苏州第二图书馆工程综合施工技术

苏州第二图书馆工程综合施工技术

潘云高

苏州第一建筑集团有限公司，江苏 苏州 215123

摘要：苏州第二图书馆工程的建筑外观形似旋转叠放的书籍，造型独特，设计采用了多维扭转钢结构、现浇扭曲立面木纹清水混凝土幕墙、弯扭曲面玻璃幕墙、条状遮阳铝板、古典装配式木结构、镂空水墨画卷格栅等新工艺和创新工艺，并在国内首次应用了智能书库系统，施工技术难点多。本文重点介绍苏州第二图书馆工程对多项工艺难点所采取的各项施工技术，为类似工程提供参考借鉴。

关键词：扭转钢结构；高空无支托拼装；木纹清水混凝土；智能化书库；木结构装配；镂空格栅

引言

苏州第二图书馆工程地处苏州市相城区广济北路西侧、华元路以北，工程总建筑面积45609㎡，建筑高度34.35m，地下1层，地上6层。主要功能为公共图书馆服务、文献存储集散、配套服务、高端信息服务新平台等，是国内首家配备智能书库的图书馆。建筑外观设计灵感源自于层层旋转堆叠的纸张与书籍，彰显了对知识的热爱与对创新的执着追求。公共空间采用通透的玻璃幕墙搭配轻质遮阳铝板构成的横向立面线条，实现了逐层向上旋转和外斜的立面效果，书库外墙设计采用木纹肌理水平线条的清水混凝土。结构采用内钢筋混凝土框架、外大倾角圆管柱钢框架组合结构。

1 多维扭转钢结构无支托施工技术

工程钢结构用钢量约1650t，其中，不规则钢框架体系用钢量约1170t。不规则钢框架体系沿建筑物外围设计有34根直径600～700mm不同倾角的圆管柱，圆柱呈空间双斜向布置，最大倾斜角度约37°，单根最大垂直高度近38.4m，并配以纵横向钢梁拉结于内部混凝土结构，形成多维扭转钢结构。

由于多维扭转钢结构圆柱倾斜角度和方向均不同，空间造型复杂，采用Tekla Structures等建模软件进行建模和深化设计，对所有构件、连接节点（梁柱节点、柱脚节点、支座节点、支撑节点等）和焊缝进行全尺寸建模。钢结构加工根据模型图纸、构件清单及深化设计说明，对圆管柱、钢梁、节点等构件进行半自动化加工制作，保证构件加工制作精度。BIM模型见图2。

钢结构吊装施工采用高空无支托拼装施工技术，通过将混凝土结构模型与钢结构模型整合，模拟材料构件加工、模拟现场拼装，将结构体系进行分段拆解，通过构件受力平面与三维空间计算分析，合理选择构件安装顺序，使得钢结构高空拼装过程不需要搭设支撑平台，通过发挥结构固有的刚性强度，构建了稳固的单元模块，并持续将这些模块进行组装扩展，最终构建出完整的、多向性的扭转结构体。通过虚拟化施工，确定了钢结构安装从西侧连廊开始，钢管柱倾角由小至大，由下至上的施工顺序。虚拟施工模型见图1。

在钢结构吊装时，按模拟施工所确定的分段和施工顺序，在地面进行圆柱和水平连接梁等单元的组装，采用大吨位吊装设备分区分块分层吊装。通过倾斜柱与水平连接梁的同时施工安装，强化结构的刚度，并优化钢结构的体型比例，确保在减少结构变形风险的同时，防止由此可能引发的内应力增加，从而保障结构的完整性和稳定性。吊装过程全站仪全程分点定位，实现各构件单元的精准就位。在充分满足吊装能力的基础上，预先将框架内部的设备及相关管道安装到位，显著减少高空作业的需求。随后，采用与工况条件相匹配的大型起重机，对各单元逐一进行吊装并精准就位。在此过程中，优先确保下部安装的稳固性，以形成稳定的节间结构，随后逐层向上推进，确保安装工作的顺利进行。

多维扭转钢结构无支托施工方法，有效降低了散装大型钢结构在高空组装过程中，因风载荷和温度变化所引致的测量误差，显著减少了高空作业带来的安全风险，同时促进了施工进度的加快。

图1 钢结构BIM模型、虚拟施工模型

2 现浇扭曲立面木纹清水混凝土幕墙施工技术

北楼一至三层设计为扭曲立面木质纹理清水混凝土幕墙，每层高度5.7m，总面积约4500㎡，扭曲立面同层不设施工缝，一次浇筑完成，成型后木质饰面需凹凸有致、纹理清晰可见。

利用样板先行，选择模板面模。为保证饰面纹理突显质感，对纹理板进行二次加工。将木纹理板作为内层，普通模板为外层，将木纹理板固定在普通模板上从而形成双层模板结构。为了更有层次感，在适当部位衬微型木枕。为了保证内存纹理饰面模板在拆除时不会产生混凝土堵塞纹理，清水面脱皮等情况，对饰面板纹理处进行镀膜处理，用无色脱模剂进行涂刷处理。

通过BIM建模确定门窗洞口、钢结构骨架关系，合理安排工序衔接。采用钢结构斜劲性柱网架结构体系来“挂”住砼清水幕墙。首先在满足曲面斜率的要求下，在上下层内框架梁内精准预埋劲性柱板件，然后在楼层间施工斜劲性柱，使其成为幕墙的主要受力构件，随后在劲性柱之间水平焊接方钢形成横向钢龙骨，再焊接竖向方钢形成竖向龙骨，在竖向龙骨上焊接栓钉，并在浇筑幕墙时将竖向龙骨与栓钉一并浇筑在幕墙之内，从而形成一个可靠牢固的受力体系，保证幕墙整体受力安全。

优化清水混凝土幕墙支模体系，对于扭曲立面的模板支撑，采用以钢结构骨架为主，辅以内拉外撑的受力形式，确保整个支模体系的牢固、安全。整个受力体系分为中间核心钢结构系统、内拉脚手架系统和外撑脚手架系统。三个系统即相互合作又相互独立，起到三重保险作用。

采用三段式设计的防水对拉螺杆，有效防止因切割螺栓而对混凝土表面造成的损害。这一措施同时显著提升了幕墙作为围护结构的防水性能，确保了整体结构的稳定性和耐久性。为防止大面积混凝土浇筑后开裂，通过在清水模板上设置诱导缝，使混凝土浇筑后产生的应力可以得到释放，即使产生收缩裂缝可在该处产生，后期通过膨胀混凝土进行修复，不会对饰面效果产生影响。为防止开裂，在清水幕墙内配置双向双层钢筋网（10@100），既起到防开裂作用，同时加强幕墙整体性。在幕墙转角处设置45°企口拼缝，防止漏浆及开裂。

在清水混凝土浇筑完成后，严禁扰动模板体系，确保饰面层的凝固，在浇筑完成14天后拆除侧模，期间采用顶部和在非饰面侧模板进行浇水降温，排出混凝土水化热。拆模后立即对清水混凝土饰面纹理一侧进行毛毯覆盖，继续浇水养护14天，使其温度应力继续得以释放。

对于大面积的清水混凝土浇筑后部分不到位处，采用专业修补方式进行处理。在所有修复作业完成后，对清水混凝土饰面实施保护剂涂覆作业，以确保幕墙整体外观的协调统一，并精准展现凹凸木纹设计的独特质感，从而达成完美的视觉效果。

3 弯扭曲面玻璃幕墙与条状遮阳铝板系统施工技术

外立面玻璃幕墙采用横明竖隐式翘曲面玻璃幕墙，面积约14200㎡，整个外围幕墙造型呈双弯扭曲状，幕墙外侧采用铝板装饰百叶整体贯通。外部造型复杂、线条多，施工难度大。

通过BIM技术化应用，确定和提取复杂曲面各构件空间尺寸和定位，严格控制每块玻璃尺寸，提高加工和施工精度，保证异形空间成型质量。通过参数化建模，数字化生产，装配化施工，完美实现了异形空间的复杂造型，确保遮阳百叶线条通顺流畅。

为了更加真实、直观的反映板块安装、加工尺寸，减少施工误差，采用AutoCAD、犀牛等三维软件1：1进行3D模拟建模，准确的定位龙骨、划分面板，客观全视角的反映每一块板块的实际尺寸及安装部位，进而精确的指导施工。

参数化设计：基于BIM平台建立幕墙玻璃表皮、支撑杆、定制驳接件、钢龙骨、土建结构整套BIM模型，利用模型可快速准确查询的特点，解决专业碰撞问题，结合智能全站仪自动化的优势，采用基于BIM的施工放样平台，实现BIM模型与全站仪的结合，简化施工测量放样流程，提高施工安装精度，确保准确定位并达到质量预控要求。

数据化加工：由于建筑形体复杂，幕墙结构体系空间变化，大部分表皮为弯扭曲面，一方面要求施工要保证龙骨结构视觉造型上的艺术性，另一方面还要控制材料加工、安装的误差,在施工中采用全站仪三维坐标法进行测量放线，确保测量精确度。采用专用BIM犀牛建模软件，对扭曲面位置和结构的空间参数进行定位并通过碰撞检查，确保加工图下料和加工工艺的精确度。局部复杂位置采用高端高效的三维扫描，具有快速、高效、准确、可操作性强等特点，对异形空间的幕墙测量工作具有很强的针对性和切合性。

装配式安装：大型构件加工与安装采用高精度三维模拟和空间定位技术：生产车间加工时采用了三维刚性胎模控制、检测几何尺寸确保翘曲面材料尺寸准确,施工过程中现场安装主要依照模型中获取的定位座标点用全站仪三维测量法进行空间定位，再用激光经纬仪配合跟踪测量，以确保弯扭曲面龙骨、支撑件、面板安装时准确无误。虚拟化交底：事先模拟分析：利用BIM模型对施工组织设计进行论证，就施工中的重要环节进行可建性模拟分析，方案论证及优化的同时也直观地把握实施过程中的重点和难点。可在事前发现问题，做好质量方面的事前控制。幕墙现场施工照片见图2。

图2 玻璃幕墙现场实景

4 高空间、高精度智能化书库施工技术

本工程是国内首个文献存储高密集型智能化书库，书库系统通过物联网技术与智能机器人技术等融合，实现书籍高效率低误差的无人分拣、入库、流通调配工作，读者可通过扫脸、扫码，自助完成办证、找书、借还。

书库藏书700万册，立体库架高14.4m，智能书库书架部位对地面承载力和平整度要求极高，其中埋件整体平整度偏差仅允许±3mm，管线安装偏差仅±2mm。

通过在施工时全程水平仪跟测、加密埋件固定措施，减少施工扰动；施工完成后对埋件底部采用环氧树脂二次压密注浆，以解决因混凝土收缩形成的空腔填补，提高埋件底部密实度。最终通过精准测量，优化管线设备布局，保证了安装精度，智能书库系统一次调试成功并交付使用。

本工程智能书库为高层密集架，书架之间的通道安装有自动机械存取书设备，最高书架高度为14.4m。配套设置的通风、排烟、高压细水雾系统、空气采样等装置最大安装高度为18m。管线还需要避开机械取书设备，安装精度要求非常高。书库设备厂家对机电管线的定位精度要求控制在2mm内。

在深化高压细水雾系统设计的流程中，我们与智能书库的生产厂商进行了深入的沟通协作，并基于专业视角，提出了若干项优化书库整体布局与功能的合理化建议。其中，一个重要的建议是调整书架的排列方式，确保在书架之间留有足够的空间，以便于未来管线的安装和维护工作。这样的调整不仅提高了书库的空间利用率，还为管线的布局提供了灵活性。

为了确保书架和管线安装的精确度，采用了先进的放样机器人技术。这些机器人能够对书库中的书架以及管线的安装位置进行精确的测量，包括水平度和垂直度的检测。通过这种方式，及时发现并矫正偏差，确保每项安装工作都达到预定的精度标准，并保证书库机电安装工程的安全运行和长期稳定。

5 古典木结构装配式施工技术

文学馆，展陈设计师为营造一种自然诗意的美妙意境，综合运用借景，对景，框景等设计手段。以古典园林中的回廊将各朝代的展陈串联起来，以古典风为主基调。大量的古建木结构和中式花窗、家具的施工难度较大。

施工过程中，充分掌握设计意图，根据《营造法原》进行古建图纸深化，聘请专业的古建施工队伍，在工厂进行原木的加工、构件的制作，现场直接拼装。

为了确保古典木结构施工能够精准无误地进行，首先深入研究并完全理解了设计的初衷和理念。在这一基础上，参照了古代建筑的经典著作《营造法原》，对古建筑的图纸进行了细致入微的深化设计。为了保证施工的质量和促进传统工艺的传承与发扬，聘请经验丰富的专业古建筑施工团队负责此项工作。

在施工的前期准备阶段，选择在工厂环境中对原木材料进行精细的加工处理，控制施工环境，确保构件的制作精度。在工厂内，工匠们使用传统工具和现代机械相结合的方式，对每一根原木进行了精心的切割、雕刻和打磨，确保每一个构件都符合设计要求和传统工艺标准。

完成构件的制作后，将加工完成的部件运送到施工现场。施工队伍按照古建筑的拼装工艺，将构件在现场进行拼装，确保每一处连接都稳固而精确。

6 镂空水墨画卷格栅施工技术

共享空间山水中庭是本工程的一大亮点，但将其完美展现也是本工程的一大难点，整幅墙面高大垂直，要在保持整体平整镂空的情况下，将园林元素通过局部点、线、面的细节处理展现出来具有很高的难度。

镂空铝格栅设计为木纹色，为了展现完美效果，中庭木纹山水、共享栏杆都采用木纹色饰面。传统木纹转印铝方通在栏杆强度上不符合要求，也不满足中庭山水在园林元素细节展现上加工要求，故进行了技术革新，借鉴了手机和家具贴膜的手法，对中庭山水和栏杆杆件进行木纹贴膜处理，选用优质木纹PVC贴膜，通过工厂化加工，统一将接缝留着阴角隐蔽处，安装成型后表面更具平整性，更具质感，浑然一体，装饰效果更胜转印铝方通。

通过软件设计、排版、效果渲染，CAD整幅标尺，精准放线定位，车间化加工，将每个立面完美的在车间平面拼装展现出来，通过整体加工定位编号、带线安装，并对固定、拼接等细部节点再细化，最终整体刻画出一座苏式园林楼阁的效果，为整个空间增添了一抹宁静、悠远的气息。

7 结语

苏州第二图书馆工程施工中，通过多维扭转结构无支托施工技术分三层次吊装精准完成了钢结构的合拢，通过使用基层模板与饰面模板相结合、设置隐藏式诱导缝、延长拆模时间、保湿养护等方式解决了大面积清水混凝土幕墙成型易收缩开裂的质量难点，弯扭曲面玻璃幕墙与条状遮阳铝板系统采用参数化设计、数据化加工、虚拟化交底、装配式安装保证了安装精度，设备机房、智能书库全专业BIM模型合成确保了设备基础、水泵设备、桥架管线的位置准确、安装美观，装配式古建木结构采用场外加工、场内组装，白橡木铝格栅山水背景墙安装的垂直度、平整度、直线度控制在2mm以内。通过采取以上各项施工技术，保证了施工质量，提高了施工精度，全面展现了苏州第二图书馆古典与现代相结合、园林元素与智能元素相融合的设计理念，为类似公共建筑的施工提供了借鉴。

参考文献：

[1]王胜源,李明霞.基于图书馆自动化立体仓库技术下读者使用意愿分析——以苏州第二图书馆为例[J].情报探索,2022(9):117-122.