GRC装饰板系统在天津东疆国际商品展销中心项目中的应用

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  【摘 要】 以GRC装饰板系统在天津东疆国际商品展销中心项目中的应用,简要减少了GRC装饰板系统深化设计、生产制造以及现场安装的过程和控制要点。实践表明,GRC装饰板系统在塑造大型、复杂建筑外形方面能够达到较好的效果,且具备环保节能等综合优势。同时通过三维建模以及BIM集成等计算机辅助技术,可以有效保证GRC系统的设计与安装过程与整个项目的协调一致,并能够明显地提升生产作业效率。
  【关键词】 GRC;装饰板;BIM集成
  1 工程概况
  天津东疆国际商品展销中心项目位于东疆保税港区,占地面积8.6万m2,建筑面积13.7万m2,主体为钢结构结构形式,建筑高度23.9m。为营造独特的海滩商业氛围,项目采用了“碧海行云”的设计理念,主要展现“碧海蓝天新东疆”的意象,融入了“飘逸的浮云、灵动跳跃的浪花”等设计元素,屋顶采用波浪形状的GRC板材,墙体则由不规则的玻璃幕墙以及不同弯曲和倾斜角度的GRC板材组成,如图1所示。
  2 GRC系统简介
  2.1 GRC的优点
  项目中采用的GRC(Glassfiber Reinforced Concrete),中文名称是玻璃纤维增强混凝土,是一种以耐碱玻璃纤维为增强材料、水泥砂浆为基体材料的纤维水泥复合材料。它的突出特点是具有很好的抗拉和抗折强度,以及较好的韧性,这种材料尤其适合制作装饰造型和用来表现强烈的质感。
  在进行项目初步设计时,为体现最初的设计意图,选取了多种外檐装饰材料进行了技术经济比选,最终选定了GRC装饰板。主要考虑GRC装饰板相比其它装饰板材具有如下特点:①能充分体现设计意图,拼接板块相对较大,建筑外形的整体感较强,特别是通过计算机建模等技术的运用,能够通过精确的制作和安装确保设计造型效果;②全部工厂化生产,质量易于控制且环境影响很小,基本无“三废”污染;③自重比较轻,运输和安装方便快捷;④便于维护与清洗,局部破损可在现场用相同材料实现无痕修复,且改进后的GRC板材表面涂装具有自洁功能的防护漆,自洁效果显著,可有效减少后期的清洁护理工作。
  2.2结构型式
  项目使用GRC板面积共计52599.02平方米,由约4500块不同类型的板块组成。整个GRC幕墙体系分为屋面GRC挂板系统,墙面GRC挂板系统,GRC室外吊顶系统等三个子体系。GRC面板结构型式主要采用背负钢框架系统,面板厚度15mm,表面为纯白色,并喷涂了自洁光触媒。
  3 深化设计
  3.1项目外檐是由GRC板材和玻璃幕墙组成的多曲面造型,是目前国内最大型的GRC单体工程之一,复杂的造型对GRC板材及幕墙玻璃的设计、生产和安装提出了更高的要求。为建立外檐结构模型,进而进行准确的受力分析及精确的定位安装,工程人员借助具有三维建模能力的软件Rhino5建立了本项目的外檐分格模型(如图2所示),并据此生成了GRC及幕墙玻璃分缝设计及产品位置编号图(如图3所示)。
  项目使用GRC板的用量巨大,大部分为异形曲面造型,而且从GRC表皮到屋面混凝土这个空间内还集成了多个系统,大部分的空间都需要进行三维设计,为避免GRC系统各部分之间以及与其它系统之间产生冲突和干扰,在深化设计过程中将GRC系统并入到项目BIM系统中进行了统筹考虑。工程人员利用RhinoBIM插件赋予模型构件的类型、材质等相关属性,并将其直接导入到BIM系统核心软件Revit Structure中,建立了GRC支撑钢架的结构模型,在外檐结构建模、受力分析及精确定位安装上取得了较好的效果。在此基础上,进一步通过力学计算确定了典型板块和不同结构位置的安装节点方案以及GRC板材背负钢架的定位尺寸和位置。最后再通过深化设计确定GRC背负钢架与主结构之间支撑桁架和檩條系统的概念图以及更细部的安装连接铁件的设计。
  4 生产制作
  4.1生产流程
  GRC板全部采用工厂化生产,最终形成成品运至现场安装,具体流程图4所示:
  4.2生产控制要点
  4.2.1原材控制
  包括GRC制作原材和钢结构制作原材,因钢结构施工技术相对成熟,施工过程中更加注重对前者的质量控制。GRC制作原材包括白水泥、硅砂、耐碱玻璃纤维等主材以及面层材料、外加剂以及水等。为保证GRC的内在品质和外观效果,耐碱玻璃纤维以及面层材料均采用高质量的进口产品,并经历了严格的试验检测和掺量控制。
  4.2.2模具制作
  模具制作采取木模具和双曲面板复合地膜两种型式,两者制作流程和控制要点基本一致,木模具主要针对平屋腰线局部产品、屋面板部分产品以及中厅飘带落脚处局部能够重复生产的产品,而双曲面板复合地膜则适用于大部分的异形板块。
  由于大部分板块均为异形双曲面板,对放线精度提出了较高的要求,制作时先根据选中的大板块整体三维尺寸,利用三位定点原理、用CAD制图原理按照每500mm间距进行分割,确定每一曲面曲线走势、高度后再进行放样,以确定板块的整体曲面走向。再通过石膏刮制工艺对板块曲面进行5mm左右的整体刮制工作,保证整个板块顺畅、圆润以及三维尺寸高度与设计完全吻合。最后再通过粉刷腻子粉打磨后喷油漆的工艺,进一步提升模具表面的光滑度,确保了GRC板材制作完成后的外观效果。
  4.2.3喷射成型
  GRC生产采用喷射工艺,该工艺能够克服常规GRC生产铺网和预搅两种工艺的不足,可以使玻璃纤维按预定的长度和含量,以两维方向较均匀地分散在水泥砂浆中,从而获得较好质量的GRC,特别适宜制作薄形制品、断面造形灵活性也大。喷射设备主要包括:空气压缩机组、砂浆搅拌机组、螺杆泵机组、玻纤切割喷射机、单臂回转喷射吊架、压辊、脱模剂喷枪、装饰层喷枪、装饰层料搅拌机。其中最关键的设备是GRC喷枪。其中双头喷枪可以使砂浆流束和玻璃纤维束在空中形成一个夹角,散射面积大、生产能力高、适合于较大面积作业。而单头喷枪的砂浆在纤维射流周围喷出,两部分的流束相重合使GRC质量均匀且更适合于制作形状复杂的异形制品。   GRC制作时的喷射方向应该与喷射面呈45°夹角,喷射角度的偏差会引起砂浆和纤维的不均匀分布,影响局部强度。喷射时采用分层喷射,每层厚度为3-4mm,喷射的路径要均匀地纵横交错,即沿水平方向喷射一遍后,再沿垂直方向喷射一遍。每喷射一层,都要干地滚压压实,以排除气泡,提高纤维与浆料的结合程度。
  4.2.4养护
  由于配料中加入丙烯酸乳液,产品可以进行干养护,模具中已完成的产品不需要覆盖,在生产过程中至少要2-4个小时不能有覆盖物。养护温度应维持在13-50℃之间。同时由于低水灰比的GRC薄构件很容易干燥,如果干燥发生在水泥完全硬化之前,水泥的强度不能完全发挥,GRC预制件的特性就会受到影响。为了保证水泥完全硬化,在产品脱模和养护期间,保持环境必要的湿度很重要。
  5 现场安装
  项目屋面GRC系统由带有背负钢架的GRC板和支撑钢结构体系两部分组成。支撑钢结构体系由钢柱、钢梁、檩条三部分组成,梁柱间通过连接板连接固定,檩条通过套管与钢梁上连接板连接,屋面GRC板与檩条通过组合连接件与结构檩条安装固定。GRC屋面系统详细构造如图6所示。
  5.1 GRC支撑柱、梁安装
  屋面GRC系统支撑柱采用口300x14方钢,支撑梁采用H294-H440等四种不同型号的H型钢,在屋面主体钢结构完成安装并验收合格后,根据GRC支撑结构安装布置图的位置与编号按先柱后梁的顺序逐一吊装,也可在地面上拼装,组成扩大单元后进行吊装,再在屋顶进行支撑钢柱与转换钢柱间的对正安装。
  支撑梁的安装要重点控制其标高达到设計要求,减少GRC板的调整间隙,保证GRC板安装平滑、顺畅,若不符合设计要求,需通过在支柱与转换柱支撑面间加垫板或在支撑柱与支撑梁间加塞板来进行标高调整。
  5.2 GRC板支撑檩条安装
  GRC板檩条为圆管檩条,其安装精度必须严格控制,否则GRC板连接点将无法安装,施工的关键是控制檩条的安装位置与标高。安装前用全站仪在钢梁连接板上测出檩条两端的位置及标高并标在连接板上。由于檩条表面焊有安装结点,且檩条与钢梁并非正交,檩条与连接板间需通过连接套管进行安装,以便檩条安装完成后进行角度调节。调节时通过套管旋转檩条,使檩条上连接件处于一个平面后,然后检查连接件位置坐标,无误后将套管与檩条焊接牢固,具体做法如图7所示:
  5.3 GRC屋面板的安装
  5.3.1安装准备
  GRC屋面板在屋面支撑结构的固定点均以坐标控制,施工前先测出每块板每一个固定点位置的实际坐标值,结合理论坐标设计值、GRC板固定点厂家的坐标设计值,将三个坐标值进行比较,三个坐标值需相符,如有误差,则应在地面对GRC板的固定点进行调整,因GRC板的支点具有万向调节的功能,调整起来较为方便,调整后GRC板的安装状态应与设计相符。
  5.3.2临时固定
  屋面GRC板的临时固定基本上有两种方式:一是直接利用安装固定节点作法进行安装固定;如图8所示:另外一种是通过借助辅助作法来进行临时固定。在安装时应视具体情况灵活运用,使屋面板安装既快捷又安全。
  5.3.3板面调整
  当GRC屋面板安装完成一定区域后(一般二到三跨),应进行校正工作。当屋面板的固定采用的是辅助临时固定时,校正内容较多,需对GRC屋面板的固定点位置、标高校正;而安装时是按GRC屋面板的安装节点进行安装固定的,此时安装固定点与实际安装点基本吻合,GRC屋面板的平台位置基本正确,主要是对屋面板的标高进行校正。校正完成后必须使每块板的标高满足设计允许误差,同时四块板拼接处的边角必须平整,不得有个别突出或下陷,其误差不得超过2mm。
  5.4 GRC墙面体系的安装
  GRC墙面体系也包括墙面支撑结构和墙面板结构,安装方法与屋面体系大体一致,同样需对主体钢结构的安装进行检查验收,并根据检查结果对GRC墙面支撑结构的制作、安装进行允许范围内的调整,以消除主体结构误差对支撑结构、GRC墙面板安装的影响。在进行墙面支撑结构安装时,因墙面有玻璃幕墙、百叶等,必须保证洞口尺寸,否则玻璃幕墙无法安装,将造成返工,必须严格控制。在墙面GRC支撑结构安装、验收完成后,进行墙面GRC板的安装工作。墙面板的安装顺序应从下往上安装,先安装底层GRC墙板,依次向上安装,最后安装与屋面接口处板。
  6 结语
  本项目通过大量GRC屋面及外墙装饰板的运用,成功塑造了比较复杂的空间建筑造型,装饰效果显著,较好地实现了建筑设计的效果。
  1)在GRC的生产上,采用了符合欧洲标准的高品质的玻璃纤维增强水泥板系统,特别是针对耐碱玻璃纤维等关键性材料,提出了更为严格的控制标准,有效保证了GRC板材的内在品质和外观效果;
  2)GRC板材实现了100%工厂化生产,除个别的局部修补外,基本没有二次加工,有效减少了现场建筑废料以及粉尘、噪声等污染,采用工厂集约化生产本身也可较少建筑材料和能源的消耗,符合环保和节能的需求;
  3)计算机辅助设计技术已经成为建设综合性、复杂性的大型项目必不可少的支撑工具,其重要性将越来越凸显。在本项目GRC系统的深化设计过程中,采用三维建模软件Rhino5,并通过插件集成到项目BIM系统中获得的建筑模型有效保证了GRC系统的有序安装,极大地提升了工作效率、避免了冲突差错、节约了建造成本。
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