佛山坊塔项目位于佛山市东平新城核心区, 由主塔楼和两侧裙楼3部分组成。主塔楼下部4个方体组成塔基, 支托上部交错叠合的5个方体 (见图1) ;裙楼分布于主塔楼东西两侧, 分别为城市规划展览馆和舞台区域 (见图2) 。主楼采用斜交网格钢外框内嵌装饰性风车+内挂龙骨幕墙, 共有33面幕墙。主塔楼9个方体外立面设置有兼具结构受力及装饰功能的斜交网格钢外框, 外框内部嵌填与平面成45°的装饰性风车。方体1为镂空设计, 仅具有装饰和观光功能, 内部无其他幕墙构件, 方体2~方体9距外框511~5 470mm设置内挂龙骨幕墙, 所有龙骨吊挂在顶部的幕墙环形钢梁上, 底部与楼板设置插芯连接, 荷载由屋面结构承担。裙楼采用装饰性斜交网格肌理风车玻璃幕墙, 共有54面幕墙, 由设置有转接件的斜交网格桁架形成主要受力构件, 内部嵌填与水平面成45°的风车形成幕墙龙骨, 龙骨内部嵌填钢化中空玻璃, 通过外扣面板与龙骨连成一体形成斜交网格状造型。

由于加工及运输条件的限制, 本工程幕墙桁架、风车及内挂幕墙龙骨构件不能成整体或片状加工运输, 需要分段运至现场, 在地面拼装成X形桁架、风车等吊装单元, 根据其设计及构件加工特点有以下施工重难点。

1) 高空吊装桁架及风车, 因风力原因易导致风车旋转, 如何确保桁架或风车的吊装安全是本工程难点之一。

2) 桁架、风车呈斜交网格状, 分单元进行吊装时, 对其精度和立面效果控制提出了更高的要求。

3) 根据施工进度及整体结构安全要求, 主体钢结构必须快速安装到位, 混凝土楼板随后立即封闭, 内挂龙骨顶部的环形钢梁、龙骨、玻璃需要在结构完成后施工, 安装无法使用大型施工机械, 且施工操作面极其狭小, 普通施工措施已满足不了现场安装需求。

4) 方体1~4悬挑结构及方体5镂空结构下部均设计有装饰性风车肌理及面板封闭, 由于悬挑面位处高空, 又无可用的施工平台, 安装难度极大。

斜交网格龙骨幕墙施工技术工艺原理分以下6个部分。

1) 运用BIM技术进行三维模拟, 对于X形桁架、空间转角立体X形风车进行节点分析, 制定了不同的拼装细则, 保证构件的加工质量。

2) 对于装饰性斜交网格肌理风车玻璃幕墙, 从三维模型中导出坐标, 确定基线与控制点, 支腿工厂加工, 现场定型拼装, 全过程数据监测安装, 确保桁架和风车的安装精度。

3) 装饰性风车采用柔性绷带和平衡杆相结合的方法, 并设置导向轨道进行安装。

4) 在悬挑结构及方体5下部设置双层电动轨道, 一层用于吊装风车肌理材料, 一层用于吊篮安装, 从一端向另一端逐步完成幕墙风车及面板的安装。

5) 塔楼内挂明框玻璃幕墙采用自制卡具架搭设施工平台安装。

1) 装饰性风车+内挂龙骨幕墙:风车定位→风车拼装→风车吊装→内风车拼装→吊点设置及吊装工具安装→环形钢梁吊装→内风车吊装→内风车与立柱焊接→风车与横梁交接处插芯焊接→铝型材安装→玻璃吊装→玻璃安装。

2) 斜交网格桁架+风车龙骨幕墙:预埋件安装→桁架拼装及连接件焊接→桁架定位安装→内钢板开洞安装连接件→内钢板保温棉安装→内钢板安装→风车安装及校正→玻璃安装→外钢板安装→外钢板杂物清除、喷漆→钢板缝隙打胶。

在每个方体靠外框位置设置6个测量控制点, 形成闭合控制网, 采用Revit建立三维模型, 根据三维模型上空间坐标定位, 用全站仪在斜交网格钢外框上对风车的四肢牛腿分别定位, 并弹线标记。随后, 对斜交网格钢外框的结构尺寸进行复测, 并以此为依据按实拼装风车。

现场实测钢结构洞口变形误差在15mm以内时, 统一按照三维模型的尺寸加工和拼装, 在风车的2处支腿的主龙骨□60×60×5内设置插芯与主结构焊接, 现场通过调节龙骨与插芯的搭接长度、控制预留胶缝的大小来安装风车。若误差>15mm时, 则按实调整风车的支腿长度, 控制胶缝在25mm左右。

将每处斜交网格钢外框洞口内的平面单体风车及空间90°转角异形风车 (见图3) 作为一个吊装单元整体吊装。平面单体风车的拼装应在地面上用墨线弹出风车支腿的投影中心线、外形轮廓线、端口线、以及节点板的端口线等, 将加工合格的4条水平支腿依次吊到组装线内, 将支腿外边轮廓线、端口线对齐地面位置线, 支腿龙骨之间点焊固定, 重新复核定位尺寸, 矫正后将支腿龙骨焊接到位, 然后按要求进行装饰面板安装。

空间90°转角异形风车先用Revit 2014建立1∶1的三维模型, 计算出各角点的相对标高和2个面的支腿面板、龙骨尺寸。现场对风车的两面分别拼装, 将一面支腿水平放在拼装场地, 另外一面支腿竖向放置与水平支腿合龙, 合龙时用线锤吊控制竖向支腿的端口线和垂直度。

非悬挑结构下部风车按单个方体进行吊装, 风车在竖直方向成一条直线分布, 利用小炮车结合吊篮对风车肌理按照从上至下的顺序进行安装。安装时首先将吊篮升至安装位置, 然后用小炮车把风车吊到安装洞口位置, 水平牵引将风车拉入洞口内。在吊装过程中采用柔性绷带和圆管 (平衡杆) 相结合的方法, 让小炮车滑轮定位点、卷扬机、肌理风车起吊点这3点所在平面垂直地面 (见图4) 。同时设置导向绳2根, 或选用8mm钢丝绳设置导向轨道, 控制风车构件自然旋转。小炮车支撑龙骨为□100×100×8镀锌钢管, 其材质为Q235B, 通过焊接制作而成, 提升装置为CD2-30D卷扬机, 卷扬机最大起重量为2t, 吊装钢丝绳直径为11mm (见图5) 。

方体6~9局部被方体5楼板遮挡, 方体5局部被方体4遮挡, 方体4局部被方体3遮挡, 方体3局部被方体2遮挡, 方体2局部被方体1遮挡, 这些遮挡部位小炮车无法架设, 采用卷扬机进行提升安装。根据单体风车质量选用最大起重量为2t的CD2-30D卷扬机, 卷扬机分别放置在被遮挡立面上方的方体5、方体4、方体3、方体2、方体1的底层楼面上, 其平面定位应保证吊装支架上的吊钩与风车重心在一条线上, 在楼面开14mm的孔洞穿钢丝绳吊装风车。

屋面环形钢梁在满足现场吊装设备起吊性能与构件运输要求的前提下, 以结构钢梁为依据对环形钢梁进行分段。所有吊装单元共计200个, 最大质量为2.54t, 长度为13 100mm。

在钢梁、钢柱上弹线定位连接板的平面和标高, 并对主体结构进行复测, 并以此为依据进行环形钢梁加工。并对每个方体的环形钢梁构件进行编号, 制定先安装两端固定在主体结构上的主钢梁, 后安装一端固定在幕墙环形钢梁的次钢梁的安装顺序。在每个方体投入2台吊重为5t的卷扬机和2台电动吊篮依次安装钢梁, 卷扬机基座、环形钢梁吊装支架及电动吊篮支架均固定在屋面板上。

由卷扬机负责提升钢梁, 待接近标记安装位置时, 用手拉葫芦调整钢梁到指定安装位置点焊固定。因环形钢梁距屋面板底仅150mm, 因此钢梁采取单点吊装, 并在两端设置斜拉副绳, 以确保钢梁在吊装过程中的平衡稳定。

内挂龙骨划分为桁架、立柱、风车3种吊装单元分次吊装、现场焊接而成。桁架一次吊装, 立柱根据水平结构设计进行分段, 风车以立柱为支点拼装成型后整体吊装。如表1所示。

预先在环形钢梁下翼缘上焊接吊装耳板, 耳板与钢梁采用8mm焊缝焊接, 随环形钢梁同时吊装到位。除方体8以外, 其他方体的安装空间仅有511~620mm, 经方案比选后, 自制一种可以多次循环使用的卡具架 (见图6) , 架设在内挂幕墙横梁与斜交网格钢外框或幕墙风车的交点上, 部分位置的交点不在同一水平面时, 在竖向龙骨上焊接悬挑I12代替卡具架。在支点上架设成品钢跳板作为施工平台, 配合设置在室内的卷扬机进行玻璃安装 (见图7) 。

将桁架散件运输至施工现场, 然后现场拼装成X, E, F形吊装单元进行吊装, 在主杆侧面留置对接牛腿, 以方便吊装单元就位安装。主桁架安装完成以后, 在桁架洞口处嵌填风车, 然后安装面板和玻璃, 其安装方法同“装饰性风车+内挂龙骨幕墙”。

在幕墙施工过程中, 采用BIM技术进行深化设计解决与其他专业冲突问题30多条, 并将BIM技术与幕墙桁架、风车的现场安装相结合, 提高了构件的拼装、安装精度和安装效率。通过小炮车、卷扬机及吊篮大面积铺开施工, 高效完成了幕墙安装, 在节省工期的同时, 也减少了大型起重设备的投入;设置自制卡具架、铺设施工平台, 规避了在超高楼层内搭设双面双排脚手架。具体效益如下:①运用BIM节省工期约20d, 采用各种设备大面展开施工节省工期约95d, 共计115d。②节省大型起重设备费用84.83万元。减少12 613m²双排脚手架搭设, 节省费用37.89万元。③采用本工艺进行斜交网格龙骨幕墙施工, 直接创效金额为122.72万元, 节省工期115d。

异形结构斜交网格龙骨幕墙的安装重点在于桁架的合理分段、现场拼装、构件的吊装方法和精度控制, 直接决定了幕墙安装的进度、安全和美观。采用本工艺, 有效解决了构件的现场拼装质量和安装精度问题。此外, 在全面加快施工进度的同时, 有效减小了施工成本的投入, 对特殊部位幕墙的安装方法也提出了更有安全、合理的措施, 受到了业主监理的好评及一致肯定, 并取得了良好的经济和社会效益。