論文 | 廣州機場高速主線收費站升級改造項目幕墻工程剖析
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作者：廣州建筑裝飾集團有限公司 宋詠明、伍嘉暉、楊豐亮 本文對廣州機場高速收費站升級改造項目幕墻工程進行了設計剖析，對各系統的幕墻進行重難點分析，闡述了設計思路與設計方案，并結合現場實際情況進行相關設計及施工配合。 幕墻設計、裝飾屋面、BIM技術、Rhino建模運用
廣州機場高速機場站始建于1999年，開通運營超過20年，日均服務車流達11萬輛，是廣州市重要的門戶收費站。隨著經濟社會的發展，原有收費站結構和模式已不能滿足日益增長的交通需求。2021年3月，機場高速主線收費站升級改造工程動工，以提高廣州空港經濟區集疏運能力、展現廣州美麗花城形象。 升級改造項目造型設計獨特，建筑整體的設計概念由華南理工大學何鏡堂院士主導形象設計，靈感來自于粵劇中水袖的造型，極具廣粵門戶特色，以全新的城市門戶形象突顯廣州市歷史傳統底蘊與現代化建設交融映襯的城市特征。建筑總占地面積為11500平方米，整體為近似中心對稱的S型，最高點相對高度為15.8米，建筑結構為鋼結構，主體跨度約150米，單跨最大長度47米,總用鋼量約2620噸，幕墻施工面積約22500平方米。 升級改造項目是在不停止收費站日常運轉的情況下同步推進的，工程期間，機場高速機場站日均車流達13萬車次。為此，項目采用分階段施工、設置臨時收費島、輪番切換收費車道、搭設施工門架等通行保障措施，做到推進項目施工與服務市民通行兩不誤。 本項目金屬屋面幕墻在車道位置，最大寬度為37.6m 、最小寬度為33.5m，尾部寬度為3m。主體為鋼結構，外包鋁板幕墻，頂部設置玻璃通行步道。頂部造型鋁板約14000m2，吊頂鋁板約7000m2，玻璃棧道約300m2。下面筆者對本項目中的頂部造型鋁板及吊頂木紋鋁板進行設計剖析，以供廣大幕墻行業內的工程技術人員借鑒探討。 本項目主體為鋼結構，主要由南北各3根1200*500（300）的彎曲鋼梁及相應的四叉柱構成。彎曲鋼梁間距最大處約6.8米。往兩側逐漸變小。垂直于彎曲鋼梁方向布置屋面檁條（圖2.1），此檁條作為頂部造型鋁板及外挑屋檐的連接主體。 在設計院的初步方案中只表達了造型的邊界位置及基本的建筑造型。未對模型進行分格處理。首先我們對建筑型體分析，得出以下的主要特點：建筑造型為中間高，兩邊低，屋面造型為外傾，檐口為反翹造型。屋面造型不是單一角度的斜面，而是自由雙曲面，角度最小為13°，最大為30°。考慮到曲面鋁板的生產周期較長，不能滿足工程工期要求。通過對曲面的調整優化，能減少曲面鋁板的加工備貨周期，減少安裝施工的工作量。屋面與檐口造型間設置通長的不銹鋼排水槽作為有組織排水的方式。整個屋面的雨水通過外傾的屋面造型匯入到不銹鋼排水槽中，通過整體造型的斜率排到地面。造型中均布5段左右不對稱的凹槽，因此控制凹槽的斜率是保證雨水不積聚的關鍵。 在屋面造型上，基于造價及鋁材采購周期，我司橫向分格采用1.4米作為分格寬度。縱向分格基于建筑體型，及便于施工，縮短工期的目標，提出了更具邏輯性的定義：通過極限狀態13°（斜面傾角最小）分析，凹槽最小排水坡度為5°，反推得出凹槽造型與大面坡度的夾角為8°，同時根據分格控制線定義出凹槽拐點的寬度尺寸及高度尺寸，使得同一分格控制線上，鋁板頂部到鋁板凹槽的高度及寬度均一致。通過此特征點的定義原則即可得出每個控制分格的造型截面，并使鋁板安裝骨架與鋁板完成面有相應的線性關系。使建筑造型由非線性曲面變得有規律可尋。通過對每個特征點的定義重新構筑建筑表皮，微調后的造型（圖2.2）得到了設計院及業主的認可。此模型的調整深化為的最終依據。 本項目鋼結構檁條為間距2米分布，與幕墻鋁板1.4米分格不符，因此在構造設計上，需在鋼結構檁條上，每間距2m布置一道80x4的橫向通長鋼骨架，在80*4的橫向龍骨下方設置鋼管支撐（圖2.3）。在安裝時，先將底部鋼骨架焊接完成，隨后安裝“工”字形及“π”字形鋁合金支座，通過“工”字形鋁合金支座的長圓孔，及“π”字形鋁合金支座的長圓孔，可實現鋁板安裝骨架的多維調節（圖2.4），適應現場底部骨架焊接等帶來的變形誤差。 在鋁板面板的設計中，設置Z形加強筋作為受力構件，L形鋁合金連接角碼同時連接Z形加強筋與鋁板折邊，保證連接部位受力可靠。通過鋁合金安裝角碼與鋁合金連接碼的搭接高度，調節頂底折邊高度與左邊角碼高度。此設計巧妙的通過兩個“L”形連接碼及“Z”形加強筋的連接，實現高度調節，匹配建筑造型變化（圖2.5）。 升級改造項目是在不停止收費站日常運轉的情況下同步推進的，在吊頂施工時，搭設圍蔽施工平臺，保證下方車輛通行安全。 由于施工平臺的阻礙，實際施工施工位置有限，無法通過多個板塊組成整體大單元板塊吊裝，需按常規主次骨架分步安裝。 本工程吊頂采用木紋鋁板作為吊頂飾面。在設計吊頂分格時，橫向分格設為頂部造型鋁板分格寬度的兩倍，縱向長度為吊頂母線長度的16等分。此分格方式與頂部造型協調一致，在后續施工時，吊頂龍骨定位點可由頂層骨架引出，減少現場全站儀放線的工作量。板塊長邊約為2.8米，鋁板短邊長度依據造型變化，最長為1.10米，最短為0.70米。吊頂鋁板總計2000多塊。 同時由于收費站有夜間使用需求，需在吊頂鋁板中設置隨機分布長條燈帶。在深化設計時，對吊頂進行參數化建模，在保證燈帶長度滿足使用要求后，利用Grasshopper的“Random”電池，產生隨機效果，通過調整“Seed”參數生成隨機效果。可組成多種隨機效果（圖3）。 在系統設計時，吊頂鋁板為常規角碼連接，鋁板縫隙采用同色密封膠密封組成防水體系，保證整體外觀一致。幕墻吊頂橫向主龍骨采用80*4的鍍鋅鋼管，幕墻吊頂縱向次龍骨采用L50*4鍍鋅角鋼。幕墻吊頂橫向主龍骨通過吊桿與上部200*100*5的縱向龍骨連接，200*100*5的縱向龍骨與主體箱體梁連接固定。通過骨架的轉換，減少桿件跨度，達到減少桿件尺寸的目的。若吊頂骨架與彎曲鋼梁底部在現場焊接固定，為仰焊操作，是難度最高的一種特殊位置焊接方法，焊接質量難以保證。因此，我司在前期準備階段提出在鋼結構加工廠中，預先在鋼梁底部焊接連接耳板。在鋼結構加工廠中，施工環境較好，焊縫質量更有保障。現場通過螺栓與預留耳板的連接，實現了吊頂骨架的連接固定。 由于本項目幕墻為自由曲面造型，且幕墻連接都依附于主體鋼結構上，所以建立完整的幕墻BIM模型十分關鍵。在早期設計階段能與主體鋼結構進行碰撞分析，提前發現問題，及時調整幕墻造型及構造做法，避免造成后期造型的大幅修改；BIM模型在施工階段，能指導現場施工測量放線及幕墻下料，使項目順利實施。 考慮到本項目幕墻為異型曲面結構，故使用Rhino及其插件Grasshopper創建參數化模型，可以有效優化處理項目中的自由曲面，并且能通過“電池”編程，用平板擬合雙曲面板。通過碰撞檢測，可提前發現幕墻表皮與主體鋼結構的干涉情況（圖4.1）。發現問題時，并提出相應解決方案，避免出現因干涉造成無法實施的問題。本項目中出現干涉情況主要為鋼結構檁條與檐口幕墻干涉及吊頂與四叉柱聯系桿干涉，按結構模型，無足夠空間實現幕墻造型。通過多方討論，最終由幕墻專業微調造型，結構專業調整檁條角度，共同解決碰撞及其余收口問題。提早發現問題并及時解決。 在實際施工階段，通過總包單位提供的坐標定位圖和現場定位點，對幕墻BIM模型坐標與現場實際坐標進行轉換，實現坐標統一（圖4.2）。在工作面移交后，組織測量人員對主體鋼結構的關鍵位置進行測量，根據現場實際情況修正模型并確定施工邊界，并由此確定腳手架搭設范圍及相應的施工放線定位等具體措施。通過修正后的BIM模型，可直接提取幕墻板塊尺寸及對角線等幾何信息，通過編寫相應的“電池”程序，為材料編號并導出加工數據及二維加工圖紙（圖4.3、圖4.4、圖4.5），并作為下料依據，可節省大量時間并提高準確率。 本項目主要特點是建筑形態獨特，采用BIM技術為前期造型分析提供依據，通過三維施工模擬，提前檢測各專業碰撞，提前發現并解決問題，后期運用參數化模型進行提料，快速生成加工數據，并能提高數據的準確性，保證施工時材料能順利到位，為項目順利竣工奠定了堅實的基礎。 廣州機場高速主線收費站幕墻工程已于2021年10月竣工，完美呈現了建筑設計風格和外裝飾效果（圖5）。收費站不僅外觀“大變樣”，更有科技加持，著力打造融合大數據、5G應用、云計算等技術手段，集數字孿生系統、智能收費機器人、收費車道無島化等九項智慧交通建設創新應用于一體的現代智能收費站，通行效率高、通行時間短、通行更便捷，為過往司乘人員帶來更加優質的出行體驗，也進一步擦亮廣州國際交通樞紐的高速“窗口”。“水袖”展開迎八方來客，改造后的水袖形象飄逸靈動，將傳統美學與現代科技充分結合，借助自身的流量優勢弘揚廣東本地傳統文化，彰顯廣州“老城市新活力”的魅力形象。
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