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摘要：本文針對內蒙古少數民族群眾文化體育運動中心一期工程的亮馬圈項目，介紹一種多維調節異形采光頂技術，很好地解決異形空間曲面玻璃幕墻的設計、加工、施工等技術難題。
關鍵詞：異形采光頂，多維調節，標準化設計，BIM參數化技術
1、工程概況
內蒙古少數民族群眾文化體育運動中心一期工程總建筑面積約81869.81平方米，本項目包括3個單位工程：多功能主體建筑，亮馬圈及看臺樓。
在單體設計上，引入“蒙元文化符號”為立面設計主要基調，以曲面的造型為主，立面簡潔明快，線條流暢。主體建筑立面采用蒙古包、哈達、吉祥繪紋，形似草原博克手的盔甲戰袍，又好像騰飛的雄鷹。這是一個以現代裝飾風格詮釋特色文化元素的藝術作品(圖1.1)。
本文介紹的是其中之一的單體:亮馬圈(圖1.2)，重點介紹其異形采光頂的設計與施工。亮馬圈由玻璃采光頂、采光頂兩側的金屬屋面及側立面豎明橫隱玻璃幕墻構成，其中采光頂幕墻面積約5700㎡。該建筑主體為鋼網架結構，整體呈扁平橢圓形的半球體造型，南北長158米，東西寬85米，從上往下俯視亮馬圈，采光頂呈左右對稱的兩個扇形結構。造型特點為頂部曲率平緩，向四周曲率逐漸變大，采光頂由建筑頂部中間窄向兩側逐漸變寬，采光頂兩側為金屬屋面系統，這樣的設計體現了場館采光與遮陽的巧妙取舍。
2、采光頂設計
2.1建筑造型分析
內蒙古少數民族群眾文化體育運動中心一期工程：亮馬圈，是一個橢圓形的球體結構，采光頂位于中部，主要造型特點為：呈左右對稱的兩個扇形結構，頂部曲率平緩，向四周曲率逐漸變大，頂部中間窄向兩側逐漸變寬(圖2.1、圖2.2)。根據采光頂以上造型特點，首先，建立幕墻表皮并進行分析，充分考慮設計、加工、施工、成本等因素，結合甲方、建筑師的要求，確定對異形采光頂進行三角形及四邊形面板劃分;其次，采用BIM參數化技術，對建筑外表皮找形，標高、放樣曲線、斷面曲線均可由參數依據一定數學關系并進行有理化分格。將分格數量、長度、比例等均設置為可調參數，通過參數調整，輸出采光頂的分格劃分方案;最后，以平板玻璃面板擬合雙曲面造型，在可接受的平板（詞條“平板”由行業大百科提供）面板擬合偏差范圍內，通過多次的表皮分格優化分析，最終確定最優分格方案(圖2.3～2.5)。
2.2異形采光頂系統構成
根據亮馬圈采光頂的造型特點，經過反復研究論證、參數化模型分析，結合我司多年的異形幕墻技術應用經驗，研發了一種多維調節異形采光頂系統(圖2.6)。
2.2.1多維調節支座系統
多維調節支座系統：包括上圓盤夾具和下圓盤夾具，上下圓盤夾具設計為凹凸槽嵌套配合連接，并通過4個M8內六角機絲螺釘擰緊固定（詞條“固定”由行業大百科提供），上下圓盤夾具形成一個環形槽，多個不銹鋼T型滑塊與圓盤夾具穿插咬合連接，T型滑塊另一端與不銹鋼耳板通過∅14銷軸連接，耳板通過不銹鋼方板與不銹鋼圓管套芯焊接固定。M30不銹鋼全螺紋螺桿一端與下圓盤夾具連接固定，另一端與∅89×8圓管通過六角螺母連接固定，∅89×8圓管作為底座固定焊接在主體鋼結構上(圖2.6、圖2.7)。
本支座系統的特點為：T型滑塊可對采光頂龍骨進行幕墻平面（詞條“平面”由行業大百科提供）上的角度調節，即適應玻璃面板角度變化的分格要求;耳板銷軸可對采光頂龍骨進行垂直于幕墻面方向上的角度調節，即適應玻璃面板擬合曲率變化的雙曲面采光頂效果;圓管底座與調節螺桿配合，通過螺桿上的螺母調節可進行采光頂與主體結構之間高度調整(圖2.8)。
2.2.2多維調節支座與采光頂龍骨的連接
采光頂龍骨為鋁合金型材，支座系統中與采光頂龍骨連接的套芯設計成圓管的形式，鋁合金龍骨內腔設置與圓管套芯相配合的圓形構造(圖2.9)，支座圓管套芯與龍骨連接后進行螺釘鎖緊固定。通過此連接構造可以看出，此多維調節支座可作為一個標準化設計的支座系統，適應與各種截面樣式的龍骨型材連接，且保證了采光頂的水密性（詞條“水密性”由行業大百科提供）、保溫（詞條“保溫”由行業大百科提供）性能。系統構件（詞條“構件”由行業大百科提供）的標準化生產應用可大大減少了材料開模成本、便于批量生產加工、降低了施工難度，大幅度提高了作業效率，降低了工程造價。
以一套支座系統適用于多種形態復雜采光頂的設計及施工，實現了異形建筑外圍護結構體系的構配件標準化設計，適應性強(圖2.10~圖2.12)。
2.2.3玻璃面板
該系統玻璃面板為8+1.52PVB（詞條“PVB”由行業大百科提供）+8+12Ar(氬氣)+8mm厚中空鋼化雙銀LOW-E夾膠玻璃，主要為三角形玻璃，既可保溫隔熱，又可滿足造型、采光要求。玻璃面板與鋁合副框之間采用結構密封膠粘接，鋁合金副框與龍骨通過壓塊進行固定連接(圖2.13)。
3、采光頂提料及加工
3.1 面板及龍骨提料
整個項目中有幾萬塊玻璃板塊，采取基于BIM技術進行參數化提取加工數據，對幕墻模型進行數據收集并進行參數化建模，整個模型面板、龍骨提料工作會按照參數化流程圖變得智能化，自動進行面板編號、標注尺寸、統計及歸類、加工尺寸數據導出等，整個過程大大提高了工作效率及精確性(圖3.1~3.3)。
3.2 采光頂構件加工
3.2.1 圓管底座的加工
圓管底座作為主體鋼檁條結構與采光頂系統的連接件，起著承上啟下的作用。異形采光頂雙曲面造型能否呈現順滑自然的效果，圓管底座的精確加工及安裝十分重要。
為了使∅89×8圓管底座有效地和M30螺桿有效連接，圓管一端需要與錐形管焊接縮小連接口徑;另一端需要根據與主體鋼結構的接觸面弧度大小進行弧形切割，由于主體鋼結構的安裝可能存在誤差，當模型數據和測量放線存在偏差時圓管底座需要二次加工。此環節鋼圓管底座的加工控制重點是鋼圓管的放線，設置一套科學合理的放線方法，準確進行鋼方管底座加工，為采光頂的安裝打下堅實基礎(圖3.4)。
3.2.2 多維調節支座構件的加工
多維調節采光頂支座組件包括圓盤夾具、T型滑塊、耳板、鋼方板、圓管套芯、M30螺桿和∅14銷軸等組件。
上下圓盤夾具通過4個M8內六角機絲螺釘緊固，圓盤夾具需要銑孔加工，全螺紋螺桿一端與下圓盤需進行連接固定。T型滑塊與耳板通過銷軸配合連接需要銑孔加工。耳板、鋼方板和不銹鋼圓管焊接成一體件，加工后的不銹鋼支座組件單個個體需進行組裝成完整的支座體系。支座系統采用不銹鋼鑄件等組件，能夠有效提高系統的安裝精度(圖3.5)。
4、采光頂施工
4.1 BIM技術在施工階段的應用
利用BIM參數化技術，可自動快速地生成施工三維坐標控制點(圖4.1)，要比傳統模型逐一取點坐標的效率高很多。參數化建模技術進行施工模擬及指導現場施工，在本項目中，利用參數化建模技術迅速生成幕墻的面板，龍骨，支座及零件等實體模型，給現場幕墻施工提供參考，以保證工程施工達到最理想效果(圖4.2、圖4.3)。
4.2 施工過程
4.2.1 施工測量放線
在對主體鋼結構進行測量前要編制測量計劃，現場確定模型定位基準點的位置，結合工程特點對所測量對象進行分區，制定各分區測量方法，然后進行綜合統籌，全方位進行測量過程控制。
按建筑外形及幕墻面板所在位置，將本項目分為2個施工區(圖4.4)，從主體框架實體模型中抽取兩個分區交點坐標、在每個分區中按每軸線間3-5個點在每層樓結構標高處抽取測量點，將控制點坐標、放樣點坐標等計算數據輸入全站儀內存，調用全站儀內置程序自動計算控制點至各放樣點的方位角、距離等測量數據，放出各節點具體空間位置，將復測結構反饋設計師，根據結構實際偏差情況調整主體結構框架實體模型。
4.2.2 施工前準備
施工前對工程的技術資料、工具、器具、材料、人員、機械、臨時設施做好充分的準備。對所用到的原材料進行復驗。
對施工人員進行技術交底，應先做樣板，經公司質管部、技術部批準后組織進場。
對照幕墻系統設計，復查主體結構的施工質量。因為主體結構的施工質量如何，對骨架的位置影響較大。特別是結構的平整度偏差，將影響整個幕墻的平整度。所以，放線前，要檢查主體鋼結構的施工質量。根據主體結構的施工情況，最后調整主體結構與幕墻之間的連接，以便確保安裝工作順利進行。
4.2.3施工工藝介紹
主體結構為空間曲面鋼網架結構，為確保安裝質量以及最終室外效果的實現，與主體鋼結構焊接的圓管底座定位準確是關鍵，根據設計師提供的三維模型坐標進行測量放線;通過測量放線確定圓管底座安裝位置，點焊臨時固定位置，測量檢查三維空間誤差，驗收合格后對稱滿焊固定，并對焊接破壞位置進行防腐處理;接著進行調節支座、龍骨、面板等的安裝。
(1)圓管底座安裝
本工程主體結構為空間曲面鋼網架結構，∅89×8圓管底座焊接在主體鋼結構的∅180圓管鋼檁條上。為確保安裝質量以及最終室外效果的實現，∅89×8圓管底座焊接點定位準確是關鍵，圖示中綠色陰影為多維調節支座的圓管底座在檁條上的理論點位(圖4.6)。
根據設計師提供的三維模型坐標進行測量放線，本項目通過對幕墻表皮的進行曲面劃分優化，并利用參數化技術自動快速地生成施工三維坐標控制點。通過測量放線確定圓管底座安裝位置，點焊臨時固定位置，測量檢查三維空間誤差，驗收合格后對稱滿焊固定，并對焊接破壞位置進行防腐處理。
當出現檁條偏差的現象，需對檁條進行調整，進行點位的二次復核。如偏差情況未解決，繼續對檁條進行調整，進行點位的三次復核，以此類推直至滿足設計要求。此次是鋼構檁條水平方向的調整(圖4.6)。
為確保安裝質量以及最終室外效果的實現，待鋼結構檁條調整完畢后，需采用全站儀打點安裝多維調節支座圓盤組件，只有保證圓盤頂部點位的準確，才能保證裝飾效果以及外觀質量。現場施工人員需將組裝好的多維調節支座打點定位，發現如檁條突起的情況，需標注突起的尺寸，將圓管底座進行切割，切割完畢后在重新打點定位。
為了保證結構安全需對鋼結構已安裝完成的檁條進行復核，確保多維調節支座的圓管底座與檁條連接部位有效的接觸面積，進而通過焊接質量保證結構安裝。如出現檁條與多維調節支座錯位超過設計要求，需對檁條支架進行切割調整補焊(圖4.8)。
(2)多維調節支座的組裝
進場的多維調節支座連接件為單個個體，需現場進行組裝。在對進場材料嚴格把關后，將編號6：內六角機絲螺釘進行逐一拆除，取掉編號4：頂部圓盤夾具，按照設計要求放置編號7：T型滑塊，T型滑塊根據龍骨位置在圓盤夾具環向調整最終確定滑塊的安裝角度;再將4：圓盤夾具進行恢復，將編號6：內六角機絲螺釘采用扭矩扳手進行緊固;再安裝編號9：耳板與套筒組合件，根據立柱的安裝方向可通過編號8：銷軸對耳板組合件進行方位調整并固定(圖4.9~4.11)。
(3)龍骨安裝
根據幕墻龍骨平面分格定位圖放鋼絲控制鋁龍骨的進出、分格;按龍骨立面布置圖備料(龍骨、連接件、插接件、尼龍墊片、M12不銹鋼螺栓、不銹鋼螺帽、鋼方墊片);按鋁龍骨安裝節點大樣立豎龍骨(控制好標高);校核龍骨分格、垂直度，分格、標高是否能閉合。龍骨通過與連接支座的不銹鋼套芯固定完成安裝(圖4.12)。
(4)玻璃安裝
龍骨調整完畢后安裝玻璃面板。
施工準備，檢驗玻璃板塊規格、色差、使用位置等→玻璃初安裝，調整方向、將玻璃就位、對槽、進槽、對膠縫→對板塊進行調整完成面→對玻璃板塊進行固定，用橡膠塊固定→打密封膠→檢查驗收(圖4.15、圖4.16)。
(5)電動開啟扇安裝
施工前先對基座的平整度做檢測，基座的對角線誤差不大于2㎝，水平平整度誤差不大1㎝。將傳動軸安裝固定，把電機與傳動軸連接固定;將窗體置于基座上，并將窗體與基座間連接固定;用齒條將窗扇與傳動軸連接，緊固;電機控制系統連接調試(圖4.17)。
6、結束語
多維調節異形采光頂技術，以其特有的多維調節支座設計、標準化設計、BIM參數化技術在設計、加工、施工階段的成功應用，使我司在曲面采光頂技術領域取得新的突破，同時為類似空間異形曲面的建筑幕墻提供更先進的技術解決方案。此外，本多維調節支座系統已獲得國家實用新型專利：一種采光頂連接支座系統。
完工后的內蒙古少數民族群眾文化體育運動中心一期工程，包括多功能主體樓、亮馬圈和看臺樓。成為呼和浩特市的地標性建筑，屹立于廣袤的草原上，它像一只展翅翱翔的雄鷹，又像一位蒙古族搏克手蓄勢待發。人們站在萬畝草場仰望于它，可以感受到濃濃的蒙古族文化與現代建筑文明的完美融合。
作者單位：金剛幕墻集團有限公司
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