随着社会的改变, 人们对建筑的需求也在发生改变, 当今建筑物不仅注重其使用功能, 对建筑物的外观效果也十分重视, 建筑设计师将越来越多的焦点聚集在建筑物外形的表达上, 特别是大型的公共建筑, 为凸显当地社会历史文化风貌而设计的形体独特、造型优美的建筑时有出现, 这种独具一格的建筑体迅速成为各城市里的新地标^[1,2]。敦煌莫高窟游客服务设施工程是一个典型例子, 该工程在球壳屋面外观装饰上采用蜂窝铝板安装的方式, 完美体现了现代建筑空间、形体、色彩以及虚实关系的把握。后置埋件的定位、渐进式曲面施工架体搭设、铝立柱的安装精度、铝横梁安装精度、蜂窝铝板安装质量等会严重影响球壳屋面蜂窝铝板的安装效果, 因此, 球壳屋面蜂窝铝板安装施工技术和工艺特性的研究具有非常重要的现实意义。

敦煌莫高窟游客服务设施工程总建筑面积11 825 m², 位于甘肃省敦煌市314省道南侧。为地上2层框架剪力墙结构, 建筑最高点为16.100m。该工程屋面挂板均为弧形挂板, 大部分为倾斜弧形悬挂板, 挂板截面为120mm, 挂板高度最短2.5m, 最高5.8m, 其中球幕影院屋面采用蜂窝铝板作为外装饰。球壳屋面蜂窝铝板系统如下:主次龙骨采用铝合金型材, 表面做阳极氧化处理, 面材采用15mm蜂窝铝板, 表面做阳极氧化处理, 颜色为金色, 与结构采用钢铝组合连接件连接。

本工程屋面造型为球壳型, 屋面由蜂窝铝板拼装而成, 由于球壳型屋面全方向弧度的存在, 因此安装过程中的测量定位、精准安装、误差控制与矫正、材料垂直运输等工艺成为该工程的施工难点。

1) 球壳屋面每块蜂窝铝板设计高度均不一样, 都遵循一定的弧度, 放测难度较大, 精度要求高, 测量工作是重中之重。应用Auto CAD三维建模技术, 优化整个球面轴线设置及后置埋件的精确定位, 提高后置埋件的施工精度。

2) 通过对铝型材构件进行深化设计, 确定节点区铝型材开孔及补强的节点大样后进行预制加工, 对蜂窝铝板铝型材骨架结构的每一个连接点绘制节点大样, 预先计划节点铝型材的锚固及穿孔补强情况。

3) 铝型材构件实行工厂化制作, 避免因现场错漏而增加工作量, 保证构件尺寸、精度及开孔位置的准确, 保证了各部位的铝型材均能完美拼接。

4) 渐进式曲面施工架体是球壳屋面蜂窝铝板安装施工过程得以顺利进行的关键, 充分利用球壳屋面混凝土结构, 根据球面弧度合理控制小横杆进深长度, 确保渐进式曲面施工架体安装稳固, 保证架体搭设质量。

5) 施工过程中如何控制整体球面误差是关键, 整个安装过程必须及时使用仪器严格复核校正安装精度, 确保整体球壳屋面的外观效果。

6) 为保证球壳屋面的整体防护性能, 必须加快蜂窝铝板的接缝处理。而球壳型屋面蜂窝铝板初装后还需进行一道调正工序, 随后才能进行密封胶灌注, 密封胶灌注是防雨淋渗漏和空气渗透的关键工序, 所以对密封胶灌注工序必须严格按照相应的要求进行。

工艺流程:深化设计球壳屋面轴线及各节点图→铝型材加工及运输→现场绘制球壳屋面轴线→搭设渐进式曲面施工架体→后置埋件、支座安装→铝立柱、竖梁安装→铝横梁安装→蜂窝铝板安装及封胶→淋水试验→蜂窝铝板整体清洁处理→验收。

1) 采用Auto CAD三维建模技术, 优化球壳屋面轴线定位排布, 精确定位后置埋件位置。

2) 绘制镀锌钢埋板与镀锌钢连接件节点大样图。

3) 绘制铝合金主龙骨与次龙骨连接节点大样图。

4) 绘制节点大样图时, 须注明各构件的规格, 按比例绘制。

1) 蜂窝铝板处于建筑外层, 主要承受风荷载作用, 故铝型材原材及截面尺寸的选择需满足风荷载作用下的强度和刚度 (挠度) 要求。本工程选用的铝材为6063-T5和6063-T6。

2) 所有铝型材按图纸构件尺寸进行切割制作, 铝型材构件在加工之前截面要进行校直调整。各构件截面尺寸要求如表1所示。

3) 所有铝合金型材可视面均做表面处理, 处理方式可选用阳极氧化、电泳涂漆、粉末喷涂或氟碳喷涂。由各方式处理后形成的表面处理层厚度应满足表2规定。

4) 所有铝型材在搬运过程均须轻拿轻放, 严防磕碰造成表面碰伤, 影响表面美观。铝型材运输过程中应采取防碰撞措施。

1) 本工程所配备的钢卷尺、线锤、激光经纬仪、光电测距仪、激光指向仪、水平仪、铅垂仪、电子计算机等测量仪器均应具有检定合格证书并保证在符合使用的有效期内, 同时需委托有资质的计量检测单位检定, 经检测合格后才能准予工地使用。

2) 根据优化后的球壳屋面轴线图, 由测量人员测放出球壳屋面轴线并妥善保护, 以便在后续的安装过程中及时引测、控制、复核球面误差。复核球壳屋面轴线及控制点无误后, 由测量人员测放后置埋件位置, 作好标记, 以便开凿后置埋件锚栓孔。施工过程中, 要尤其注意防止破坏标识引起的后置埋件安装不准, 并随时复核。

3) 测量误差控制。经多道检查、核验后, 球壳屋面轴线水平方向误差≤±4mm;垂直方向的误差≤±5mm。测量时应掌握天气情况, 在风力不大于4级时进行, 确保数据准确。

1) 施工架体选用的钢管外径48mm, 壁厚3.5mm, 钢材强度等级Q235-A, 保证所选用的钢管、扣件质量符合规范和设计要求。钢管表面应平直光滑, 扣件不得有裂缝、变形, 螺栓不得出现滑丝等情况。

2) 施工架体设置如图1所示。架体每跨均设置斜撑杆件;每步按要求满铺脚手板;在架体6 100mm高处与最后步的水平杆, 每间隔3跨直接与混凝土结构接触, 用于侧向支撑架体。

3) 架体搭设高度从地面至架体最高点垂直距离≤17m。

1) 本工程使用的埋件为平板式后置埋件, 钢板为Q235B级, 所有后置埋件均做镀锌防腐处理。

2) 根据优化后的球壳屋面轴线, 精确定位后置埋件位置, 埋件剖面如图2所示。

3) 严格按后置埋件安装节点大样图安装后置埋件, 节点大样如图3所示。

4) 连接件的中心线与竖梁中心线重合, 为确保连接件安装准确无误 (连接件的轴线偏差<2mm) , 应通过拉水平线对连接件的水平位置进行控制, 同时, 通过吊线方式对连接件的进深位置进行控制。

5) 连接件的临时固定。在连接件水平、左右和进深位置均确定后, 采用点焊方式对连件进行临时固定。两人协作进行点焊, 由其中一人通过手工钳将连接件严格贴在准确位置, 另一人将连接件点焊连接, 为确保临时固定质量, 焊点应均匀分布在连接件边缘, 焊点数量达到人力无法移动连接件且不少于4个。

6) 分段临时固定完成后对该施工段的连接件临时固定质量进行全数检查, 检查内容为水平位置、轴线偏差、进深位置和临时固定效果。连接件水平位置偏差<2mm, 轴线偏差<2mm, 进深偏差<3mm, 固定效果为人力无法移动和焊点数量不少于4个。

7) 对检查不合格的临时固定连接件进行重新定位及点焊, 全部合格后, 对连接件进行正式固定, 采用满焊方式。烧焊操作时严格按照焊接规格及操作规定进行。

8) 正式固定结束后, 对烧焊好的连接件须进行全数检查验收, 对不合格的连接件进行返工处理, 直至达到要求。焊接作业对防腐层破坏须进行后处理, 先将焊接作业产生的焊渣清理, 再在对应位置刷防锈漆进行防腐处理。

1) 安装前对照施工图检查铝立柱 (T形支座) 拉弯的弧度、转角支座、芯套等构件的尺寸及加工孔位是否正确。

2) 铝立柱 (T形支座) 安装前要对连接件进行清理, 必要时再进行防腐处理。铝立柱 (T形支座) 安装后, 对其要进行全面检查, 内容包括防腐是否完好、规格是否正确、调整是否到位等。铝立柱安装节点大样如图4所示。

3) 竖梁安装由上而下进行, 带芯套的一端朝上, 保留20mm伸缩缝, 依次往下安装。竖梁安装到位后, 对照测量定位线, 对三维方向进行初调, 保持误差<1mm, 待基本安装完成后, 在下道工序中再进行全面调整。竖梁安装节点大样如图5所示。

4) 在竖梁校正时首先要放基准线。先吊垂直基准线, 每隔3~4根竖梁要吊1根垂直基准线, 并用经纬仪测定基准线的准确度。为了防止基准线受风力的影响, 测定时要将基准线端点固定好, 基准线垂线应位于竖梁的外侧面。所有基准线的放置要求准确无误。垂直基准线放好后, 每隔2~3层打1次闭合水平线。水平线用水准仪找平固定, 并位于竖梁的外侧面。基准面建立后要进行测量, 测量前要对量具进行校尺, 量具必须校核准确无误后, 方能在测量中使用。

5) 根据基准面测量球面误差, 对超过误差范围的竖梁进行调整, 采用木块轻击竖梁的方式调整误差, 轻击过程中注意对铝材表面氧化膜的保护, 不能损伤铝材表面氧化膜;当木块轻击调整也无法达到误差要求时, 可将螺栓松开调整, 如仍无法满足误差要求, 就必须将竖梁拆下调整合格后重新安装。

6) 竖梁调整完成后, 对竖梁安装组织验收, 采用经纬仪对竖梁进行抽样验收, 抽样数量符合标准要求。

7) 对铝立柱层间伸缩缝采用耐候密封胶进行密封处理, 选用市场上优质的耐候密封胶, 确保胶缝具有相应强度, 保证密封性良好。

1) 检查横梁的长度及拉弯的弧度是否合图纸要求。

2) 铝横梁安装前, 应先将横梁内插芯安装于竖梁两侧, 采用M6×130不锈钢螺栓穿过竖梁及其两侧的横梁插芯并收紧。不锈钢螺栓完全收紧前应对横梁插芯位置进行检查, 确保各配件的位置无误后再进行完全收紧, 收紧完成后再次进行横梁插芯位置检查以保证横梁的安装质量。节点大样如图6所示。

1) 对蜂窝铝板尺寸及表面质量进行检查, 表面尺寸需符合图纸要求, 铝板表面有缺陷的, 缺陷必须满足GB5237.1—2008《铝合金建筑型材》规范要求^[4]。

2) 在竖梁上安装铝合金附框。将蜂窝铝板放入分格内, 调整好蜂窝铝板位置, 保证蜂窝铝板四边缝隙及进出位置满足设计图纸要求。

3) 用拉铆钉将蜂窝铝板与铝合金附框连接。

4) 在蜂窝铝板缝隙处放入16铝圆管, 在蜂窝铝板安装调正后即开始灌注密封胶。节点大样如图7所示。

5) 蜂窝铝板安装须严格控制安装质量^[3], 铝板间缝隙要求如表3所示。

对球壳屋面蜂窝铝板安装质量的控制, 除常规材质、尺寸偏差等要求符合规范外^[4], 还应主要控制以下几点。

1) 所有焊缝表面焊波应均匀, 不得有裂纹、夹渣、焊瘤、烧穿、弧坑和针状气孔等缺陷, 焊缝质量符合规范要求^[5], 然后清理焊渣, 再刷防锈漆进行防腐处理

2) 在竖梁调整后要用经纬仪进一步严格检验和复验, 测量误差调整情况, 如超出误差范围时必须调整。根据竖梁定位线, 确定平面位置和标高, 对T形支座的规格型号严格控制, 以保证安装的准确。

3) 蜂窝铝板四周与构件凹槽底保持一定空隙。蜂窝铝板四周密封胶的施工厚度须>3.5mm, 施工宽度不小于施工厚度的2倍;较深的密封洞口底部采用聚乙烯发泡材料填塞。

1) 优化整个球面轴线设置及后置埋件的精确定位, 提高后置埋件的施工精度, 解决了测量工作繁杂、精确度要求高、渐进式曲面施工架体、球面误差控制等施工难题。

2) 通过对铝型材构件进行深化设计, 确定节点区铝型材开孔及补强的节点大样后实行工厂化制作, 保证构件尺寸、精度及开孔位置的准确, 保证了各部位的铝型材均能完美拼接。

3) 整个安装过程必须及时使用仪器严格复核矫正安装精度。蜂窝铝板安装调正后立即开始灌注密封胶, 确保整体球壳屋面的质量和外观效果。

4) 本技术能够保证球壳屋面蜂窝铝板精确安装, 缝隙匀称、清晰, 整体球面曲线流畅、美观, 安装质量好。