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作者：中建八局第二建设有限公司 许英琪、王德军、唐兆斌、张昌奇
【摘 要】
本文主要概述了安徽省科技馆项目钻石折面幕墙的形式，着重介绍幕墙深化理念、设计形式及BIM技术在本项目的应用。针对大跨度多角度异形折面幕墙形式及交接位置的重难点处理进行了探究和实践。
【关键词】
钻石折面异形幕墙、多角度异形玻璃幕墙、大跨度钢框幕墙、装配式工艺、BIM设计
一、工程概况
项目单位：合肥市重点工程建设管理局/安徽省科学技术协会
方案设计：美国PSC建筑设计事务所
建筑设计：北京建筑设计研究院
幕墙顾问：苏州柯利达装饰股份有限公司
幕墙深化：中建八局第二建设有限公司装饰与环境设计研究院
施工单位：中建八局第二建设有限公司
该项目位于安徽省合肥市滨湖新区湖北路与台湾路交口西北角“文化场馆区”内。项目东临安徽省美术馆、渡江战役纪念馆、北临安徽省名人馆，一站式走遍各大场馆。南临巢湖，可一览湖畔胜景。项目占地面积约75亩，地上5层，地下1层。幕墙面积约2.9万㎡。项目包括展览教育用房、公众服务用房、业务研究用房、青少年活动中心、管理保障用房等。场馆建成后每年接待量可达200万人次，惠及线上线下约4500万人。
安徽省科技馆整体设计采用了宇宙动态运行的科普理念。从建筑外观可以看到由内及外的空间螺旋曲线，形象展示出宇宙运动的基本形态，以外立面的空间曲线激发参观者探索宇宙的热情。该建筑主要功能为科技类场馆兼青少年活动中心。外形呈现多角度折面效果，整体呈现钻石设计风格。哲学家认为钻石意味着人类生命深不可测的奥秘，恰与探索科技主题相映成趣；钻石作为宝石具有的纯洁、永恒、秩序、祥和等象征含义，表达了对青少年的祝福。球幕影院以地球的造型悬浮于面朝巢湖的通高大厅之中，暗合了科技的主题与“星云”的寓意。
二、主要系统重难点解析
1. 建筑表皮分析
项目划分为外幕墙和内幕墙两大板块。外立面玻璃幕墙、外立面穿孔铝板幕墙、玻璃采光顶、金属屋面、内立面明框玻璃幕墙、内立面钢板明框玻璃幕墙等。
外幕墙系统表皮示意
内幕墙及其他系统表皮示意
外幕墙穿孔铝板区域
外幕墙彩釉玻璃区域
2. 外立面钢结构及板块整体交接分析
该项目外幕墙概念方案由美国哈佛大学建筑系主任科恩教授设计，整体呈现不规则钻石折面效果及质感。外幕墙分格合计9204块，分格形状无规律，大小不同。板块间内倾、外倾无规律倾斜。面板内夹角不同，板块与板块整体之间角度变化亦无规律。尺寸多变不规则的分格给幕墙系统设计工作造成了较大难度，需结合现场的具体情况具体进行综合分析处理。
主要结构设计难点同样在于不规则情况衍生问题，主体钢结构之间跨度较大且连接尺寸角度不规律变化，并且板块之间均为带不同角度、双曲异形折面。结构分析需结合BIM模型导出大量数据进行筛选处理。
幕墙钢龙骨需要在主体钢结构基础上施工，因现场钢结构已施工完成多年，结构沉降变形偏差较为严重，与现幕墙方案分格存在多处错位，且连接悬挑较大。基于项目主体本身的异形及偏差复杂情况，以何种方案与幕墙龙骨连接是一个关键难点。
现场主体钢结构示意
因现场结构情况复杂程度，选用三维扫描形式对主体钢结构进行扫描，以收集精确现场信息。采用PolyWorks对点云数据和原始模型进行对比分析，得到准确的现场结构作为设计及施工基础。
三维扫描钢结构与幕墙分格偏差对比
招标方案为钢结构拉杆连接，因对系统三维调节性要求，该方案难以适应现场钢结构复杂偏差情况。经分析方案表皮模型及现场实测情况，针对项目幕墙龙骨做法进行深化设计，与主体钢构连接采用抱箍方案形式连接。该连接主要分为三部分钢组装件形式安装：连接基座、连接底板、钢龙骨板块。第一部分基座采用25mm弧形板与直径Φ200mm/Φ180mm套管作为与主体结构连接基座，第二部分采用12mm底板加焊加筋肋形式作为与钢龙骨连接板。第三部分为各规格幕墙钢管龙骨。其中第一部分抱箍基座先行施工，依据BIM导出定位点作为施工参考依据。第二部分底板与肋板组装件在工厂完成组装，同时第三部分钢龙骨组装成单元式整体板块，再将第二部分与第三部分龙骨焊接至一起整体安装。采用该系统设计优势在于弧形基座板与现场多种不同直径主体结构圆管连接，并能够实现各个角度的进出调节，连接底板亦能吸收一定平面偏差，以满足现场施工精度需求。同时多个板块交接位置龙骨断开，且板块连接龙骨采用10mm钢插芯连接，以使板块具备一定程度适应主体变形能力。
抱箍连接件三维调节示意
连接件受力计算分析
板块力学分析（所有板块逐一分析确保受力安全）
通过分析表皮，优化幕墙分格，通过不同颜色体现不同位置板块开孔率，与厂家沟通确认后，合并棱线位置过小面板，保证效果前提下减小加工难度。通过模型分析钻石面不同板块的夹角，确定板块之间阴阳角的角度，用于棱线位置做法深化设计及结构计算，以及后期现场安装时的精度控制。
标准做法节点图
三维节点示意
板块间棱线存在多种不同角度连接，板块与板块间交接做法对于整体效果体现尤为重要。初始招标方案为依据角度变化，在板块间使用胶缝或者3mm变尺寸铝板以实现板块间尺寸调节。该方案问题有在多不同角度板块对接时板块缝大小不一，实际效果不佳，且铝板加工及下料困难。经分析考虑统一调整板块间尺寸，将变尺寸铝板调整为统一75mm宽铝板。采用该方案优势在于标准一致的板块缝隙对衬托外立面多角度效果有较好的效果，提料加工相对方便，避免较多异形尺寸交接铝板。
140度阳角做法节点图
200度阴角做法节点图
棱线交接位置龙骨三维模型示意
棱线交接位置统一尺寸后外饰效果图
棱线交接位置现场完工照片
现场施工过程照片
因外幕墙龙骨连接至钢结构上，牵扯连接部位受力需满足主体结构部分承载力要求。因主体结构存在沉降变形，与原表皮偏差较大导致幕墙构件尺寸发生较大变化。经计算发现，直径较小的主体钢结构局部荷载已超出原结构设计最大值。经与结构设计单位多方协调沟通后，采取圆弧套管的形式，针对薄弱环节进行局部补强，以满足结构受力要求。避免了可能存在的安全隐患。
3. 彩釉玻璃应用
玻璃幕墙采用彩釉做法，玻璃配置选用（6+1.52pvb+6）+12Ar+（6Low-E+1.52pvb+6彩釉）中空夹胶钢化玻璃。铝型材选用6063-T5、6063-T6牌号。室外侧氟碳喷涂，室内粉末喷涂，隐蔽型材表面阳极氧化。
玻璃表面彩釉上色并经过高温烧结使油墨完全附着于玻璃上，图案可印制到玻璃上，对建筑外墙玻璃而言，恰当巧妙设计彩釉玻璃的图案和颜色，本项目从23~100%设置11种不同彩釉透光率，以实现外立面钻石渐变效果。彩釉玻璃具有较好的装饰性能，与一定的遮阳功效，以及安全性能。
彩釉图案示意
彩釉大面效果
彩釉效果的实现是通过40*40mm的彩釉点数量变化实现玻璃透光率变化，基于项目的折面及曲面造型，提料时应用BIM参数化方式对材料信息进行批量提取，并使用程序自动生成加工图。大大提高了设计效率，减少了加工时间。同时提前依据参数分析玻璃板块尺寸并沟通加工情况，将较小板块合并防止出现板块不符合工厂加工尺寸范围导致无法加工情况。
BIM参数化提料及导出加工图
玻璃加工时采用网板印刷形式。依据项目玻璃板块尺寸，选用3.4m宽方形彩釉铝合金网框。项目板块无常规矩形板块，全部为带角度多边形及部分弯弧玻璃。故在出基准模板及提料时预先做好模板定位基准点，并依据玻璃与模板相对尺寸作为定位依据，以解决图案定位的问题。其中部分板块因折面角度偏转，导致玻璃与彩釉图案模板相对定位难以控制，经与厂家多轮技术讨论后选用XY定位坐标控制两组玻璃定位点到基准点定位形式，在保证玻璃效果不变的前提下解决了加工的难题。
玻璃生产线彩釉图
4. 穿孔铝板应用
穿孔铝板部分选用4mm双面氟碳喷涂铝板作为面板。穿孔铝板是通过在压力加工制成的面材表面带有各式穿孔图案的纯铝或铝合金材料。在铝板上用不同孔径、不同孔型的孔洞形成图案效果。穿孔铝板是当代建筑设计中的重要元素，具有质量轻、易加工、耐腐蚀、易清洁等优势。且其在设计美学上具有多功能性，并在结构上具有很强的性能，使其成为幕墙行业中实现外饰效果优选。本项目穿孔铝板设置0%-50%合计11种不同穿孔率，从以实现外立面不同位置渐变效果，体现了建筑的艺术性。
穿孔铝板图案示意
穿孔铝板局部效果
穿孔铝板应用过程亦采用BIM参数化提料形式。选用与彩釉玻璃类似的穿孔图案定位形式，依据铝板与图案模板相对尺寸控制图案，再单独出铝板加工图及副框图。加工过程中依据BIM导出图纸作为加工依据。
穿孔铝板加工图示意
穿孔铝板工厂加工示意
折面穿孔铝板幕墙完成效果
穿孔铝板（左）与彩釉玻璃（右）幕墙交接位置完成效果
5. 内立面玻璃幕墙
内立面幕墙存在跨度较大情况，其中3层层高8m，连接件跨度7.5m。常规幕墙铝合金立柱难以满足此跨度受力。经计算分析及效果需求，选用25mm厚氟碳喷涂钢板幕墙夹持铝合金立柱做法。铝立柱与钢立柱中间采用内六角沉头螺栓连接。既满足了受力要求，又达到了室内外饰效果需求。因内立面幕墙外侧大多为穿孔铝板幕墙，存在空气流通。虽属于双层幕墙室内侧，其仍属于室外范围。故玻璃配置选用6+1.52pvb+6Low-e+12Ar+8中空钢化玻璃以满足幕墙热工需求，呼应绿色建筑要求，保证后期场馆使用中的节能效果。
大跨度钢框节点图
钢板龙骨样板效果
精致大跨度钢材选用重型型材加工中心
内幕墙完成效果展示
6. 采光顶与屋面
本项目东南角大厅的球幕影院上侧，为采光顶及金属屋面范围。玻璃采光顶直径16.6m，高4m。依据结构结算结果采用200*100*10mm、200*150*10mm、150*8mm等多种不同规格钢龙骨组合。玻璃配置为8Low-E+12Ar+（6+1.52pvb+6)中空钢化夹胶玻璃。招标方案采光顶收口玻璃采用单片探边，探边尺寸太大且探边玻璃自爆风险增加，优化方案采用3mm铝单板收口。采光顶钢架组装后总重量约28.5吨，该部分钢龙骨在加工厂中加工完成后拼装成一个整体，施工时采用装配式安装，龙骨整体吊装的施工形式。专业化的工厂加工保证了钢结构的精度，避免异形板块框架式安装造成的偏差。
金属屋面采用0.9mm厚 65/430型氟碳涂层铝镁锰屋面板。主龙骨选用180*80*4mm钢方通。因屋面整体带有坡度，与环形采光顶交接位置为设计的重难点。在采光顶周圈设置排水槽及虹吸落水斗，以保证屋面排水的顺畅。并在交接位置设置铝板盖板，在不影响排水的同时防止了落叶及灰尘等杂物堆积影响排水系统。
采光顶与金属屋面龙骨示意
采光顶钢龙骨整体吊装示意
7.项目施工流程设计
（1）项目施工特点及难点：
项目高度45m，外立面幕墙高度42m，幕墙依托于主体钢结构，钢结构距离主体结构距离较大，施工吊篮难以满足各立面施工要求。本工程外立面幕墙为钻石切面幕墙，各单元切面角度不一致，造型复杂，安装精度要求高，安装工期紧。球形采光顶高度45m，采光顶中心点距离幕墙边缘15m，采光顶下方有球幕影院，且球幕影院钢结构已经完成，搭设脚手架困难，采光顶施工组织困难。
（2）大跨度钢结构施工思路分析：
根据本工程的结构形式，结合本工程现场的实际情况，根据方案合理性、安全性、经济性的原则，在满足业主施工进度要求的前提下，本工程外立面幕墙钢结构和采光顶吊装采用汽车吊吊装为主，登高车为辅的方案，根据构件的重量及分段情况，选用200吨、100吨、75吨、50吨汽车吊，及若干型号的登高车辅助吊装，面层玻璃则使用电动吸盘车、吊车与电动吸盘组合的方式进行进行安装。
南立面分片吊装示意图
施工示意图
（3）施工步骤：测量定位-转接件安装-外幕墙钢结构龙骨拼装-龙骨整体吊装-安装与固定
1、放线测量：根据犀牛模型所提出的点位，使用全站仪进行现场的测量放线，布设控制网。
2、转接件的安装：外立面钢龙骨与主体钢结构的连接是根据转接件来实现的，所以转接件的安装精度直接影响我方施工的外立面效果，利用犀牛模型提取每个转接件的坐标点位，进行放线，转接件安装过程中需先在钢结构上点焊抱箍连接底板，完成后进行复核，位置确认无误后，进行满焊固定。抱箍底板固定完成后将套管插入底板连接管中，利用机制螺丝临时固定，龙骨底板则通过测量放线在地面焊接固定到钢龙骨网架上，减少高空焊接量。
3、龙骨拼装：外立面幕墙钢龙骨由加工厂依据设计的料单将材料加工完成运输至现场，现场加工区场地进行硬化或铺设钢板，由施工人员利用胎架，胎架使用300*100，100*100钢管焊接成整体，下方地面压实作为施工面。利用胎架控制整体平整度，在胎架上进行钢结构的拼接，同时为构件下面焊缝提供仰焊空间。依据BIM导出尺寸进行板块焊接拼装。
4、吊装流程：
吊装流程：确定骨架单元位置→吊装定位→单元骨架连接→复核位置、尺寸→转接件满焊
吊装前进行清理及除锈，清理后进行氟碳面漆的涂刷。因外立面钢结构骨架为不规则形状，采用三点水平起吊的方式，吊索直接与钢结构网架固定，在吊点位置焊接200*100*6的方管，突出网架300mm，钢丝绳卡在此钢管与竖向钢框之间。以保证此焊缝只受剪力。利用吊车将钢结构龙骨网架运输到达主体钢结构的预安装位置后，利用固定在主体钢结构上的电动葫芦调整钢结构网架的位置和角度，利用手拉葫芦进行准确的安装定位，在复核无误后，进行焊接固定。待吊装的龙骨网架装配好连接底板，角点位置焊接抱箍套管。
板块吊装计算
板块吊装照片
（4）基于BIM的现场施工管理信息技术：
利用BIM技术，并借助移动互联网技术实现施工现场可视化、虚拟化的协同管理。在施工阶段结合施工工艺及现场管理需求对设计阶段施工图模型进行信息添加、更新和完善，以得到满足施工需求的施工模型。依托标准化项目管理流程，结合移动应用技术，通过基于施工模型的深化设计，以及场布、施组、进度、材料、设备、质量、安全、竣工验收等管理应用，实现施工现场信息高效传递和实时共享，提高施工管理水平。利用公司BIM平台，实现AR技术与工地现场的对接，实现模型指导现场施工。项目配备专业BIM工程师进行驻场设计，配合协调曲面异形环节深化，以及配合现场施工。依托专业深化设计软件平台与相应BIM模型，计算节点坐标定位调整值，并生成结构安装布置图、零构件图、报表清单等的过程。结构深化设计与BIM结合，实现了模型信息化共享，由传统的“放样出图”延伸到施工全过程。采用三维设计软件，将钢结构分段构件控制点的实测三维坐标，在计算机中模拟拼装形成分段构件的轮廓模型，与深化设计的理论模型拟合比对，检查分析加工拼装精度，得到所需修改的调整信息。经过必要校正、修改与模拟拼装，直至满足精度要求。本工程中，我公司将通过测量机器人、三维扫描仪配合BIM模型实现虚拟预拼装。
BIM可视化应用
三、技术总结
本项目大跨度多角度异形幕墙的深化应用及施工设计成功解决了类似项目的设计及安装的技术难题，为业内类似形式幕墙提供了成功案例。在项目各方的协力工作下，成功呈现了方案单位的设计理念，满足了业主及建筑师的需求。
项目位于合肥市滨湖旅游区域，作为场馆区的重要组成部分，为巢湖湖畔增加一处创意的风景线，助力引流合肥市旅游业发展。本科技馆将与各参观人员传达建筑的美学与科技的传承，有利于培养青少年增加对探索科技的兴趣以及科学技术的学习，激励青少年勇于创新，促进广大青少年朋友科学文化素质的全面提高。为科技强国与民族复兴贡献一份力量。
（本文已经作者授权发布，版权归作者所有）
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