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摘要：本文针对内蒙古少数民族群众文化体育运动中心一期工程的亮马圈项目，介绍一种多维调节异形采光顶技术，很好地解决异形空间曲面玻璃幕墙的设计、加工、施工等技术难题。
关键词：异形采光顶，多维调节，标准化设计，BIM参数化技术
1、工程概况
内蒙古少数民族群众文化体育运动中心一期工程总建筑面积约81869.81平方米，本项目包括3个单位工程：多功能主体建筑，亮马圈及看台楼。
在单体设计上，引入“蒙元文化符号”为立面设计主要基调，以曲面的造型为主，立面简洁明快，线条流畅。主体建筑立面采用蒙古包、哈达、吉祥绘纹，形似草原博克手的盔甲战袍，又好像腾飞的雄鹰。这是一个以现代装饰风格诠释特色文化元素的艺术作品(图1.1)。
本文介绍的是其中之一的单体:亮马圈(图1.2)，重点介绍其异形采光顶的设计与施工。亮马圈由玻璃采光顶、采光顶两侧的金属屋面及侧立面竖明横隐玻璃幕墙构成，其中采光顶幕墙面积约5700㎡。该建筑主体为钢网架结构，整体呈扁平椭圆形的半球体造型，南北长158米，东西宽85米，从上往下俯视亮马圈，采光顶呈左右对称的两个扇形结构。造型特点为顶部曲率平缓，向四周曲率逐渐变大，采光顶由建筑顶部中间窄向两侧逐渐变宽，采光顶两侧为金属屋面系统，这样的设计体现了场馆采光与遮阳的巧妙取舍。
2、采光顶设计
2.1建筑造型分析
内蒙古少数民族群众文化体育运动中心一期工程：亮马圈，是一个椭圆形的球体结构，采光顶位于中部，主要造型特点为：呈左右对称的两个扇形结构，顶部曲率平缓，向四周曲率逐渐变大，顶部中间窄向两侧逐渐变宽(图2.1、图2.2)。根据采光顶以上造型特点，首先，建立幕墙表皮并进行分析，充分考虑设计、加工、施工、成本等因素，结合甲方、建筑师的要求，确定对异形采光顶进行三角形及四边形面板划分;其次，采用BIM参数化技术，对建筑外表皮找形，标高、放样曲线、断面曲线均可由参数依据一定数学关系并进行有理化分格。将分格数量、长度、比例等均设置为可调参数，通过参数调整，输出采光顶的分格划分方案;最后，以平板玻璃面板拟合双曲面造型，在可接受的平板（词条“平板”由行业大百科提供）面板拟合偏差范围内，通过多次的表皮分格优化分析，最终确定最优分格方案(图2.3～2.5)。
2.2异形采光顶系统构成
根据亮马圈采光顶的造型特点，经过反复研究论证、参数化模型分析，结合我司多年的异形幕墙技术应用经验，研发了一种多维调节异形采光顶系统(图2.6)。
2.2.1多维调节支座系统
多维调节支座系统：包括上圆盘夹具和下圆盘夹具，上下圆盘夹具设计为凹凸槽嵌套配合连接，并通过4个M8内六角机丝螺钉拧紧固定（词条“固定”由行业大百科提供），上下圆盘夹具形成一个环形槽，多个不锈钢T型滑块与圆盘夹具穿插咬合连接，T型滑块另一端与不锈钢耳板通过∅14销轴连接，耳板通过不锈钢方板与不锈钢圆管套芯焊接固定。M30不锈钢全螺纹螺杆一端与下圆盘夹具连接固定，另一端与∅89×8圆管通过六角螺母连接固定，∅89×8圆管作为底座固定焊接在主体钢结构上(图2.6、图2.7)。
本支座系统的特点为：T型滑块可对采光顶龙骨进行幕墙平面（词条“平面”由行业大百科提供）上的角度调节，即适应玻璃面板角度变化的分格要求;耳板销轴可对采光顶龙骨进行垂直于幕墙面方向上的角度调节，即适应玻璃面板拟合曲率变化的双曲面采光顶效果;圆管底座与调节螺杆配合，通过螺杆上的螺母调节可进行采光顶与主体结构之间高度调整(图2.8)。
2.2.2多维调节支座与采光顶龙骨的连接
采光顶龙骨为铝合金型材，支座系统中与采光顶龙骨连接的套芯设计成圆管的形式，铝合金龙骨内腔设置与圆管套芯相配合的圆形构造(图2.9)，支座圆管套芯与龙骨连接后进行螺钉锁紧固定。通过此连接构造可以看出，此多维调节支座可作为一个标准化设计的支座系统，适应与各种截面样式的龙骨型材连接，且保证了采光顶的水密性（词条“水密性”由行业大百科提供）、保温（词条“保温”由行业大百科提供）性能。系统构件（词条“构件”由行业大百科提供）的标准化生产应用可大大减少了材料开模成本、便于批量生产加工、降低了施工难度，大幅度提高了作业效率，降低了工程造价。
以一套支座系统适用于多种形态复杂采光顶的设计及施工，实现了异形建筑外围护结构体系的构配件标准化设计，适应性强(图2.10~图2.12)。
2.2.3玻璃面板
该系统玻璃面板为8+1.52PVB（词条“PVB”由行业大百科提供）+8+12Ar(氩气)+8mm厚中空钢化双银LOW-E夹胶玻璃，主要为三角形玻璃，既可保温隔热，又可满足造型、采光要求。玻璃面板与铝合副框之间采用结构密封胶粘接，铝合金副框与龙骨通过压块进行固定连接(图2.13)。
3、采光顶提料及加工
3.1 面板及龙骨提料
整个项目中有几万块玻璃板块，采取基于BIM技术进行参数化提取加工数据，对幕墙模型进行数据收集并进行参数化建模，整个模型面板、龙骨提料工作会按照参数化流程图变得智能化，自动进行面板编号、标注尺寸、统计及归类、加工尺寸数据导出等，整个过程大大提高了工作效率及精确性(图3.1~3.3)。
3.2 采光顶构件加工
3.2.1 圆管底座的加工
圆管底座作为主体钢檩条结构与采光顶系统的连接件，起着承上启下的作用。异形采光顶双曲面造型能否呈现顺滑自然的效果，圆管底座的精确加工及安装十分重要。
为了使∅89×8圆管底座有效地和M30螺杆有效连接，圆管一端需要与锥形管焊接缩小连接口径;另一端需要根据与主体钢结构的接触面弧度大小进行弧形切割，由于主体钢结构的安装可能存在误差，当模型数据和测量放线存在偏差时圆管底座需要二次加工。此环节钢圆管底座的加工控制重点是钢圆管的放线，设置一套科学合理的放线方法，准确进行钢方管底座加工，为采光顶的安装打下坚实基础(图3.4)。
3.2.2 多维调节支座构件的加工
多维调节采光顶支座组件包括圆盘夹具、T型滑块、耳板、钢方板、圆管套芯、M30螺杆和∅14销轴等组件。
上下圆盘夹具通过4个M8内六角机丝螺钉紧固，圆盘夹具需要铣孔加工，全螺纹螺杆一端与下圆盘需进行连接固定。T型滑块与耳板通过销轴配合连接需要铣孔加工。耳板、钢方板和不锈钢圆管焊接成一体件，加工后的不锈钢支座组件单个个体需进行组装成完整的支座体系。支座系统采用不锈钢铸件等组件，能够有效提高系统的安装精度(图3.5)。
4、采光顶施工
4.1 BIM技术在施工阶段的应用
利用BIM参数化技术，可自动快速地生成施工三维坐标控制点(图4.1)，要比传统模型逐一取点坐标的效率高很多。参数化建模技术进行施工模拟及指导现场施工，在本项目中，利用参数化建模技术迅速生成幕墙的面板，龙骨，支座及零件等实体模型，给现场幕墙施工提供参考，以保证工程施工达到最理想效果(图4.2、图4.3)。
4.2 施工过程
4.2.1 施工测量放线
在对主体钢结构进行测量前要编制测量计划，现场确定模型定位基准点的位置，结合工程特点对所测量对象进行分区，制定各分区测量方法，然后进行综合统筹，全方位进行测量过程控制。
按建筑外形及幕墙面板所在位置，将本项目分为2个施工区(图4.4)，从主体框架实体模型中抽取两个分区交点坐标、在每个分区中按每轴线间3-5个点在每层楼结构标高处抽取测量点，将控制点坐标、放样点坐标等计算数据输入全站仪内存，调用全站仪内置程序自动计算控制点至各放样点的方位角、距离等测量数据，放出各节点具体空间位置，将复测结构反馈设计师，根据结构实际偏差情况调整主体结构框架实体模型。
4.2.2 施工前准备
施工前对工程的技术资料、工具、器具、材料、人员、机械、临时设施做好充分的准备。对所用到的原材料进行复验。
对施工人员进行技术交底，应先做样板，经公司质管部、技术部批准后组织进场。
对照幕墙系统设计，复查主体结构的施工质量。因为主体结构的施工质量如何，对骨架的位置影响较大。特别是结构的平整度偏差，将影响整个幕墙的平整度。所以，放线前，要检查主体钢结构的施工质量。根据主体结构的施工情况，最后调整主体结构与幕墙之间的连接，以便确保安装工作顺利进行。
4.2.3施工工艺介绍
主体结构为空间曲面钢网架结构，为确保安装质量以及最终室外效果的实现，与主体钢结构焊接的圆管底座定位准确是关键，根据设计师提供的三维模型坐标进行测量放线;通过测量放线确定圆管底座安装位置，点焊临时固定位置，测量检查三维空间误差，验收合格后对称满焊固定，并对焊接破坏位置进行防腐处理;接着进行调节支座、龙骨、面板等的安装。
(1)圆管底座安装
本工程主体结构为空间曲面钢网架结构，∅89×8圆管底座焊接在主体钢结构的∅180圆管钢檩条上。为确保安装质量以及最终室外效果的实现，∅89×8圆管底座焊接点定位准确是关键，图示中绿色阴影为多维调节支座的圆管底座在檩条上的理论点位(图4.6)。
根据设计师提供的三维模型坐标进行测量放线，本项目通过对幕墙表皮的进行曲面划分优化，并利用参数化技术自动快速地生成施工三维坐标控制点。通过测量放线确定圆管底座安装位置，点焊临时固定位置，测量检查三维空间误差，验收合格后对称满焊固定，并对焊接破坏位置进行防腐处理。
当出现檩条偏差的现象，需对檩条进行调整，进行点位的二次复核。如偏差情况未解决，继续对檩条进行调整，进行点位的三次复核，以此类推直至满足设计要求。此次是钢构檩条水平方向的调整(图4.6)。
为确保安装质量以及最终室外效果的实现，待钢结构檩条调整完毕后，需采用全站仪打点安装多维调节支座圆盘组件，只有保证圆盘顶部点位的准确，才能保证装饰效果以及外观质量。现场施工人员需将组装好的多维调节支座打点定位，发现如檩条突起的情况，需标注突起的尺寸，将圆管底座进行切割，切割完毕后在重新打点定位。
为了保证结构安全需对钢结构已安装完成的檩条进行复核，确保多维调节支座的圆管底座与檩条连接部位有效的接触面积，进而通过焊接质量保证结构安装。如出现檩条与多维调节支座错位超过设计要求，需对檩条支架进行切割调整补焊(图4.8)。
(2)多维调节支座的组装
进场的多维调节支座连接件为单个个体，需现场进行组装。在对进场材料严格把关后，将编号6：内六角机丝螺钉进行逐一拆除，取掉编号4：顶部圆盘夹具，按照设计要求放置编号7：T型滑块，T型滑块根据龙骨位置在圆盘夹具环向调整最终确定滑块的安装角度;再将4：圆盘夹具进行恢复，将编号6：内六角机丝螺钉采用扭矩扳手进行紧固;再安装编号9：耳板与套筒组合件，根据立柱的安装方向可通过编号8：销轴对耳板组合件进行方位调整并固定(图4.9~4.11)。
(3)龙骨安装
根据幕墙龙骨平面分格定位图放钢丝控制铝龙骨的进出、分格;按龙骨立面布置图备料(龙骨、连接件、插接件、尼龙垫片、M12不锈钢螺栓、不锈钢螺帽、钢方垫片);按铝龙骨安装节点大样立竖龙骨(控制好标高);校核龙骨分格、垂直度，分格、标高是否能闭合。龙骨通过与连接支座的不锈钢套芯固定完成安装(图4.12)。
(4)玻璃安装
龙骨调整完毕后安装玻璃面板。
施工准备，检验玻璃板块规格、色差、使用位置等→玻璃初安装，调整方向、将玻璃就位、对槽、进槽、对胶缝→对板块进行调整完成面→对玻璃板块进行固定，用橡胶块固定→打密封胶→检查验收(图4.15、图4.16)。
(5)电动开启扇安装
施工前先对基座的平整度做检测，基座的对角线误差不大于2㎝，水平平整度误差不大1㎝。将传动轴安装固定，把电机与传动轴连接固定;将窗体置于基座上，并将窗体与基座间连接固定;用齿条将窗扇与传动轴连接，紧固;电机控制系统连接调试(图4.17)。
6、结束语
多维调节异形采光顶技术，以其特有的多维调节支座设计、标准化设计、BIM参数化技术在设计、加工、施工阶段的成功应用，使我司在曲面采光顶技术领域取得新的突破，同时为类似空间异形曲面的建筑幕墙提供更先进的技术解决方案。此外，本多维调节支座系统已获得国家实用新型专利：一种采光顶连接支座系统。
完工后的内蒙古少数民族群众文化体育运动中心一期工程，包括多功能主体楼、亮马圈和看台楼。成为呼和浩特市的地标性建筑，屹立于广袤的草原上，它像一只展翅翱翔的雄鹰，又像一位蒙古族搏克手蓄势待发。人们站在万亩草场仰望于它，可以感受到浓浓的蒙古族文化与现代建筑文明的完美融合。
作者单位：金刚幕墙集团有限公司
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