1 概 述
“南充四馆一中心”工程位于四川省南充市，南充地处嘉陵江下游，地势平缓，气候干湿适中，农业物产丰富，蚕桑种植、丝绸生产历来繁荣，早有“中国绸都”之称。因此在2015年政府兴建的“南充四馆一中心”工程，设计上结合原有大剧院建筑(不拆除，不移位)形成中轴对称、两边弧形扩展的建筑主体，建筑俯视外形恰似一只展翅翩飞的蝴蝶[1]，寓意着中国绸都的蚕桑事业“化茧成蝶、展翅高飞”，工程设计效果如如图1所示。
图1 工程设计效果
Fig.1 Engineering design renderings
图2 规划分区
Fig.2 Planning zoning map
如图2所示，“南充四馆一中心”项目是由图书馆(B区下部)、规划展览馆(A区)、科技馆(B区上部)、方志馆和青少年活动中心(B区中部)外加其他多功能区及配套用房构成，包括两个大型单体建筑物(A、B区)和亮丽的中庭风雨广场玻璃(C区)雨棚组成。整个项目占地面积77 490 m2，建筑地下1层，地上4层，建筑面积63 857 m2。A区建筑物最长轴146 m，最高点24 m(图3)。
1—双曲形金属屋面；2—天沟；3—单曲形金属屋面；4—钢化玻璃采光井。
图3 A区长轴屋面系统剖面
Fig.3 Section of long axis roof system in area A
“南充四馆一中心”工程项目的金属屋盖系统面积较大，约有15 000 m2。结构体系复杂，主体结构为钢筋混凝土框架-剪力墙结构体系，柱墙顶上部屋盖采用空间高低不规则钢网架结构体系组成。屋面面层系统造型复杂，网架球节点坐标在三维空间内呈不规则分布，屋面(图4)由两层檩条和三层金属板组成(穿孔压型钢底板、铝镁锰合金直立锁边防水板(图5)和铝单板饰面板)合成，整体在三维空间形成不规则、不对称的自由曲面造型；规划馆和科技馆两个屋面形成中轴对称的蝴蝶翅膀的两翼。整个金属屋盖的球形钢网架结构跨度大、距离结构楼面高、施工难度大。
1—檩条D80×60×3钢方管(表面热镀锌处理)；2—铝镁锰合金直立锁边系统(穿孔率23%)；3—L100高强铝合金固定座(带隔热垫)；4—1 mm厚铝镁合金直立锁边屋面板；5—檐口封面铝板。
图4 金属屋面结构断面
Fig.4 Sectional drawing of metal roof structure
1—1 mm厚直立锁边铝镁锰合金屋面板；2—0.23 mm厚防水透气膜；3—50 mm厚保温玻璃丝棉(容重不小于240 N/m3)；4—高强铝质支架；5—屋面檩条；6—30 mm厚吸音棉(容重160 N/m3)；7—无纺布；8—YX15-225-900型屋面檩条；9—0.5 mm厚YX15-225-900穿孔压型钢板(穿孔率23%)。
图5 直立锁边系统大样
Fig.5 Detail drawing of vertical locking system
2 结构协同变位处理技术
本工程屋盖系统由钢筋混凝土框架-剪力墙与钢网架连接，将钢网架与檩条连接[2]，即有三层薄板、两层檩条的连接。这些材料的材质、构造、形状、厚薄不同，当遭遇外力荷载时都会产生应力、相对位移、伸缩变形等，当变形超过某个极限后都可能发生破坏。设计师通常会把专业范围内的结构和变形处理完善，但对于跨专业和各专业间的临界节点的处理就显得格外单薄，而且对于跨专业的材质属性知识也相对欠缺。
首先将钢筋混凝土框架-剪力墙顶部与网架的固定连接点设计成“球碗型滑动连接”(图6)。在混凝土柱顶埋设一个稍大的空球型钢碗，然后将网架提升到位后放置“碗”内，使网架球既可以在“碗”内有±5.00 mm活动余量又不可能滑动偏移出定位范围，从而解决了混凝土结构与钢结构弹性层间位移角限值不同的相对变形问题[3]。
图6 屋面钢网架施工现场
Fig.6 Roof steel grid construction site
工程中设计单根檩条最长21.80 m，最短1.10 m；单根最大质量约1.50 t，最小0.011 t，长短差值很大。特别是在这样超长的范围内，弧度造型不易形成，热胀冷缩绝对值较大，不易控制。将檩条分段截短，连接点全部落在上悬球节点上，每根横竖檩条都采用一端固定、一端插入式伸缩方式连接如图7所示，即为“预留伸缩缝”原理，实现屋面幕墙造型和檩条变形。
图7 纵横檩条滑动伸缩节点
Fig.7 Diagram of sliding expansion joints of vertical and horizontal purlins
直立锁边系统面板为铝镁锰合金板，且通过压型机器制作成波浪状，使其具有较强的伸缩能力，最外层铝板铝龙骨与直立锁边系统钢龙骨采用同样的活动节点设计，外层铝板缝隙打胶以适应铝板的热伸缩。
直立锁边系统面板为铝镁锰合金板(图8)，且调整压型机器(分条装置)模具在板中间多压制一道波浪状(比常规板多一波)[4]，使其具有较强的伸缩余地，锁边板长方向是咬合折边固定(图9)，这样可自由滑动伸缩，以此来解决大面积变形应力集中的问题。
a—模型；b—制造设备。
图8 改造直立锁边板
Fig.8 Transformation of vertical lock plate
图9 直立锁边板施工现场
Fig.9 Construction site of vertical locking plate
a—扩胶前；b—扩胶后。
图10 屋面铝单板
Fig.10 Aluminum veneer for roof decoration
图11 铝单板面层完成(局部)
Fig.11 Installation completion drawing of partial Aluminum veneer
屋面铝单板及面层完成如图10、11所示，板缝隙施打909硅酮耐候密封胶，该图胶凝固后形成橡胶状缝，利用其的柔性伸缩抵抗温差变形[5]，同时还多一道防水功能。
3 建筑成型度的展现技术
整个屋面结构复杂、造型奇特，整体为不规则的自由曲面，包含15个不同圆心、不同半径的曲面和若干个不规则斜面平滑组成。15个不同圆心、不同半径的曲面造型(如图12、图13所示)包含双向曲面和单曲面，而且双曲面的双向半径、面积普遍都不大，曲面半径越小，弧度越大，加工安装难度也越大。
图12 科技馆控制点示意
Fig.12 Schematic diagram of Science and Technology Museum control point
图13 规划馆控制点示意
Fig.13 Schematic diagram of Planning Musenm control point
金属屋面造型安装根据“微分近似”原理，将整体15 800 m2按照分格控制点分为26个区域，其中有2个顶部平整区、9个顺直施工区。各区面积不同，每区域单独成图、放样，将变形余量在本区域内消化，避免变形积累造成较大偏差；另外有15个半径不同的弧形曲面变形大的部位各自单独成区，单独处理。将自由曲面变为曲面与斜面的组合体，找到曲面的圆心母线和轴线，在计算机上展开放样，核准下料尺寸，编号加工面板，对号安装。对于变化尺寸在5 mm内的面板，统一编为一个号码，安装时利用板缝宽窄调整解决平滑过渡问题。
屋面板在檐口周边将与立面幕墙连接；如图11、图14、图15所示，在(俯视看)弧形转角部位有8 600张铝单板均为双曲铝单板，由于双曲曲率半径很小，各不相同，故加工困难且逐个成模的加工成本高。原设计图中铝单板檩条支点专用铝合金锁夹夹紧铝镁锰板咬合楞边，T码被定位安装(图16)作为支座，通过二层檩条(铝合金龙骨)固定安装铝单板，而支座(T码)间距较远造成檩条太长不适应弧形弯曲。在BIM模型上参照立面幕墙分格对面层铝单板进行重新分格，将双曲部位铝单板檩条整(长)根分段、加密，缩短双曲部位檩条每节长度，以便于起弧；同时细化分解每张双曲铝单板长、宽两方向尺寸，将双向曲面板调整为单曲面板，最后以单曲连接代替双曲，近似以折代曲。采用此微分近似原理很好解决了双曲面板整体安装问题，大大降低了施工难度，缩短了加工工期，节约施工造价，达到了设计效果。
图14 龙骨端部坐标点位模型
Fig14 Model drawing of coordinate point position of keel end
图15 屋面外围铝板模型
Fig.15 Model drawing of Aluminum sheet around the roof
图16 T码定位安装
Fig.16 T component positioning and installation
在使用BIM建模时，发现屋面整体结构和布局中，有许多自由曲面半径小的波谷位置没有设置天沟，根据多年施工经验和实际计算可知，屋面在使用过程中遇到暴雨和特大雨时有翻水漏雨的风险，为此通过优化设计，在场馆蝴蝶两翼中部的位置增加两条天沟，减小了屋面汇水面积，增加了天沟的径流截面面积，保证了屋面不翻水、不渗漏。
4 自由曲面屋盖空间测量技术
本工程直立锁边系统和屋面铝单板面层主檩条定位轴线由15个弧形轴网法向线组成，其中科技馆7个，规划馆8个(图12、13)。主檩条支座檩托与横向檩条连接点是通过空间三维坐标放样确定的。按照以下三步骤可精准控制测量坐标，保证整个屋面系统的成型质量。
1)根据图纸及土建的施工控制点，将控制点垂直牵引至屋面层钢网架球形节点柱顶上(不在楼层面上遥测)，将柱顶标高设定为±0.000 m，实现测量控制网的垂直提升，保证大多数的檩托控制点的坐标值都可以直接测量放线。对于个别视线遮挡不能放线的点，采用在建立的BIM模型上反推点位坐标，利用已测控点反推待测点的坐标，测量后反复复核，确保其准确性。
放样中研制了快捷方便的伸缩测量标尺(图17)，利用球节点的螺栓孔固定，上部连接可伸缩的棱镜尺，能够方便快捷地得到被测点的坐标和转接件的尺寸和倾角。
图17 网架球顶测量示意
Fig.17 Schematic diagram for measurement of grid ball-top
采取高空控制点建网、BIM模型空间定位、改地面(楼层面)遥测为屋顶平面测量，保证每个网架球顶点的安装坐标精准，从而解决了地面测量、高空对接、点多面广、精确控制的困难。
2)采用“分区划片、逐个逐遍测量、整体闭合”的方法，欲定位纵向檩条的安装控制轴线，只需找到控制轴线上的一点和圆心控制点即可确定，在同一轴线上锁定全站仪夹角，输入分布点坐标即可快速定点。
采用BIM模型对轴线尺寸进行精确定位，将金属屋面弧形部分划分为15个测放区，曲形屋面圆心即作为控制点。利用地面场区网和屋顶控制网复核控制点坐标。对于檐口双曲弧形(弯转下去接幕墙立面)部位的坐标点(视线遮挡点)，单方法测控无法完成，则采用“地面网和屋面网共同测量、交汇控制”的方法来实现。
3)主龙骨按法向轴线布设，单线则长约21.8 m、质量约1.5 t。主龙骨支座檩托与横龙骨连接点，通过空间三维坐标放样，确定每一道横向龙骨端部的矢量坐标，该连接点的龙骨端部矢量坐标控制精准，就能保证“以折代曲，以直代弧”的平滑过渡，形成完整的自由曲面弧形屋面系统的骨架。
金属屋面系统坐落在球形网架之上的龙骨金属板面，要想使完成面效果达到设计要求，首先应该保证龙骨的精确定位，测量工程师应逐一对网架球节点的坐标进行复测，将数据输入三维BIM模型中比对，并输出精准的转接件的下料数据指导施工放样。
5 转接件(檩托)安装技术
为了保证测量控制的精准和檩托板安装的准确，经分析论证，将网架上悬球与檩托板焊接方式变更为螺栓连接方式。即在檩托板下焊接高强螺栓，旋进上悬钢球预留的螺栓孔中形成连接。当该节点坐标测量准确定位后，确定檩托板与螺栓的距离，在高强螺栓外套一个短节钢管焊在螺栓球上，另一端焊接在檩托板底面，解决了因高强螺栓直径小而檩托板不稳定的问题(图18)。
图18 转接件(檩托)安装
Fig.18 Installation of purlin bracket drawing
“螺栓连接微调坐标值原理”加“钢套焊接稳固方法”，既简单可行，又能极准确地定位坐标值，还能提高整个屋面的控制测量速度。
6 屋面钢檩条安装技术
本工程直立锁边系统屋面有纵、横向两种檩条类型，均为矩管型钢檩条。纵向檩条安装在网架上悬球节点的檩托板上，横向檩条安装在竖向檩条上，从而完成整体屋面造型的基本构架(图19)。安装方法和安装质量直接影响到横向檩条安装和屋面造型的成型，在檩托板按照前述“螺栓微调坐标”方法安装好后，对檩条均采取“厂内成型加工、汽车水平运输、塔吊吊装就位、葫芦校整对接、螺栓微调(标高)锁紧、固定端头焊接、清除焊疤刷漆防腐”的方法逐根校准安装。
图19 檩条安装
Fig.19 Installation of longitudinal purlins
屋面檩条按照设计的尺寸进行分割，在加工厂内按照图纸翻样和BIM数据进行综合运用，加工成所需弧度造型的檩条。由于金属构件极易变形，可塑性很强，在焊接过程中用手拉葫芦对偏移点进行校正，然后点焊固定，在此过程中复测檩条端部和檩托板的坐标位移，通过檩托板的螺栓丝扣来微调标高，通过螺栓丝扣的套管来微调平面的位移，使其满足标准规范和屋面金属板的造型要求。
在此过程中测量工跟班作业，严格控制每根檩条两个造型端点(最高和最低点)的坐标值，发现误差及时纠正，保证该区域误差不传递、不积累。
7 直立锁边防水板安装技术
直立锁边板铺设前需精确定位安装锁扣件T码(图16)。由于屋面造型的不规则性，锁扣件需根据板宽严格精确定位，经过分析设计制作了三角形靠尺来协助定位安装锁扣件(图20)。该模具由三条钢条焊接成，三角形靠尺长短边长度分别为120 cm与40 cm，两边呈90°垂直，另外一条边用钢条焊接起稳固作用，钢条厚度10 mm。
图20 三角形靠尺示意
Fig.20 Schematic diagram of triangle guiding rule
使用此模具时，靠尺的直角长边为1.20 m，刚好是钢檩条的中心间距，靠尺的直角短边为0.40 m，正好是成品直立锁边板宽度。直接将靠尺与已完成的屋面底层(穿孔钢板)面紧贴，三角形的三个顶点即完成锁扣件(T码)的定位工作之后穿螺栓固定扣件之后撤掉靠尺，再顺序安装下一个定位点。整个安装过程简单、精确、有序，特别适用于不规则屋面直立锁边面板的T码安装。
铝镁锰板直立锁边是在横竖檩条安装完成后通过T码固定在檩条上的。利用屋面不高的有利条件采用溜索滑轮皮带机运输方式，将到场的整板按照每个区域安装，按由上向下依次铺设顺序进行施工，利用架空溜索(图21)的传输带滑轮运输至屋面对应铺设位置就位[6]。这个方法保证了轧制的铝镁锰锁边板在上屋面的运输过程中不变形、不翘曲、不弯折，到位后可顺滑安装。
图21 直立锁边板空中滑索运输
Fig.21 Air slide transportation of vertical locking plate
在平顺的斜面或平面施工能很好地锁边咬合和封水。但是，在曲面情况下锁边就会产生褶皱，尤其是在弧形低谷段和曲面弧形顶段更明显。由于产生褶皱，锁边咬合就不会闭缝，甚至低谷段还可能产生翻边渗漏水的现象，极大降低了封水效果，而且外形也不顺滑美观。故采取以下方法处理：根据预先在BIM模型图上模拟的施工结果，在波峰和波谷段锁边前预先将板边剪开10 mm深的缝，咬合时缝边板子自动重合，从而解决了褶皱问题。在最低的低谷段咬合前，预先还要在咬合板缝内嵌一条1.5 mm厚、20 mm宽的橡胶条，让胶条一并咬合在被锁边内，这样即使低谷段排水不及时(有存水情况)也不会产生翻边渗漏现象。直立锁边板全部铺设完成后(图22)，质检员对板块逐一进行咬合程度检查，尤其在自由曲面段要达到100%检查率。
图22 直立锁边板安装完
Fig.22 Installation completion drawing of vertical locking plate
8 屋面层铝单板安装技术
“南充四馆一中心”项目金属屋面面层为铝单板饰面，整个屋面边沿用8 600张曲面板与立面幕墙衔接，铝单板形状主要为梯形平板、菱形平板、不规则平板、单曲面板、双曲面板。特别是屋面外沿曲面铝单板曲率造型无规律，每一张铝单板尺寸均是唯一的。为达到设计要求的效果，安装时空间坐标点必须准确定位，安装质量必须精准、平整。措施如下：
1)整个屋面铝单板分为26个区域，每区再分凹、平、凸3个段，段内按照先易后难顺序编号。统一编号后，加工计划、铝单板生产、运输验收，提升就位安装均用此编号。统一编号后使得平滑板的生产、安装速度加快，异形板的生产加工期也可以提前，缩短了整体工期。
2)根据分区分段编号办法，订货、加工、安装的顺序也采用先易后难原则。先加工、安装各区各段平滑段的板子，再加工、安装各区各段凹弧形板子，最后加工、安装各区段凸弧形板子。
3)平滑段板子按照区号顺序成排安装，安装工人也可以分组成排，形成“梯次安装”。由于板子编号的唯一性，计划、加工、到达的顺序可控，施工安排也可控，极大地加快了工期。曲面型板子分区安装后，各区按照BIM模型图中编号点位安装，最后预留“区—区板”统一收口。
4)铝单板安装精度控制主要体现在板间缝隙宽窄和四板拼口平整度(图23)。由于梯形及异形平面铝板悬空安装时，移动、定位、精确安装等均很困难，安装队制作了一种“十”字形靠尺来辅助安装铝板。该模具由四条钢矩管“合页状”连接组成近“十”字形状，四条平尺长度为150 mm，厚度20 mm。模具尺使用时因每条平尺的厚度为20 mm，没有方向选择，刚好为板缝宽度，操作人员直接将铝单板平置在矩管檩条上，移动至模具与靠尺贴紧，即完成铝板的定位工作，再将螺钉扭紧即完成安装。由于“十”字形状靠尺四条边是“合页状”连接组成，可根据每4块板的板形(梯形、菱形、不规则等)进行调节，提高工效，保证准确度。
图23 铝单板安装现场
Fig.23 Installation site of Aluminum veneer
5)铝单板与铝单板之间高低差，特别是檐口曲面板弯曲后与立面幕墙板连接的平整度、平滑度、观感效果等是评判最后安装质量的重要指标(图24)。但是该工程由于双曲弧形连接的特殊性，尽管前面施工采用了不少研究的方法和新技术，最后在板-板连接部位总会因为操作工人的个人技术能力造成微量误差。为了消除这“最后误差”，采用了“胶缝加胶垫微调整”的方法对曲面连接部位进行微调整。胶缝使用909硅酮耐候胶嵌缝，嵌缝时，采用竹片削成不同的断面，使胶缝终凝成型后依板-板间形状生成平缝、凹缝、凸缝等，从而平滑过渡板面。胶垫垫在固定板子的“耳板”下，使用不同厚度的橡胶垫(1～5 mm厚)既起到间隔作用又起到微调板-板间平整度的作用。
图24 屋面铝单板安装完成
Fig.24 Installation completion drawing of roof Aluminum veneer
9 结束语
本文以南充“四馆一中心”项目为载体，系统阐述了自由曲面金属屋盖系统的安装技术，集合了设计优化、施工组织和工艺创新的全部内容，融合了异形建筑屋面平面和空间精确定位、屋面异形龙骨制作和安装、曲面铝板安装等多种施工技术，很好地解决了大型场馆金属屋面的施工难题，为金属屋面系统应用在异形空间结构创造了条件，也为类似异形场馆屋面的建设实施提供了参考和借鉴。
[1] 新浪乐居.四川南充“四馆一中心”顶部钢结构工程完工[J].中国建筑金属结构, 2016(6):77.
[2] 许滨.TPO柔性屋面系统在海拉尔机场屋面中的应用[J]. 中国建筑防水, 2018, 403(23):6-10，17.
[3] 赵雄飞,曹胜昔,宫海军,等.河北正定新区园博园主展馆的设计[J].工业建筑,2019,49(7):185-188，184.
[4] 李坤,彭德坤,罗建波.一种铝镁锰屋面板锁边机： CN106988492B[P].2019-04-23.
[5] 罗茜,杨思广.硅酮密封胶及其在建筑行业的应用[J]. 广东建材, 2009, 25(10):80-82.
[6] 王旭东,彭德坤,保善才.一种金属屋面板及其施工方法： CN107090951A[P].2017-08-25.