“滨海之眼”是巨型动态全影像LED集成金属球幕 (见图1) , 应用于天津市滨海新区文化中心 (一期) 项目文化场馆部分图书馆精装修工程, 是本工程设计立意的灵魂所在, 通体为直径21m的圆球, 圆球内部是图书馆报告厅, 厅内采用可伸缩座椅设计, 能同时容纳200人;外饰面分为2层, 内层为LED集成板、外层为冲孔铝板, 装饰面积为1 007m², 由687块尺寸不一的双曲异形冲孔铝板组成, 通过内部的LED集成板透过外部冲孔铝板的44万个7mm孔洞而实现动态成像, 外观大气磅礴, 科技感十足。

“滨海之眼”原设计球面利用铝板冲孔形成世界地图造型, 然后在孔内镶嵌LED灯珠, 共计35万个, 最终完成球幕的世界地图造型, 该设计特点为灯珠与冲孔铝板2个安装系统, 灯珠需填满由35万个孔洞组成的世界地图, 采用动态全影像技术完美展现设计意图, 利用现有的技术和资料, 打造1个拥有35万个灯珠的巨大三维曲面冲孔铝板球幕, 需解决核心技术问题如下。

球幕如果只能呈现世界地图, 就失去了“滨海之眼”坐镇图书馆正中心的意义, 滨海项目团队最终决定, 要让这个巨型球幕“动起来”, 进而彻底解决成像单一的问题。

35万个灯珠, 随便坏一个便会影响整体成像效果, 同时要想满足现场成像效果, 一旦有1个灯珠损坏, 便要安排专人去维修, 要彻底解决这一问题有一定困难。

LED灯珠在35万个孔洞内显得格外刺眼和密集, 怎样才能不刺眼也成为本球幕一个较大的核心技术难题。

在原设计方案中LED集成板与冲孔铝板为分离体系, 即需先安装LED集成板, 后安装冲孔铝板, 此方式最大的问题即需进行2次板块安装, 费时费工, 无形中亦增加了质量把控点, 在紧张的工期下对项目部造成了较大负担。

1) 为解决成像单一问题, 摒弃利用铝板冲孔排布成世界地图的方式, 将整个巨型球幕全部冲孔, 冲孔数量由之前的35万个增加至44万个。并利用LED灯珠的成像, 内透发光, 通过控制系统动态控制, 可实现明暗及动态变化, 在建筑物立面创造出灵活的照明模式, 形成抽象显示屏效果将动态画面呈现在球幕上。

同时为满足冲孔铝板的刚度要求以及最终的成像要求, 项目团队在样板施工前期, 分别加工孔心距为3, 4, 5, 6, 8cm, 分别对应孔径为5, 7, 10mm的15种类型进行样板测试, 并在通过刚度测试后, 分别利用模拟灯光照射, 寻求最佳的成像孔距, 通过15次孔距成像模拟试验, 最终确定5cm的最佳孔距和5cm的最佳孔径, 如图2所示。

2) 为解决单珠损坏影响成像效果, 降低维修频率, 项目一改之前的单珠成像体系, 将照明系统改为集成式LED灯板, 将数百个灯珠镶嵌于冲孔铝板的背衬板上, 以板块为单位, 对灯光进行控制, 凡出现损坏问题, 即可以板块为单位进行整体维修, 拆卸方便, 便于检修。

灯具控制系统采用标准DMX512信号进行控制, 由A, B 2个信号线组成, A与B信号使用的是差分信号传输, 传输距离远、抗干扰能力极强、传输稳定性可靠、传输误码概率很小, 控制系统框架构成采用计算机+交换机+分控器的架构方案。控制系统框架如图3所示。

3) 为解决灯光刺眼问题, 项目部不断探索并参考相关文献资料, 最终确定将LED小灯珠“隐藏”起来, 在冲孔铝板与背衬集成板中间加设导光膜, 并将小灯珠后移, 远离冲孔铝板表面, 但后移LED灯珠会影响成像效果, 施工过程中, 项目部分别将LED集成板与冲孔铝板的距离进行5cm及10cm两种距离的调试及各方验收, 最终通过多方认定, 确定5cm为最佳距离。

同时为进一步完善成像效果, 项目部还对灯珠与灯珠的距离、冲孔大小进行了反复试验及成像效果评定, 最终确定灯珠与灯珠距离在5cm时, 成像效果最佳。

4) 从安装难度及工效方面考虑, 将冲孔铝板与背衬集成板进行组合, 形成一个整体板块。但由于冲孔铝板折边为10cm, 且受球幕特殊外形影响, 折边端部尺寸会小于背衬集成板的尺寸, 造成单块背衬集成板无法直接放置于冲孔铝板背部, 因此将背衬集成板一分为二, 分块固定, 进而彻底解决集成板与冲孔铝板的组合问题, 这一举措大大提高了施工效率, 也大幅度降低了质量把控点, 将背衬集成板与冲孔铝板严丝合缝地结合在一起, 形成一个整体。

本工程主体结构为球形网架结构, 测量放线的精度直接决定了后期面层的观感质量, 为提高放线精度, 项目部采用双全站仪360°测量放线方式, 对整个球体进行了通体“扫描”, 1台全站仪在上, 进行球体上半部分测量;1台全站仪在下, 进行球体下半部分测量, 交汇处位于球体“赤道”位置, 步骤如下。

1) 结构复测对主体球形钢桁架进行复核, 并运用BIM对主体球形钢桁架建立最初模型, 并设立测量放线基准点。

2) 选定十字圆心, 通过36个正方形的四角定位, 形成1个纬度, 每5°确定1条纬线, 直至“赤道”, 如图4所示。

3) 通体测量放线后, 最终精确的定点位置共36×4×36=5 184个点, 在每个定点处标记进出位, 并采用全站仪将每个球节点坐标进行最终复核。

4) 竖向主龙骨焊接完成后, 为确保钢结构基层精准, 再次利用全站仪进行第3次复核, 将球顶圆心坐标确定, 然后将每块铝板位置坐标进行标注, 确保每块铝板安装受控。

1) 运用BIM模型配合实际测量反尺进行材料下单, 如图5所示。冲孔直径10mm, 孔边间距15mm, 颜色为室外白, 反光度25%;四边折边90mm, 从面层返50处内侧安装25mm×15mm铝角, 采用沉头铆钉形式固定, 为背板固定LED灯珠所用;横向共计分为17排, 顶部为1块圆形曲面铝板, 下一排为23块, 其余15排每排均为46块, 每排的规格尺寸一致, 目前每排少加工1块, 因球形铝板每圈无法避免安装误差及加工误差, 到收口时不可避免与图纸有一定误差, 为确保一次性下单成功, 保证各个双曲板块的完美拼接, 项目部最终进行分阶段下单, 大面双曲冲孔铝板为第1阶段下单, 阴影区域 (见图5b) 为第2阶段下单, 第1阶段铝板安装完成后根据现场尺寸进行第2阶段加工。由于前期双全站仪测量放线法的成功运用, 周圈冲孔铝板全部完成后, 累计误差仅为1.3mm。

2) 背板冲孔形式为 (见图5c) :冲孔直径20mm, 孔边间距30mm;每块面板附带背板分2块加工, 2块背板接缝处折边20mm, 其他边不折边, 不喷颜色。

1) 竖向主龙骨用40mm×60mm×4mm镀锌方钢, 方钢内侧拉弧半径为10 400mm, 焊接在球形网架结构球节点预留法兰上, 间距据预留法兰而定。

2) 横龙骨采用50mm×50mm×5mm镀锌角钢, 角钢设置在铝板横向接缝处, 角钢根据铝板弧度进行拉弧, 角钢外口与40mm×60mm×4mm镀锌方钢外口持平。接口处采用满焊形式。龙骨强度经校核均满足设计要求。龙骨应力比均<0.95, 强度满足设计要求。

1) 铝板到场后首先需安装1.5mm厚匀光板, 因铝板为曲面, 匀光板需进行裁切, 每块采用透明结构胶结合免钉胶与铝板黏结安装, 保证从正面内孔看不到导光膜接缝。

2) 背板安装LED灯珠, LED灯珠与背板定制加工, 通过卡扣式连接方法使LED灯珠固定在铝板背板上。

3) 最后把背板与面板固定, 安装胶条, 因设计要求板缝设≤3mm工艺缝, 缝内填密封材料, 避免漏光, 采用浅灰色3mm厚海绵胶条粘贴在铝板折边板上, 从铝板面进15mm进行粘贴, 胶条需保证接缝严密, 黏结牢固, 完成集成安装。

铝板需从上而下按照每排安装, 每安装1块, 必须参照BIM建模整体模型精确定位, 然后采用全站仪全程跟踪安装、测量, 及时发现误差并进行调校。

每块板与副龙骨连接采用定制铝制挂件, 铝板之间采用六角燕尾螺栓进行连接。

横向1排安装完成后, 进行下一层;铝板安装依次类推, 面板调平是整个球体最后1道关键工序, 其施工质量决定了整个球体的外观效果, 需要挑选技术水平比较高的班组工作人员认真仔细地进行板材的调平工作, 直至达到验收要求。

收口板每做完1层, 现场制作1∶1模具进行定型加工, 铝板之间的弧面需保证一致。

1) 钢结构焊接过程变形经过样板段施工, 焊接过程中变形主要集中在满焊后应力收缩, 所以将采取随装随满焊, 在焊接下一个钢构件时已将焊接所产生的变形进行校正, 这样可大大减小钢材遇热所产生的变形和对面层材料安装造成的影响, 较小的误差将在基层板安装时进行调平。

2) 钢结构经受力计算, 最大变形达8mm, 经过跟设计协商, 在铝板密拼改为铝板接缝处留≤3mm施工缝内填海绵条, 安装过程中逐步增加载荷, 每装1层将消化掉一部分变形, 保证最终缝隙一致。

3) 加工误差、安装误差球幕共横向17排, 最上面为1块, 下一排为23块, 其余每排均为46块, 采用BIM建模, 根据模型排版定位、全站仪定位安装, 安装每块板均需全站仪复核, 每排板留1块收口板暂不加工, 等1圈板安装完后按现场尺寸定型加工, 可将加工与安装累积误差消化, 保障整体质量。

4) 如何控制灯具于表面铝板距离、不影响成像折边将原设计40mm要求改为90mm, 距外表皮铝板50mm折边处增加15mm×15mm铝角, 控制铝背板与饰面铝板间距50mm, 误差±5mm, 每块后背板均分为2块铝板, 接缝处折边, 铆钉连接, 增强背板强度, 最终保证成像效果。

5) 灯具检修将所有LED全彩灯珠全部集成在背板上, 按设计要求开工扣槽安装灯珠, 每块背板均采用自攻螺栓与15mm×15mm铝角连接, 每个背板后面线束及电气设备尽量全部集成在背板上, 方便检修。

6) 项目部采用为“滨海之眼”量身定做的圆弧靠尺控制弧度, 在施工过程中发挥了关键作用。

巨型动态全影像LED集成金属球幕施工技术采用整体分块制作的方式, 解决了传统方式易造成安装不到位、质量和外观都达不到要求且费时费工问题, 地面成品制作吊装可减少人工和能源损耗、增加工效、满足较高的装饰效果要求, 经济效益明显。