墙顶一体化异形曲面石材施工关键技术

2021-11-05赵文斌

建筑施工 2021年7期

关键词：双曲面镀锌钢架

赵文斌

上海市建筑装饰工程集团有限公司上海 200072

随着我国经济、科学水平的不断提高，建筑装饰装修工程中出现了越来越多的异形曲面复杂造型，在提升了室内空间艺术欣赏价值的同时，对建筑装饰装修施工单位的技术管控能力和施工管控水平也提出了更高的要求。

某项目大堂采用墙顶一体化异形曲面石材的设计，造型独特，简约大气，在国内外建筑室内装修设计中尚无先例，在建筑装修施工中也开创了石材施工技术之先河，本文将在此实践基础上进行一些总结和探讨。

1 工程概况

某项目大堂设计为墙顶一体化石材造型（图1），整体由下向上呈六面体发散形状，由平板、单曲面、双曲面这3种规格的石材组成。

图1 墙顶一体化石材造型

墙面石材由地面至3.2 2 m 高度，顶面石材由3.22～9.22 m逐渐呈曲面发散升高。墙面采用厚30 mm石材，干挂件安装；顶面采用厚18 mm石材＋厚20 mm铝蜂窝复合石材，定制背栓[1]挂件安装。石材共3 534块，总面积约2 035 m2。

2 技术管控

2.1 基层钢结构设计

基于本项目大堂墙顶一体化异形曲面石材的设计造型，其基层结构也必然需要与其外观造型保持一致，与普通钢架转换层不同，为防止钢结构失稳[2]，本项目需特别考量基层钢架的稳定性与结构安全性。

本项目钢结构分为3种形式并相互连接为整体：墙面钢结构采用10#镀锌槽钢作为主龙骨，采用5#镀锌角钢作为副龙骨；顶面单曲面区域采用120 mm×60 mm×5 mm镀锌方管经工厂热弯成形作为主龙骨，φ50 mm×5 mm铝合金圆管工厂拉弯作为副龙骨。

为保证钢结构整体稳定性，主龙骨之间采用50 mm×50 mm×5 mm镀锌方管间距2 m横向连接作为横撑龙骨；顶面双曲面区域（角部区域）为保证结构受力稳定性，采用定制H型钢主次梁转换层作为主龙骨连接和受力单元（图2），并且转换层主梁直接落地与地面预埋板铰接连接，副龙骨与单曲面区域相同且连通。

图2 双曲面区域H型钢转换层

本钢结构形式经有限元受力分析软件Midas/Gen进行仿真模拟，其结构稳定性和安全性均满足钢结构安全验算规范要求。

2.2 石材安装可调构件设计

基层钢结构和石材在生产和安装过程中都不可避免地存在一定误差，而且异形曲面的造型设计使得钢结构安装和石材安装的定位难度都远高于普通石材施工，所以副龙骨和主龙骨的连接件、石材和副龙骨的连接件都必须设计为（多维）可调节构件，才能在施工过程中及时调节误差，保证石材曲面造型的弧度平顺，达到设计效果。

为满足构件可调节的目的，除主龙骨与副龙骨之间采用L形角码通过腰孔进行副龙骨的定位调整外，还设计了一种可多角度调节的组合式铝合金抱箍连接件用于石材安装时的误差调整。

通过抱箍件，可以实现石材板块在圆弧方向转动，通过与抱箍件连接的定制下挂角码和定制上挂角码上的腰孔可以实现石材板块的前后调节，通过背栓挂件在定制下挂角码和定制上挂角码上滑槽内的转动可以实现石材板块的上下调节。

通过这种可以多角度调节的组合式铝合金抱箍连接件，实现了异形曲面石材的整体造型效果，保证了石材安装的质量。

2.3 石材防脱落系统设计

本项目3.22 m以上均为过顶石，为防止石材意外脱落，在原每块石材采用4个背栓挂件的基础上，增加了一道背栓防脱落设计：在石材中心位置间距150 mm增加2个背栓挂点，通过钢丝绳绕过副龙骨把石材与基层钢架连接在一起。这样，在原4个背栓固定点意外失效的情况下，也能保证石材不会坠落伤人，提高了整个过顶石系统的安全性，如图3、图4所示。

图3 防脱落石材

图4 防脱落石材安装

2.4 三维测量放样技术

本项目的造型复杂，但是施工精确度最低需达到GB 50210—2018《建筑装饰装修工程质量验收标准》的质量验收标准，所以不论是在石材加工环节还是现场钢架和石材安装环节，都需要采用三维测量放样技术保证石材安装质量的精确度要求。

以大堂三根主轴线、电梯厅中线和墙面、顶面完成面线为基础组成平面测量控制网，平面测量控制网需保证组成完全对称的正六边形形状，以减小三维测量放样的复杂性和施工管控的难度。

在平面测量控制网的基础上，现场复测土建标高及安装设备、管线等是否满足设计的标高要求，在现场条件满足设计标高要求或根据现场条件调整标高后，以平面控制网数据和标高数据为基础进行BIM建模[3-4]，BIM建模采用实际石材板块尺寸进行1∶1模拟，并从石材完成面对基层钢架及连接件进行反向建模，从而形成对现场实际工况的真实模拟。

建模完成后的模型数据作为钢架加工、石材加工、钢架安装、石材安装的统一数据来源，并作为施工质量控制的检查标准。在石材加工时，工厂将模型数据导入专业数控加工软件以生成石材板块和铝板板块分割图，从而实现异形曲面石材的数控加工；钢架加工时，其加工数据同样由模型数据导出，作为钢结构型材的加工和验收依据；钢架安装时，每段型钢龙骨位置的三维坐标点均从模型导出，现场引至相应空间位置，从而实现钢结构安装时的空间定位（图5）。

图5 钢架定位数据

在石材定位板块安装时，同样采用模型数据进行石材板块的空间定位（图6）。

图6 石材定位数据

3 施工管控

3.1 石材加工

本项目石材为铝蜂窝＋石材复合而成，由项目部提供BIM模型给蜂窝铝板工厂，铝板厂将模型数据导入异形铝板加工软件解析石材加工数据并生成石材及铝板加工图，石材工厂根据石材加工图数据采用五轴雕刻机对石材进行三维数控加工，铝板工厂同样采用多点触控设备进行蜂窝铝板生产，最后在铝板厂将石材和蜂窝铝板采用专用胶水进行真空复合黏结。

根据石材安装的顺序，将石材加工分不同批次进行安排，确保石材加工流水与石材安装流水节拍相符。除3.22 m以下为一个批次外，3.22 m以上根据石材安装顺序分为6个批次进行加工生产（图7）。

图7 石材加工批次

3.2 基层钢结构安装

3.22 m以下的基层钢结构安装为传统做法，本文不作叙述，3.22 m以上钢结构施工分为两部分进行：双曲面部分和单曲面部分。

3.2.1 双曲面部分钢结构安装

如前文所述，为保证双曲面区域钢结构稳定性，需采用H型钢转换层的做法。每个角部区域纵向采用3跨H型钢作为主梁，每跨主梁分为4段拼接而成，下端落地安装，与地面预埋板采用高强螺栓铰接固定，以便调节钢结构自身的伸缩变形，接头处焊接处理并采用钢板连接板加强，焊缝等级为二级。

3跨主梁之间采用同规格H型钢作为次梁进行横向连接，主梁与次梁采用定制钢板通过高强度螺栓连接固定（主梁与定制钢板焊接固定）。

转换层主次梁与原建筑结构钢梁通过定制镀锌方管两端焊接固定，使用镀锌翼板加强焊接，主次梁根据模型数据在工厂预制加工，现场安装时采用小型卷扬机提升就位，定位数据从模型数据中导出并由放线人员现场复核确认。在主次梁之下进行主龙骨、次龙骨的安装，其加工与安装方法与主次梁相同。

角部区域双曲面位置主龙骨与转换层次梁焊接固定，单曲面区域主龙骨与结构楼板上预埋钢板通过定制镀锌方管两端焊接固定。次龙骨为φ50 mm×5 mm铝合金圆管，在工厂拉弯制作。次龙骨与主龙骨通过L形转接件和抱箍件连接固定，通过转接件腰孔可对次龙骨进行最大30 mm的调节。

3.2.2 单曲面部分钢结构安装

单曲面区域钢结构受力稳定，不需要采用型钢转换层结构，主龙骨采用定制镀锌方管工厂热弯成形，现场拼接而成，主龙骨通过定制镀锌方管与楼板两端焊接固定。为保证主龙骨不发生水平位移，主龙骨之间间隔2 m采用50 mm×50 mm×5 mm方管作为横向支撑。副龙骨与主龙骨连接方式与双曲面部分相同。

3.2.3 石材安装

3.22 m以下石材采用插槽式干挂，3.22 m以上采用背栓干挂，每块蜂窝石材采用4个背栓挂点安装固定。为保证每排石材横向水平直线度，需先进行角部区域双曲面位置石材安装，以此作为定位板块，然后进行单曲面区域石材安装，角部定位板块安装时根据BIM中数据进行定位复核并保证六个角部区域每排定位石材高度完全一致，单曲面区域每排石材安装时拉通线，确保水平直线度不大于0.5 mm。

每块石材安装时，先临时固定上下4个抱箍件并安装定制下挂角码和定制上挂角码，然后将安装好背栓挂件的石材板块就位试装，若存在偏差，可通过抱箍件的转动和定制下挂角码或定制上挂角码上的腰孔进行上下和前后方向上的微调，直至待安装石材与下方和相邻石材板块齐平，最后将抱箍件螺栓和角码螺栓拧紧固定，完成石材板块的安装。

石材板块固定就位后，将石材防脱落钢丝绳绕过副龙骨拧紧固定，此道工序可有效防止背栓挂件意外失效后的坠落风险，增加了顶面石材的整体安全性。