顶部采用遮蔽式采光顶，日常情况提供自然光线，演艺活动时机械遮蔽，节能环保。

　　5)石材墙面采用无焊接装配式钢架系统，通过专用配件螺栓连接固定，龙骨之间、配件与龙骨间、码片或挂件可调节，实现现场装配式施工，无噪声、无火花、无污染，节约人工和能源，安装简单快捷。

　　6)通过技术创新、新技术应用、优化方案，大力倡导施工期间的绿色施工，现场大量使用太阳能热水器、雨水回收系统、无功补偿系统、新型模架体系、BIM、VR技术等绿色施工技术42项，减少材料消耗及能源浪费，“四节一环保”应用效果显著。

　　3.1 2 佛教文旅建筑总承包管理与探索

　　1)佛教文旅特色项目管理体系体系包含设计、文创、总包、专业单位、工艺厂家设计人员、工艺大师，成立深化设计与二次创作部，将设计与创作管理前置，以设计阶段、文创深化阶段、定样阶段、施工阶段为主线，组织设计/深(优)化设计，组织上下资源链无缝对接。组织专业单位、工艺大师提前介入与设计师沟通，简化流程，提高深化设计效率。

　　2)佛教建筑艺术装饰标准化管理研究佛教建筑艺术装饰，除了体现建筑本身的内涵外，也将佛教文化在建筑中进行延伸和发展，艺术装饰实施直接关系到项目实施效果。结合佛教艺术装饰实践，从装饰材料、功能灯具、活动家具、装饰地毯、艺术品、组件深化、打样与标识设计、采购及现场工作等方面进行流程管控，编制相应的12大项和100小项管理表格，对具体内容进行管控，从艺术装饰空间的实现，艺术构件的二次创作、深化，艺术装饰各业务流程缩短建造周期，加强设计和施工协调。

　　3)佛教建筑模块化计划管理研究分为文创阶段、设计阶段、主体阶段、外装饰阶段、内装饰及展陈阶段、市政景观及运维阶段，每个阶段为1个模块，提炼模块节点及经验数据，强化内控计划管理。以模块计划为基础，对施工过程中的重点分部、关键部位等内容进行细化、分解制定控制计划，形成若干项重点专项计划管控和计划执行书等。模块计划为项目计划管控纲领性文件，执行过程中根据实际编制内控、专项、工作、销项计划配合执行。

　　4 结语

　　1)南京牛首山佛顶宫工程开工前，对基于深大废弃矿坑修复利用的现代大型佛教建筑的结构特点、施工难点、管理重点等进行准确的识别和判断，实施过程有针对性地进行部署安排和科技研发，制定各项课题研究计划，以提质、降本、增效、绿色节能、环保为原则，逐一攻克各重点、难点，提高了效率，降低了成本，加快了进度，经济效益和社会效益显著。

　　2)“地球伤疤修复”应与工程建设有机结合，实现废弃土地资源的再利用。同时，项目建设可结合矿坑地形、地貌，因地制宜，利用自然资源，对节约成本、实现绿色建造有重要作用。