0 引言

　　大型复杂铜佛像制作通过金属工艺技法表现固定形式的立体人形、物体塑像，除蒙皮锻打制作工艺，还需结合三维激光扫描、钢结构框架体系、软件数值模拟风洞、种钉连接组件、CNC三维加工、3D打印等现代技术进行综合处理制作，是我国传统文化、传统技艺、现代技术的有机结合，制作工艺复杂、难度大。我司经过无锡灵山梵宫、南京牛首山佛顶宫等多项工程实践、总结，完成本项目，做到传统工艺技术的与时俱进。

　　1 施工特点与难点

　　1)采用手持式自定位三维激光扫描组合成像技术，将大型艺术像泥塑模型转化成精密三维模型，提取模型数据，进行构件模型的工厂化3D打印，实现精确生产制作。

　　2)利用BIM技术结合数控等离子加工技术，实现型面钢架的工业化、标准化、精密化生产，有利于环境保护和减少噪声、扬尘，同时保证钢架的制作质量，节省人工，缩短生产周期。

　　3)采用数值风洞模拟技术，利用复杂艺术件的整体三维模型，以ANSYS Fluent 15.0软件为平台，对构件周围流场进行数值风洞模拟，解决复杂艺术件体表面风荷载压力系数分布的难题。

　　4)采用有限元软件分析复杂构件各种工况下的稳定性，实现传统工艺技术的数字化智慧建造。

　　5)根据表面复杂程度，将2mm厚黄铜板裁剪成需锻制的板块，采用自由锻的方法锻制成型。构件壁板、型面钢架间的连接采用螺栓连接种钉组件工艺，装配式施工实现蒙皮与型面板条的有效连接，减少焊接及打磨痕迹，标准化程度高，可大大缩短安装工期。

　　2 关键技术及工艺

　　工艺流程如图1所示。

　　

　　图1 工艺流程  

　　 

　　2.1 1∶10模型扫描

　　模型小样采用手持式自定位三维激光扫描仪进行测量，在计算机内使用Imageware软件组合成像，成像后的艺术效果为业主认定的1∶10雕塑标准模型，任意点测量精度均控制在0.5mm范围内。

　　2.2 三维模型数据处理

　　扫描仪扫描出的数据文件为点格式文件，通过数据处理软件对扫描数据进行光顺曲面、模型修补、细节雕刻等处理，修复模型自身的残损和丢失细节，生成1∶10模型的曲面数据。同时在计算机内缩放处理后的1∶10模型数据，得到1∶1模型(见图2)。根据需要，得到任意点的坐标和曲线，保证后期型面钢架造型的准确性。

　　

　　图2 处理后三维模型 

　　 

　　2.3 CNC加工1∶10泡沫小样

　　严格按照1∶10模型和模型扫描数据，分段分类型制作1∶10模型，采用CNC加工泡沫模型，使用CNC三轴和五轴加工中心制作1∶10EPS泡沫材料模型，其中型面相对简单的模型或复杂模型的简单部位，使用三轴加工中心制作，型面复杂部位采用五轴加工中心制作。

　　2.4 结构强度设计

　　1)大型构件一般高度较大，外形构成元素繁多，表面起伏巨大，风荷载较大。在恶劣环境条件下，整体结构长时间内需安全可靠并保持完美的艺术形象，通过强度分析计算确保结构的适应性、安全性和合理性。

　　2)数值模拟风洞试验由于表面形状复杂，GB50009—2012《建筑结构荷载规范》中体型系数的取值不适用于此类结构，通过理论分析方法难以准确描述佛像体表面风荷载压力系数的分布情况。对该构筑物周围的风场环境进行数值仿真模拟研究，从而较精确地确定本结构的风荷载取值，为结构设计计算提供依据。

　　以ANSYS Fluent 15.0软件为平台，利用构件整体三维模型，对构筑物周围流场进行数值模拟。数值模拟较传统的小样模型实物风洞试验周期短，试验数据可以更完善，如图3所示。

　　

　　图3 30°风向角像体正面体型系数分布 

　　 

　　3)有限元分析构件内、外部结构的外形均不规则，根据JGJ 133—2001《金属与石材幕墙工程技术规范》中理论公式很难计算各部分结构的应力和变形情况，以ANSYS和SAP软件为平台，建立结构分析模型，进行强度校核和优化。

　　2.5 壁板设计及锻制

　　锻制壁板的制作步骤为模型分层与分块、型面板条制作、型面板条分块组装、型面蒙皮制作、型面钢架与型面蒙皮间的种钉连接。

　　2.5.1 模型分层与分块

　　根据1∶1模型的三维曲面数据，综合考虑型面拼接、型面钣金等方面，对1∶1模型的三维曲面进行分层后再分块，以确定每块型面的大小。

　　三维曲面分块的大小应根据型面的复杂程度确定，分块时尽量减少板材消耗及缩短拼缝长度。

　　2.5.2 型面板条制作

　　因铜面板由薄板制成，刚度较小，在荷载作用下易变形。为提高刚度和强度，在铜面板背面沿型面的形态增加加劲肋，加劲肋形成的钢框架称为型面钢架。型面钢架由纵横交错的型面板条组成，型面板条的制作包括板条曲线放样、排版和数控切割工艺，过程如下。

　　1)根据壁板分层情况，利用Rhino软件截取每层1∶1的三维曲面数据，在三维曲面数据上截取纵横向间距1∶1的样条控制曲线，并修建局部重复的样条控制曲线，注意每两层壁板间纵向曲线的连贯，如图4所示。

　　

　　图4 壁板1∶1三维曲面  

　　 

　　2)根据样条控制曲线，计算机放样出每根型面板条的1∶1曲线数据。

　　3)对板条曲线进行偏移、分割，绘制每根板条的轮廓线，制作型面板条的三维模型。

　　4)对板条进行编号，标出拼装定位孔，导出需排版的文件。

　　5)利用Procast软件排版型面板条时，注意合理布置控制曲线，减小钢板的消耗。把需要切割的型面板条数据输入数控激光切割机，得到样条控制曲线对应的型面板条后，导入数控等离子切割机，型面板条宽80mm，厚8mm。

　　6)数控切割后，在每根型面板条上打钢印编号，刷漆后再使用油漆喷上编号便于寻找。

　　7)每根型面板条经喷砂后刷1层底漆、2层中间漆和1层面漆，最后1层面漆待壁板安装后再涂刷，漆膜应平整光滑，不允许存在流挂、堆积、气泡、脱落和漏涂等现象。

　　2.5.3 型面钢架分块、分解

　　组装后的型面钢架经验收合格后，按壁板分块设计方案进行分块。

　　型面钢架分块后按分块大小分解型面钢架，型面钢架分解前根据刚度情况进行加固。

　　2.5.4 型面板条组装

　　1)根据场地情况对型面钢架进行分块焊接组装，每块型面钢架大小根据现场情况而定。

　　2)在空旷平坦的地面确定一个坐标系，该坐标系与项目总体坐标系一致。画出纵横向网格后，搭建临时板条支撑架支撑横向板条，以便焊接。根据横向板条提供的坐标参数，使用吊锤将每根板条位置摆放正确，焊接成1块型面钢架。

　　2.5.5 型面蒙皮锻制工艺

　　铜面板采用2mm厚H62黄铜板，铜面板的艺术外形依据经认可的1∶1实物模型制成。

　　1)型面蒙皮由黄铜板锻制而成，黄铜板具有良好的塑性和较低的变形抗力。

　　2)型面蒙皮分块是根据构件表面形状，将黄铜板裁剪成需锻制的板块。大小根据构件复杂程度确定，构件表面平滑，可直接采用尺寸较大的黄铜板锻制。

　　3) 2mm厚黄铜板经分块后采用自由锻的方法分别锻制。

　　2.5.6 型面钢架与蒙皮连接形成壁板

　　1)种钉连接型面蒙皮和型面板条制作完成后，为保证铜面板的外观装饰性，通过背面种钉的方法，将蒙皮和型面板条连接在一起，多块小铜板焊接后打磨成整体无缝单元，如图5所示。

　　

　　图5 壁板种钉组件  

　　 

　　2)连接过程蒙皮上定位出焊接螺栓的位置，螺栓焊接L形钢板进行就位，将型面钢架焊接固定垫圈，螺母固定L形钢板与蒙皮。

　　2.6 副支架结构安装

　　副支架是将铜壁板支撑悬挂在主体结构上，并将铜壁板承受的风荷载、自重荷载、地震荷载和温度荷载传递到内部主体结构上。副支架的一端连接在铜壁板型面钢架上，另一端焊接在内部主体结构上，如图6所示。

　　

　　图6 壁板的副支架结构  

　　 

　　2.7 构件安装

　　安装工艺如下:安装钢结构→安装测量→安装壁板→校形→焊接→打磨、修饰→表面处理。

　　2.7.1 安装测量

　　1)为使壁板精确定位，在佛像安装场地建立与1∶10模型相同的三维坐标系，确定坐标原点和轴线，并在外围建立若干观测站，采用量边交会法进行壁板定位。

　　2)检测副支架外围节点的坐标及埋件位置，并比对副支架设计图纸，判断副支架与埋件的偏差是否影响安装。

　　3)在钢架外围1周放出若干安装基准点(与壁板等高的层高线上)，在观测站使用全站仪测出坐标值，然后计算壁板每个角点到相应2个安装基准点间的距离，供壁板安装使用。

　　4)每层壁板安装完毕后，测量x,y轴线的偏差情况，并将轴线上引至壁板上口端部，便于上层轴线处壁板的定位，保证像体不倾斜、不扭曲。测量每层壁板安装后的实际高度，保证高度符合相应的技术条件。

　　5)关键壁板应在仪器的测量监控下进行安装定位。

　　2.7.2 壁板安装

　　根据主钢架相应层高设定安装基准点，通过直接测量壁板角点与相应安装基准点间距的方法使壁板初就位。壁板就位前应充分利用吊具调整壁板空间姿态，如图7所示。初就位的壁板用挂接系统将其悬挂在主钢架，达到壁板支撑、固定的目的。

　　2.7.3 壁板精调和校形

　　支撑后的壁板根据壁板角点与相应安装基准点间距精调姿态位置。采用校形和修整的方法达到焊接对拼缝的要求及较满意的艺术效果，采用定位焊达到维形目的。

　　

　　图7 型面钢架定位原理  

　　 

　　2.7.4 焊接

　　挂接系统的焊接包括挂接系统与副支架连接底座的焊接和挂接系统套筒的焊接。挂接系统采用手工电弧焊，黄铜板蒙皮采用手工钨极氩弧焊进行焊接。

　　2.8 艺术形象修饰

　　2.8.1 对焊缝进行修饰

　　修磨平整所有焊缝外表面后，对焊缝与周围壁板进行艺术过渡。对产生焊接变形的焊缝先进行焊缝校形，再进行焊缝打磨，避免将焊缝部位打磨成塌边。当拼装焊后不够流畅时，应通过修饰加以消除，修饰壁板表面的意外损伤和瑕疵。

　　2.8.2 防腐处理

　　构件内部钢结构按照GB/T 50046—2018《工业建筑防腐蚀设计标准》进行防腐，防腐蚀涂层除锈等级为Sa2.5。外表面涂装着色需经认定试板后进行确定，表面涂层采用金属漆，总涂膜厚度为120μm。

　　2.8.3 构件表面处理流程

　　构件表面处理流程如下:涂前准备→表面处理→底漆涂装→批刮腻子(局部找平)→打磨→底漆涂装(局部)→中漆涂装→面漆涂装→表面清理。

　　1)表面涂装前，将待涂表面用46目砂盘分段分块进行打磨，去除表面的氧化层、焊缝药皮、焊接飞溅物、油污、尘土等。打磨后的表面需在6h内涂上底漆。

　　2)打磨喷涂约30μm厚环氧富锌抗锈底漆，干燥>24h后涂原子灰。当底漆干燥后，薄批基层缺陷，干燥后进行打磨，且不足之处应继续批补、打磨，直到饱满光洁。

　　3)底漆涂装清理腻子打磨后的表面并补涂底漆，涂装时控制膜厚为30μm/道。底漆涂装后静置干燥，干燥前不应进行下道工序。

　　4)检验底漆涂装完成后须检测外观和厚度，经检验合格后才能进行中漆的涂装施工。

　　5)中漆涂装涂装完底漆表面且清理干净后喷中漆。涂装时要求色泽均匀一致、不发花、不流坠，控制膜厚为30μm/道，涂装后静置干燥，干燥前不进行下道工序。

　　6)检验中漆涂装完成后检测外观和厚度，经检验合格后才能进行面漆的涂装施工。

　　7)面漆涂装涂装完中漆表面且清理干净后喷面漆。控制膜厚为30μm/道，涂装后静置干燥，干燥前不进行下道工序。

　　8)检验面漆涂装完成后检测外观和厚度，并组织阶段性验收。

　　9)表面清理保护涂装时和施工后的表面，防止尘土和其他杂物飞扬。

　　2.8.4 喷涂的基本方法

　　喷涂时进行分块分段施工，把收边放在衣纹等不明显处，并做好交接。面漆的涂装必须由上至下逐层施工，选好收边部位并做好每层对接。施工人员在涂装时需手法一致，喷涂时和其他操作人员进行对接，按先上后下→先里后外→先难后易→先边角后中央的顺序进行喷涂。

　　2.9 饰面清洁、修补及验收

　　表面处理完成后，进行全面检查，及时修补受到污染、损伤、松动、脱落的螺栓、卡具、连接件。检查所有表面处理情况，及时更换不符合要求的构件，检查验收过程中，应注意成品保护。

　　3 注意事项

　　1)减少构件分段，尽量在工厂进行加工制作组装，必须进行分段的尽量避免高空安装作业，而在地面进行拼装。

　　2)壁板型面钢架、型面蒙皮的材料、外观、尺寸规格及材料检测报告等应符合设计要求。

　　3)检查验收制作好的型面钢架、蒙皮锻制，重点核查焊缝、材料尺寸与规格，合格后方可进行安装。

　　4)种钉的位置和数量应按图纸要求进行选择，种钉结构中L形板与型面钢架的焊接应保证焊缝成型美观。

　　5)将所有焊缝外表面修磨平整后，修饰焊缝与周围壁板的艺术过渡。对产生焊接变形的焊缝先进行校形，再进行打磨，避免将焊缝部位打磨成塌边。

　　6)焊接前，清除焊缝两侧各10mm内的母材表面氧化物，使用丙酮清理油污，四氯化碳或无水乙醇清洗焊丝表面油污。当采用多层焊缝焊接时，先焊外侧、后焊内侧，先焊纵缝、后焊横缝。

　　7)喷涂氟碳漆，施工温度应为5～35℃，湿度≤85%，雨天雾天均不可在露天施工，涂装工件表面温度必须高于露点3℃，漆膜应丰满、光洁，保证涂层总厚度≥120μm。漆膜、腻子施工最短间隔时间如表1所示。

　　  

　　表1 漆膜、腻子施工最短间隔时间 

　　 

　　 

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　　表1 漆膜、腻子施工最短间隔时间

　　4 结语

　　大型复杂铜佛像装饰揭示金属工艺的技术面貌，体现文化内涵，是我国传统文化重要组成部分。铜佛像装饰传统技术依赖手工作业，效率低、成本高，如何实现复杂铜佛像艺术构件制作、安装工艺数字化智慧建造，成为佛教建筑建造过程亟待研究的课题。