机电安装技术在大跨度玻璃穹顶建筑工程中的应用

北京某大型文旅项目中201单体为大跨度圆形玻璃穹顶建筑。其机电安装特点与难点是穹顶标高达21.750?m，穹顶跨度为60?m。穹顶结构由主拱梁、拱间水平环梁和冠顶环梁3部分组成，其中主拱梁截面为BOX1?000×500×30，拼装后总长度达32.528?m，16支主梁将圆形穹顶均匀地分成16份。拱间水平环梁分为3种，低处方形环梁截面为RHS400× 300×16，1环；低处圆形环梁截面为CHS351×16，共3环；高处圆形环梁截面为CHS273×14，共7环。冠顶环梁截面为BOX1?000×500×30，1环（图1）。

图1??大跨度圆形玻璃穹顶”钢结构三维示意

圆形玻璃穹顶不仅是该单体建筑结构的主要部分之一，还是供游客游览的前场区，配套的机电系统繁多。根据设计图提取出需安装在穹顶钢结构上的机电管线包括暖通风管（空调风系统）、电气桥架（常规电气系统、主题照明系统、消防报警系统）、电气线管（常规电气系统）、灯具（常规电气系统、主题照明系统）和消防水管（消防水系统）。由于大跨度圆形玻璃穹顶结构复杂，机电安装难度极大。在保证高精度、高效率的机电管线安装的同时，还要保证前场区的整体美观。为此需结合实际情况，制定具有针对性的专项施工方案。本文介绍机电安装技术在大跨度玻璃穹顶建筑工程中的应用。

1??在穹顶水平环梁上的安装技术

1.1??机电管线安装位置的确定

应用Revit软件，对需安装在大跨度玻璃穹顶建筑水平环梁上的暖通风管（空调风系统）和消防水管分专业分系统地进行模型搭建（图2、图3）。

图2??圆形玻璃穹顶暖通风管BIM模型（计算机截图）

图3??圆形玻璃穹顶消防水管BIM模型（计算机截图）

利用建筑结构和已搭建完成的机电管线三维模型进行机电管线综合深化。首先以美观整齐的综合支吊架为基础对各机电系统的管线进行综合排布。应用Navisworks软件进行碰撞检测，提前消除各机电系统间及机电系统和建筑结构间的碰撞。  

由于201单体为大型吊挂式骑乘单体，骑乘轨道经过圆形玻璃穹顶下方，若不提前考虑骑乘轨道路线的安全包络线，在机电管线安装完成后极有可能会与轨道发生碰撞。因此，在常规的碰撞检测后还需将机电管线与骑乘轨道的包络线进行进一步的碰撞检测（图4、图5）。

图4??骑乘轨道路线安全包络线模型

图5??骑乘轨道路线安全包络线剖面示意

通过以上步骤确定在大跨度玻璃穹顶建筑水平环梁上的机电管线安装位置， 风管和消防水管均位于R1-R9/C0-C1轴水平环梁和R13.6-R15/C0-C1轴水平环梁上；其中风管中心相对标高为+8.500?m，消防水管管底标高为+9.600?m。

1.2??机电管线和综合支架设置

（1）由于风管路由沿圆形玻璃穹顶水平环梁设置，即使其路由呈弧形，仍位于供游客游览的前场区，若不进行深化设计，后期会因风管布置不规则造成吊点定位困难，降低安装美观度。因此深化设计时通过分析结构和风管管线特点，确定采用以下风管排布思路“将各主拱梁之间的风管设为直管段，在拱梁处设小角度弯头”。应用该创新方案，不仅减少了特殊预制件的类型，降低了现场吊点定位及安装难度，还大幅提高了安装后的整齐度和美观度，达到了设计前的预期效果（图6）。

图6??穹顶内风管全景视角模型

（2）因穹顶幕墙与拱间水平环梁可供支架生根的间距仅有10?mm，无法使用环梁抱箍生根，需预留焊接件。所以支架根部采用长200?mm的[16槽钢与环梁的接触面满焊（图7、图8）。

图7??低处环梁支架根部做法模型

图8??高处环梁支架根部做法模型图

（3）考虑到高环梁与低环梁弧长不同，根部槽钢又需平行于环梁布置，若全部采用刚性支架会导致局部支架体系与风管不在同一平面内。为此先用Revit软件对刚性支架建模，应用BIM技术将建成的风管刚性支架族均匀布置在管线综合模型中，通过多方案模拟后发现，刚性支架仅处在两根主拱梁间的水平环梁的中间位置时方能和风管保持在同一平面内。最终综合各方面因素选用正多边形对称布置固定支架与普通支架结合的形式，即在各段水平环梁的中间位置设一组钢性支架，每组刚性支架两侧分别设置1~ 2个柔性支架，且支架间距在满足规范要求下沿风管环形路由平均分布。选用质量更可靠的成品支架，其中刚性支架立腿选用BMR-41型单面槽钢，柔性支架立腿选用 ?12镀锌通丝，横担选用BMR-52D型双拼槽钢（图9）。

图9??支架模型（计算机截图）

（4）由于位于圆形玻璃穹顶下的消防水管整体路由和风管路由一致，遵循优先考虑设置综合支架的思路，决定将消防水管以重型管束和管束扣垫相结合的方式固定于支架双拼槽钢横担上，使风管和消防水管2个系统统一为一个综合支架，在保证美观的同时降低了成本（图10）。

图10??综合支吊架节点

（5）对完成布置的综合支架与骑乘轨道路线安全包络线进行空间复核，将经调整位置的支架和管线进行尺寸及定位标注，导出可供指导现场施工的深化图（图11）。

图11??支吊和机电管线架定位施工深化平面图（计算机截图）

1.3??机电管线和综合支架安装

圆形玻璃穹顶属供游客游览的前场区，对机电管线安装的精度和美观要求极为苛刻。且机电施工工期紧张，为此施工前应用BIM技术对模型中的风管进行分段和编号，生成可供风管加工所需的管段图，全部风管均在工厂预制。安装前到现场实测保证管线安装轴线位置和标高无偏差，综合支架横担与风管垂直无角度偏差。为给后期风管上的彩绘创造条件，风管保温及铝皮保护壳制作时均保证超高的平整度且统一和美观。

2??在穹顶主拱梁上的安装技术

2.1??机电管线安装位置的确定

本项目电气专业和消防专业有大量管线安装于16支主拱梁结构上，根据业主要求，安装于前场区主拱梁上的管线还需避开游客视线，为此安装前应用BIM技术进行游客视线模拟分析并在现场进行实际测试，定制出主拱梁机电管线安装位置的基本规则，即以穹顶下室外餐厅就餐区的游客视线为准，以R6和R14轴为中心线，面对穹顶环梁方向，将R6轴至R15轴上的机电管线安装在主拱梁右侧，R7轴至R14轴上的机电管线安装在主拱梁左侧，且支架横担长度不得超过600?mm。

2.2??机电管线和综合支架的设置

由于主拱梁上电气专业和消防专业管线路由相同，因此统一设计成刚性综合支架形式：根部采用BMR-52型槽钢底座，底座与主拱梁的接触面满焊；横担选用BMR-52型单面槽钢，其长度根据主梁上机电管线排布情况分为500?mm, 550?mm, 600?mm 3种 规格。

3??在穹顶水平环梁和主拱梁上的灯具安装技术

3.1??灯具安装位置的确定

按设计要求，安装于圆形玻璃穹顶结构上的灯具包括常规电气和主题照明两个系统，其中D-1型常规照明灯具32盏；D-5型消防疏散照明灯具48盏；E002型主题照明灯具64盏。由于灯具类型及数量多且灯具之间和与建筑结构之间冲突碰撞位置极多。对此应用BIM技术对穹顶下的灯具进行光照模拟，结合灯具类型、数量并考虑结构对称的特点，从方便现场吊点定位出发，将D-1型灯具均匀设置在主拱梁与冠顶环梁、3号环梁、6号环梁的交点处，将D-5型灯具均匀设置在主拱梁与2号环梁、5号环梁的交点处，将E002型灯具均匀设置在16支主拱梁上 （图12）。

图12??穹顶灯具点位平面布置示意（计算机截图）

3.2??灯具固定支架的设置及安装

3.2.1??安装在水平环梁上的D-5型灯具

环梁上的灯具固定支架设计为刚性单吊支架：期根部采用8号槽钢，长100?mm，沿环梁方向与环梁的接触面满焊；支架吊杆选用BMR-41型单面槽钢 （ 吊杆长度可根据现场实际灵活调节）； 在吊杆下接角连接件或BMR-41型单面槽钢作为横担固定灯具（图13）。

图13??安装在水平环梁上的D-5型灯具固定支架节点

（a）节点形式1；（b）节点形式2

3.2.2??安装在主拱梁上的D-1和D-5型灯具

由于D-1和D-5型灯具均不具备调节照射角度的功能，考虑到主拱梁整体呈弧形，为保持安装于主拱梁上的灯具可保持自然垂直向下的状态，整体观感更整齐美观，将灯具固定支架设计成可调节任意角度的刚性单吊支架。

选用BMH-PG铰连接底座，与主拱梁的接触面满焊，该底座适用于任何斜向的建筑结构面，可在0°~180°内任意调节角度。吊杆选用BMR-41型单面槽钢（吊杆长度可根据现场实际灵活调节）；在吊杆下接角连接件或BMR-41型单面槽钢作为横担固定灯具。

3.2.3??安装在主拱梁上的E002型灯具

由于E002型灯具具备调节照射角度的功能，因此将灯具支架设计成固定角度刚性单吊支架：选用BMR-41型单面槽钢，长300?mm，与主拱梁的接触面满焊。