重庆万达城展示中心 (见图1) 场地规划总用地面积121 353.14m², 地下1层为钢筋混凝土结构, 建筑面积1 168m², 地上2层为钢结构, 建筑面积4 989m², 总建筑面积约6 157m²。吊顶基体为全钢穹顶结构的采光顶, 表面积约1 700m², 钢结构约100t, 直径42m, 采光顶最高点距离沙盘地面为29.52m, 结构跨度大、能承受的荷载较小、工期仅1个月, 中途还要穿插其他施工, 如采用常规吊顶技术很难满足造型要求高的需求, 如何在保证安全、质量、功能、工期的前提下, 快速、高效地解决上述问题, 成为攻关的一大难题^[1]。

在经过一系列考察和研究的基础上, 征得甲方同意后, 决定采用三维多层软膜天花设计与施工关键技术。软膜天花全部采用钢龙骨, 焊接成独立花瓣后采用特制钢质吊杆连接, 吊杆上端焊接在采光顶钢结构上, 下面焊接镀锌钢管龙骨, 花瓣的一周采用镀锌圆管、外包软管, 然后特制软膜包裹整个花瓣, 顶层底膜与钢结构屋面结合采用不锈钢板压边、软管遮挡收口, 以达到装饰效果。

1) 借助Tekla技术进行深化设计, 根据穹顶结构荷载限值对花瓣结构进行受力计算, 确定了轻钢龙骨+软膜的吊顶形式, 重约5kg/m², 并由原设计院对结构安全性复核确认, 成功解决了顶部穹顶结构无法承担较大荷载的施工难题。

2) 利用BIM技术对全钢龙骨、钢质吊杆、三维多层花瓣施工进行多次模拟分析, 材料数据直接输出至生产厂方, 用于指导材料下料, 完成预拼装。

3) 将工厂预拼装后的龙骨在现场进行组装, 整体吊装, 最后将膜铺贴至龙骨上, 极大提高了施工效率, 节约了施工成本。

4) 软膜具有防火 (A级) 、防菌、防静电、节能、环保、抗老化、易清洗等特点, 节约了社会资源。

三维多层软膜天花施工技术用于异形穹顶结构下多维立体造型复杂的软膜吊顶体系。本技术在Tekla建立模型后, 通过材料的合理选择, 对吊顶花瓣的主、次龙骨进行受力计算, 得出所需材料的相关规格和数量, 根据模型效果, 确定单片花瓣的几何尺寸及重叠效果, 最后再由原设计单位依据结构安全性、整体美观性签字确认及下发施工图纸;在施工期间, 依据Tekla模型提前解决错、漏、碰、缺等设计问题, 然后模型在工厂进行加工和制作, 经预拼装后运至施工现场, 最后, 现场组装后以单片花瓣为单位进行人工吊装, 期间采用Tekla模型指导现场一系列安装工作, 实现设计与施工一体化, 避免了过程返工, 加快了施工进度, 大大降低了施工难度和成本。

按效果图进行图纸设计→BIM图纸深化→花瓣加工→花瓣 (预) 拼装→花瓣吊装→软膜加工→安装灯具→安装软膜。

根据主体结构形式为穹顶结构、软膜天花自重轻及花瓣的特殊造型, 决定花瓣龙骨全部采用镀锌钢管并外包软管, 穹顶结构与曲面龙骨间用钢质吊杆连接, 形成软膜天花的钢骨架体系。再通过圆心建立轴网, 轴线间夹角为90°, 每条轴线与4个圆间的交点即为吊杆的设置点, 图2a中圆点即为吊点所在位置, 一共160个吊点, 所有花瓣的主龙骨为76×4钢管, 次龙骨为□60×60×4, 材质均为Q235B。

受吊杆轴心拉力的影响, 吊杆全部设置于穹顶结构的节点上, 不能设置在穹顶结构杆件上, 吊杆剖面设计如图2b所示。

因花瓣与顶部结构间、花瓣与花瓣间的距离不一致, 导致吊杆的长度不一致, 吊杆两端全部采用螺栓连接, 在工厂内可根据布置图全部定尺制作。

1) 因每片曲面龙骨所在位置的特殊性, 若龙骨在最底层则只需与上层吊杆连接, 在单侧加设耳板;若下部还有曲面龙骨, 则龙骨上侧和下侧均需设置耳板, 所有耳板对齐方管中心线, 使轴心受力, 曲面龙骨连接设计如图3所示。

2) 在曲面龙骨中心区域增加方钢管、次龙骨, 利于软膜舒展平坦, 且后期不因重力下垂。

根据天花覆盖范围和视觉效果, 将花瓣分为3层, 分别以半径19 709, 17 207, 14 511, 12 714mm做4个同心圆, 第1~2层分别由8片花瓣组成, 第3层由6片花瓣组成, 第4层由1圈钢梁组成, 花瓣平面设计如图4所示。

明确花瓣标高, 以达到花瓣相互包裹的效果, 花瓣标高设计如图5所示。

1) 软膜与龙骨连接 软膜与龙骨连接方式为: (1) 定型卡槽与龙骨螺栓固定; (2) 软膜卷入定型卡槽内, 用与软膜颜色相近的橡胶皮锁死, 待软膜拉升完成后在橡胶垫外层涂抹1层胶水作为附加保险, 软膜与龙骨连接剖面如图6所示。

2) 每片花瓣的端部采用塑料管对圆钢管进行包裹。

3) 顶层底膜与钢结构屋面结合面采用不锈钢板压边, 软管遮挡收口, 以达到装饰要求。

4) 围绕花瓣的大圆设置检修马道, 马道上铺菱形钢板网, 以便于后期花瓣的检修工作。

5) 先沿着龙骨加设模板, 然后模板上设置灯管支座, 灯管剖面如图7所示。

6) 软膜与钢梁在最顶部设置铝型材膜夹具, 利于软膜顶部的收口, 铝型材以每一种半径为一段, 并对其编号, 顶部铝型材平面布置如图8所示, 其中顶层底膜与钢结构屋面结合面采用不锈钢压边, 软管遮挡收口, 以达到装饰效果要求。

对软膜进行排版设计, 工厂可依据排版图提前进行膜加工, 软膜几何排版如图9所示。

7) 软膜选材及定位软膜具有防火 (A级) 、防菌、防静电、节能、环保、抗老化、易清洗等特点, 其透光度依据模型效果, 通过多次试验选择;因整个吊顶为曲面碗状结构, 为克服声聚焦问题, 通过BIM技术在模型内多次进行实测试验, 最终设计花瓣角度时, 选取在声波交界的临界部位, 有效克服了声聚焦的困难。

按设计图纸尺寸、造型进行建模, 用BIM对其节点进行深化, 以检查各花瓣的尺寸和标高, 是否存在碰撞或拼接不上的问题, 进一步减少后期施工中因设计而造成的缺陷。

按BIM深化后的图纸进行精密加工, 尤其是花瓣弯曲龙骨的加工, 容易因调弯角度不对而无法形成完好的拼接, 所以, 构件一定要在工厂集成化加工, 减少因加工造成的缺陷。

在工厂采用集成化加工制作后, 对其构件进行预拼装, 如有因加工原因而影响拼装时, 在第一时间对构件进行处理, 然后再拼装, 直到全部拼装完成后进行编号, 运至施工现场。

在施工现场根据花瓣龙骨的编号进行吊装, 吊装用的操作架全部采用主体做采光顶时搭设的满堂脚手架, 不再另行搭设操作架。

软膜天花需要根据现场造型实际尺寸量身裁剪定做, 在实际测量时注意软膜天花具有弹性, 实际加工尺寸应为现场测量尺寸扣减一定的伸缩量, 根据工程量, 定膜周期一般需要10个工作日, 在安排工期时应预留软膜天花加工时间。

在软膜天花到场安装前, 首先应安装灯具, 灯具采用T5灯管。安装T5灯管前, 在钢龙骨上设置木工板, T5灯管支座安装在木工板上, 相邻灯管接头不宜在同一位置, 以免产生阴影, 影响美观。

1) 穹顶结构模型如图10所示。

2) 穹顶钢结构安装工艺流程 脚手架搭设→支撑设置→刚接主柱安装→双曲梁主梁安装→立柱安装→圈梁安装→次梁安装。

3) 脚手架搭设 采光顶工程操作架采用28m高满堂式扣件脚手架, 架体顶部立杆根据施工情况可伸出操作面, 脚手架纵横间距为1m, 脚手架步距为1.5m, 立杆下部设置木方垫块。采光顶钢结构施工期间架体顶部设置一个由H型钢焊接组成的支撑体系, 作为采光顶钢梁施工阶段的临时支撑点, 支撑架体在采光顶施工期间考虑承受600k N荷载, 荷载通过型钢支撑体系转化为中心支撑架体面荷载, 传至支撑点下部立杆。脚手架平面布置如图11所示。

临时支撑设置:在脚手架上设置临时支撑底座, 在底座上设置临时支撑。使用Tekla在采光顶双曲主梁相应位置建立临时支撑胎架模型, 临时支撑根据Tekla软件输出图纸进行制作。提取临时支撑位置三维坐标, 使临时支撑设置更为精确。临时支撑刀板切口角度需与双曲梁底板、腹板相契合。

对采光顶结构进行位移分析, 根据位移情况设置预起拱高度, 临时支撑根据预起拱高度进行调整。

安装临时支撑时, 使用全站仪对临时支撑的支撑点以及“刀板”切角点进行测量调整。

4) 钢结构吊装流程 脚手架及临时支撑设置→安装主柱, 与框架柱焊接→安装整根主梁→安装三分段梁→安装交叉五角造型主梁→安装中部主圈梁→安装中间花瓣梁→主梁焊接→立柱测量放线→立柱安装→环梁与次梁安装。

多人同时焊接主梁, 预留5个焊接口作为应力分散缝最后焊接, 多人焊接时要对称同时焊接, 5个预留口的焊接要同时进行。

主梁焊接完成后, 进行立柱的测量放线。在采光顶顶部搭设测量平台, 使用全站仪测出采光顶的中心点, 把经纬仪架设在中心点上, 通过角度旋转法测放立柱定位点。根据立柱位置线安装立柱, 立柱分段安装, 与主梁焊接固定, 边安装边焊接。

环梁与次梁安装时分段安装环梁, 采用水准仪进行放线。在操作平台上放置水准仪, 在立柱上进行环梁位置标高的测放, 相邻立柱间或立柱与主梁间环梁分为一段。次梁安装时根据已安装完成的环梁进行定位, 调整好环梁的安装弧度, 使所有安装完成的环梁处于同个采光顶弧形上。

1) 吊杆根据穹顶结构上的耳板连接, 连接线需对龙骨各节点进行处理, 对焊缝打磨平整, 查看龙骨是否有不适合软膜安装的情况。

2) 吊杆完成后, 将运至现场的水平龙骨先吊至结构3层, 水平人工拖移至设计部位, 操作人员全部位于满堂脚手架上进行螺栓连接与软膜的安装工作。安装期间需用专用扁铲把软膜张紧插到龙骨骨架槽口中, 风炮加热均匀展开软膜。

1) 清洁软膜 软膜安装前清理软膜及钢龙骨上的灰尘及污渍, 安装完毕后, 用干净毛巾把软膜天花清洁干净。

2) 日常维护 一般只需每月1次用清水清洁, 不要在软膜上喷洒强酸、强碱等腐蚀性物品。

3) 在软膜需要清洁或灯具需要更换时, 可采用小型举臂车在展厅内托举操作人员实施。

1) 因考虑软膜安装完成后为自然下垂的形态, 事先对软膜龙骨按2‰~3‰起拱, 以抵抗因重力引起的下挠。

2) 软膜天花的表面应洁净、美观、色泽一致, 无翘曲、凹坑、划痕。

3) 焊接缝要平直, 左、右偏移≤5mm。

4) 透光膜的灯光应均匀, 不能看到灯管。

5) 扣边安装要整齐、美观, 不能有漏装、漏刀、反边现象, 软膜表面无破损、皱褶, 无明显划伤。

6) 原材料及加工后的成品或半成品堆放时要注意遮盖 (用苫布或塑料布) , 防止因雨、雪造成钢材锈蚀。如果钢材已生片状老锈, 在使用前必须用铁丝刷或砂盘进行除锈。

重庆万达城展示中心山茶花吊顶采用软膜天花, 天花整体成一个圆形, 花瓣龙骨采用镀锌钢管, 镀锌圆管外包软管, 顶层底膜与钢结构屋面结合采用不锈钢板压边、软管遮挡收口, 辅以灯饰的安装达到了良好的装饰效果。采用本工艺完成了吊顶钢结构龙骨、软膜的安装, 成功解决了异形吊顶拼装难度大、跨度大、架空层数高等难题。