不规则双曲面蜂窝铝板屋面装配式建造技术

打印 0条评论来源：建筑技术杂志社

中关村论坛永久会址主会场项目的建筑造型充分考虑了“三山五园”地区自身的环境特点，用覆土建筑的方式大胆创造了无北立面的建筑，建筑伏于大地之上，由北向南缓缓舒展。从不远处的三山向会址方向远眺，建筑体量消隐于城市中，绿色屋面以含蓄谦逊的姿态融入三山五园大环境中，成为其在城市内的绿色延伸。建筑屋面外沿采用设计了双曲蜂窝铝单板幕墙体系，由下向上逐层搭接，形成疏密有致的条形百叶造型，既呼应了场地东侧的城市快速干道，又隐喻着中国的科技发展速度。夜色中百叶被点亮，流动灯带为建筑的稳重增加了动感，动静相宜、相映成趣。

1 工程概况

金属屋面覆盖20 %~60 %坡度的悬挑屋盖区域，呈现大面积曲面造型，面积6 000 m2，1 000余种不同规格尺寸的蜂窝铝板自下而上层叠布置，整体如海浪层层叠至沙滩的装饰效果。不规律曲率变化导致铝板龙骨倾斜不规则、生根于结构的支撑龙骨标高尺寸各不相同、铝板体系复杂，如何实现高效精准安装，是深化设计和施工阶段首要解决的难题。

2 参数化设计辅助双曲蜂窝铝板深化

使用Rhino及grasshopper对建筑表皮及金属屋面进行全参数化建模控制，结合金属板可实施尺寸、条形百叶、泛光灯带等综合判断，搭建参数与视觉效果联动，最终形成极富飘逸和动感的建筑效果。

3 主要施工方法

3.1 金属屋面系统深化设计

复杂曲面设计难点在于表皮的生根固定问题，即如何将表皮通过龙骨固定到土建结构上。常见铝板固定方式为四边固定或背筋挂接固定，但本案板块之间为无规律变化，高低、弧度、缝隙及距离结构面的尺寸均在因形体变化而变化，若采用常规方式固定表皮，则会遇到较大的定位及安装难度，因此为降低以上遇到的难题，研发出一套单元式幕墙体系，将龙骨面板预制成一体，施工现场一体化安装，降低施工难度提高安装效率。

在保持原有表皮机理的前提下完美实现建筑屋面外观效果，通过创新龙骨体系选型和大板块单元体的设计，将多个小的板块整合成一组大单元板块，提高了安装精度及效率。此项技术创新性地应用了扇形发散状支撑龙骨体系，将原2道生根龙骨简化为1道龙骨，实现了每块蜂窝铝板只需要对应自己的龙骨固定，将面集中到一个点，再将点连成线，简化因无规律且变化值较大带来的龙骨与面板难以有序匹配的问题，龙骨体系设计原理灵感来自凹面镜聚光原理。通过线状龙骨支撑杆件形成三角稳定结构，巧妙地解决了板材加工偏差及表皮简化带来的与原表皮的偏差问题，通过调整支撑杆件的长度及角度可以适应不同形状的弧形表皮，大幅提高了龙骨体系的通用性。

为了高精度实现现场安装定位，整套幕墙体系设计可调角度、调高差等任意方向调整的转接系统，通过两步龙骨体系实现面材安装需要，设计理念新颖独特，如图1所示。

图1 幕墙体系设计示意

3.2 不规则双曲面蜂窝铝板制造技术

由于表皮处于自由曲面状态，每块独立的板块都需要进行四点定位，每个单元板块中的定位尺寸均为不规则变化数值，通过定义相对坐标的方式对每块面板进行独立定位。将工装平台定义为水平面，主龙骨作为轴向坐标轴，每块板块相对坐标轴进行三维空间定位。不规则双曲面蜂窝铝板幕墙板块是由铝龙骨体系和25 mm厚蜂窝铝面板组成，将2~3块蜂窝铝板集成到一个龙骨体系上成为一樘单元，装配组装要求主龙骨始终处于水平状态放置，每个断面设置3道次龙骨支撑杆集中连接到主龙骨上，其中竖直向上的杆件与主龙骨固结，其余2根杆件铰接，以适应多种弧度及板预埋件偏差。

应用定制工装平台及调整方法实现了龙骨体系定型尺寸控制，并通过龙骨完成了面板定位安装。此作法施工效率高，单元式构件在制造车间组装便捷，组装精度及生产效率有保障。

3.3 不规则双曲面蜂窝铝板装配式施工技术

（1）根据返尺下料及定位精确测量放线。基础钢托座及转接支座安装时，根据BIM模型提取100 mm×100 mm×5 mm镀锌钢管顶部中心的理论坐标点，通过全站仪进行坐标点放样并将点位标记在主体结构上，等于找到了钢托座所在位置。另外，通过点位数据测量可计算出钢托座所需的实际安装长度，根据此数据准确下料，可满足不同高差所需求的材料长度，有效解决了钢结构不均匀沉降偏差的影响，为今后幕墙工序安装奠定了基础。

（2）“套筒”设计，伸缩自如。转接钢支座与钢托座以“套筒”配合的设计思路，进一步精确提供所需标高点位，为今后的幕墙龙骨工序提供必要的安装基础。转接钢支座是由120 mm×120 mm×5 mm镀锌钢管和10 mm厚镀锌钢板焊接组合而成，转接钢支座套入钢托座可实现±50 mm的高度调节，可满足多种高度尺寸调整要求，减少了材料规格，提高了利用率和安装效率。

（3）设计檩条，优化钢托座。受主体结构提供生根点的限制，幕墙龙骨成环向布置，幕墙龙骨的生根点需要与主体钢结构重合，幕墙预埋件要穿透楼板与主体钢结构相连，为减少幕墙生根点穿透混凝土楼板的数量，设置檩条解决此难题。檩条是与单元体主龙骨呈十交叉方向的存在，其目的就是要便于单元体的生根连接，主体结构形体变化全部由檩条消化，施工完成后有序布置檩条，檩条上表皮都在同一个完成表面。檩条由截面为120 mm×80 mm的铝合金龙骨担当，从BIM模型提取铝合金龙骨端头的理论坐标点作为控制点放样，可进行倾斜方向、高差等调整，安装尺寸符合要求后，通过螺栓与钢托座的转接支座连接，满足下一道工序施工需要。

（4）可旋转支座安装。该项目的单元体支座是由两套铝合金π形件通过螺栓连接组合而成，相互之间在平面内可旋转±15°，能适应75°~105°范围内旋转安装，此创新设计思路极大地便利了异形复杂单元体的就位安装，不仅解决了常规思路的三维方向尺寸调整，而且增加了相互之间平面内旋转角度调整。而常规支座一般设计为单一件，或两件之间可进行简单的相互位置尺寸调整。使用时铝合金π形底座固定不动，但开有4个环形长条孔，铝合金π形盖板开设对应圆孔相对旋转，即可实现不同角度安装需要。屋面蜂窝铝板单元整体为环向叠式曲面，每块单元体的朝向角度均不相同，这种创新设计“支座”体系，解决了幕墙安装所需角度等调整难题。

（5）单元体装配式施工。蜂窝铝板单元体最长可达到6 m，每樘单元都是扇形构造，骨架由铝合金龙骨拼接而成，支撑骨架长，如骨架受力不均匀可能导致整体板块变形。经分析构造特点优化设计后，每块单元体仅需要两个点的定位，方便现场的安装，根据单元体构造情况，创新性地设计了可吊装骨架的吊具，在起吊时保证单元体均匀受力稳定。吊具由80 mm方钢管加工成U形，根部设计为2个夹持钢板，通过螺栓锁紧在主构造骨架上，吊骨架而不接触材料面板，保证了吊装过程构件的稳定，而且此套吊具拆装方便，加工制作相对简单，操作高效方便。

吊运单元体板块至安装面，将大单元板块主檩条放置在铝合金倒π形卡槽内，进行单元体微调，使单元体与理论坐标相匹配。调整完成后，铝合金倒π形卡槽上部用铝合金抱箍型材卡具进行顶口封堵，使用不锈钢自攻钉将抱箍型材与铝合金倒π形卡槽相连接，防止长时间移动，每个单元板块至少需要两个固定点，最后完成单元体装配式定位安装。

根据幕墙施工平面图放样测算，安装区域可用汽车式起重机进行相应吊装。项目管理团队首先策划起重机行走路线，其次组织对支车位置进行地面承载力验算，确保结构使用安全，准备充分后再进行吊装作业。由于单元板块存在一定的相互搭接关系，所以需按顺序吊装，信号工通知起吊过程中，操作人员及下方起吊人员通过对讲机密切配合缓慢起钩，确保吊装安全、有序吊装入位。

4 结束语

中关村论坛永久会址主会场项目的金属屋面铝板不规则双曲造型，采用模型高精度同步深化设计，研发了扇形发散状支撑龙骨体系和多维度可调节支座体系，提高了龙骨体系与双曲铝板的适配性，解决了自由曲面对应曲线龙骨实现难度大、安装效率低的难题；创新性地应用装配式自由曲面屋面单元板块、标准化加工、模块化安装，实现了与泛光和检修装置的高度集成，大幅提高了安装工效，保证了施工精度，确保了施工安全，缩短了工期近1/3，经济效益和社会效益显著，在类似的异形曲面金属屋面施工中具有很好的推广价值。

摘自《建筑技术》2024年12月，张帅，翟巍，付鹏，佟大磊，孙新