杭州东站扩建工程东站站房东西长463.45m, 南北宽143.6m, 建筑总高度39.6m;站房为3层, 分出站层、站台层与高架候车层, 总建筑面积约32万多m² (其中主站房建筑面积为155 600m²) 。东站站房建筑构想源于“钱江大潮”和“动车组”, 建筑主体中间高两侧低, 将流线型作为建筑设计的手法, 整体感觉如同舒展流畅、蔚为壮观的“钱江大潮” (见图1) 。

新建杭州东站扩建工程东站站房工程东西立面各设2个异形柱 (见图2) , 2个四角柱, 南北两侧各布置9个轨间柱, 分别以东、西中轴线和南、北中轴线对称布置, 其中南、北18个轨间柱柱顶部分采用双曲面不锈钢幕墙, 东、西四角柱为平面结构采用铝板幕墙, 东、西异形柱为异型管桁架柱, 外立面整体采用双曲面不锈钢幕墙。本文的研究对象为东、西立面异形柱双曲面不锈钢幕墙体系, 该幕墙系统采用不锈钢板面材, 龙骨体系包括支撑、塑形龙骨和结构龙骨, 其中支撑、塑形龙骨通过几字件与不锈钢面板焊接, 结构龙骨焊接在主体钢结构上, 支撑、塑形龙骨与面板一起通过连接件与结构龙骨连接, 固定在结构上, 面板表面采用VDF氟碳喷涂处理, 面板颜色为RAL9003。

在新建杭州东站站房东西、南北立面柱幕墙工程实施前期, 先后比较了无胶密封烤瓷铝板、无胶空缝氟碳喷涂铝板、注胶氟碳喷涂铝板、玻璃钢等多种幕墙方案, 分阶段制作了多个试样, 对面板材料特点、观感效果、连接方式的可靠性以及方案的经济性等方面作出综合评价, 氟碳喷涂不锈钢板具有较高的塑性、韧性和机械强度, 抗老化, 使用寿命长, 高耐气候性和耐腐蚀性, 采用无缝处理和氟碳喷涂, 与主体钢结构采用相同的面层处理方式, 色调、材质统一, 观感效果佳, 且造价较低。在此基础上, 项目部委托了同济大学土木工程学院和同济大学建筑设计研究院对东西立面异形柱试验段进行了为期1年的温度效应研究, 对现场施工样板体系在春、秋两季进行了应变实测, 研究了由温差所导致的不锈钢面板温度应力和龙骨的内力效应, 验证了双曲面不锈钢幕墙体系的可行性。采用有限元软件ANSYS建立样板段的幕墙面板、龙骨和主体钢结构异形柱计算模型, 对其在实测温差工况下的应力、内力及变形进行计算, 实测与计算结果对比表明, 幕墙面板Mises应力实测值较计算值偏大, 龙骨轴力结果较接近, 各测点的温度效应变化趋势相同, 实测与计算结果总体吻合较好。对样板段幕墙体系在极限温差为40℃的工况作用下的温度效应做了进一步计算, 计算结果表明, 幕墙面板应力未超过其屈服强度。综上所述, 最终选择了氟碳喷涂双曲面不锈钢面板方案。

根据不锈钢材料以及不锈钢幕墙无缝设计的特点进行深化设计, 通过三维建模与计算机深化设计将异形柱双曲面幕墙结构分解成结构龙骨与支撑、塑形龙骨及不锈钢面板, 并就支撑龙骨、塑形龙骨和结构龙骨的定位、覆板、吊装进行图纸细化, 保证了曲面的准确、弧度的顺平。支撑龙骨、塑形龙骨及不锈钢面板在场地外加工, 采用先进的Rhinoceros建模软件对幕墙体系进行全模型、全尺寸建模, 确定支撑龙骨、塑形龙骨的准确位置, 并将各构件的节点准确位置由三维空间转化到二维平面, 进一步地将1∶1全尺寸的二维平面图打印出来, 用三维定位控制点基布结合标高, 准确定位出面板龙骨体系的位置, 实现面板体系的平顺、准确、美观。结构龙骨在现场焊接制作在主体钢结构上, 结合现场的结构特点, 合理地调节消化施工误差, 保证幕墙结构与主体结构协调统一, 支撑、塑形龙骨及不锈钢面板制作成型后运至现场采用整体分块吊装, 位置校核焊接固定之后进行面板饰面处理, 最后成型。最终确定的方案施工工艺流程如下:幕墙深化设计→建立三维模型→幕墙结构分解→现场基布定位放样→支撑、塑形龙骨制作安装→结构龙骨安装→板块运输、吊装→幕墙饰面处理。

采用先进的Rhinoceros建模软件, 对幕墙体系进行全模型、全尺寸的三维建模, 确定各种构件的空间位置, 对各构件进行三维放样, 为后期加工、安装提供技术条件。本工程立面异形柱双曲面幕墙三维模型如图3所示。

模型建立后, 为保证幕墙曲面的准确性与整体性, 根据三维模型的结构将异形柱双曲面幕墙根据板厚分成上、中、下3个组件, 每个组件由结构龙骨和支撑、塑形龙骨及不锈钢板组成, 支撑、塑形龙骨及不锈钢面板在场地外加工, 加工完成后通过转接件安装在结构龙骨上, 本工程异形柱双曲面幕墙结构分解及转接件示意如图4所示。

为保证双曲面幕墙的整体精度, 该部分结构在场外比较空旷的场地进行加工制作, 加工成型后再运至施工现场进行安装, 这样既可保证幕墙曲面精度, 又可加快施工进度, 且加工不受现场场地局限的限制。

支撑钢龙骨和塑形钢龙骨采用Ø70×4, Ø32×2的钢管焊接制成, 钢管做热镀锌处理, 间距≤80cm。支撑 (塑形) 钢管和不锈钢面板用抱箍连接, 抱箍起承载及固定作用, 电焊连接, 间距≤80cm, 抱箍宽度为2cm。

加工制作主要分以下几个步骤:放线定位→支撑塑形钢管制作→不锈钢板蒙覆→面板抛毛→饰面处理→板块运输。

1) 通过打印设备将加工图按1∶1比例打印, 辅助现场放线采用内引内控法、外引外控法, 使用全站仪进行钻石体汇焦点的精确定位放线和施工安装监测。主要包括以下测量步骤:采用内控网和外控网, 运用内引内测法和外引外测法, 使用全站仪、电子经纬仪、激光垂直仪, 用坐标法进行测量放线或安装精度质量控制;异形柱各个汇焦点的三维空间坐标测量数据, 采用建筑三维模型和计算机技术进行精确计算, 保证测量数据精确无误;运用计算机模拟技术对测量方法及测量数据进行仿真模拟、测量放线和复核, 以保证测量方法和测量数据的正确;根据设计提供的测量放线控制点位, 结合计算机三维模型, 采用全站仪放空间定位点。通过以上步骤, 形成三维定位控制点基布, 按照幕墙结构体系1∶1打印, 铺设在加工场地上, 完成坐标x, y的二维平面定位。然后结合支撑、塑形龙骨及面板的三维模型中的标高, 即定位坐标Z, 准确定位出幕墙体系中每个结构构件的准确三维坐标。

2) 支撑 (塑形) 钢管制作因本工程异形柱支撑部位的钢立柱为弧形, 组装前根据弯弧弧度由特制模具与拉弯机进行拉弯。主要步骤如下:开模, 把需要拉弯模型做好→配好拉弯的压力→根据钢件大小做钢件两头夹具→把做好的模型在拉弯设备上固定→拉弯的第1件钢件为首样, 按图纸要求检验, 合格后按首样批量生产。

3) 待支撑 (塑形) 龙骨骨架加工完成验收合格后马上进行不锈钢板蒙覆, 采用先进的Rhinoceros建模软件, 对样板进行全模型、全尺寸的三维建模, 根据前面的放样数据, 通过锤锻工艺将不锈钢板蒙覆在塑型钢管上成型, 并采用几字码将塑型钢管与面板焊接固定。采用抛毛机具对不锈钢面板打磨抛毛, 以增加基层与腻子层之间的附着力。

4) 采用环氧漆进行底漆喷涂, 增加面板耐腐蚀性能及与面漆的附着力。一般要求控制底漆厚度为10~15um。

5) 采用腻子对面板进行刮平处理, 增加面板的平整度第1道的要点是“一次到位, 填平补齐”, 第2道刮灰进一步使表面平整, 并将第1遍刮灰的砂眼、缺陷等全部补上;第3道刮灰是解决个别砂眼和局部平整度不够的问题。

6) 根据运输及现场吊装条件分割板块, 采用卡车运抵现场。

根据三维放样要求, 经现场测设, 对结构龙骨进行精确定位, 搭设脚手架, 采用焊接方式将龙骨安装至预定位置并固定在主体钢结构上 (见图5) 。

板块吊装采用汽车式起重机将不锈钢板块整体吊装在预定位置, 通过转接件将面板与龙骨连接固定。然后进行调节定位, 位置校核, 焊接打磨, 接缝腻子刮平, 中间漆喷涂, 氟碳面漆喷涂, 最终成型, 面层清理后拆除脚手架。施工完成后的效果如图6所示。

本工程东西立面异形柱双曲面不锈钢幕墙施工技术通过三维建模和深化设计分析, 把该双曲面幕墙体系分成支撑 (塑形) 龙骨、不锈钢面板和结构龙骨, 并对幕墙体系的定位、覆板、吊装进行图纸细化, 特别是在支撑、塑形龙骨制作过程中, 采用三维建模定位, 打印1∶1三维定位控制点基布, 将三维空间结构转换至平面, 然后通过标高控制, 达到三维精确定位支撑 (塑形) 龙骨架体的目的, 最终提高了不锈钢幕墙工程质量, 加快了施工速度, 取得了显著的安全、质量、进度和经济效益。新建杭州东站站房工程已于2013年7月1日正式开通运营, 工程质量得到各方认可, 社会各界对此评价甚高, 反响良好, 值得类似工程借鉴。