3D建模輔助非規(guī)則弧形結(jié)構(gòu)施工技術(shù)

邢司藝

摘 要：球幕影院作為靜態(tài)影院中最復(fù)雜少見(jiàn)的影院形式，目前已日趨普及，遼寧省沈陽(yáng)市全運(yùn)文化場(chǎng)館工程中的省科學(xué)技術(shù)館包含了東北最大的球幕影院，在建設(shè)過(guò)程中，我們針對(duì)球幕影院的非規(guī)則圓弧結(jié)構(gòu)，著重利用3D建模輔助技術(shù)，在底板插筋、鋼筋綁扎、墻體模板支設(shè)和混凝土澆筑過(guò)程中，摸索出了一套新型施工工藝。目前已憑借此項(xiàng)技術(shù)作為一項(xiàng)創(chuàng)新項(xiàng)獲得了遼寧省科技示范工程。

關(guān)鍵詞：3D；非規(guī)則；坐標(biāo)；橢圓；23°

1 工程綜述

遼寧省科技館球幕影院是目前國(guó)內(nèi)最先進(jìn)的球幕影院之一，其內(nèi)部均為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，外部由兩個(gè)不同直徑的鋼結(jié)構(gòu)球殼網(wǎng)架拼裝而成，球幕影院地下部分的弧形墻體一共分為四層，最外邊是正圓砌筑墻，相當(dāng)于整個(gè)球幕影院的內(nèi)部圍護(hù)結(jié)構(gòu)，也是最外鋼球外立面的基座，第二道鋼筋混凝土剪力墻體結(jié)構(gòu)也是正圓形，作為小鋼球的基座，大球小球之間為觀眾入場(chǎng)環(huán)廊，又稱“太空走道”，行走其中，如同漫步太空一般，第三道墻體是一個(gè)橢圓筒混凝土墻被一個(gè)23°角的平面切割而成，標(biāo)高圓滑變化由高至低，這圈墻體主要作為球形屏幕生根的基座，他的精度要求是最高的，3D輔助的技術(shù)手段也基本都應(yīng)用到這道墻上，最里側(cè)的第四圈墻體主要是看臺(tái)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)，由三段非規(guī)則的曲線拼接而成，現(xiàn)場(chǎng)定位難度極大。

2 特點(diǎn)分析

非規(guī)則弧形結(jié)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量放線難度極大，原始點(diǎn)（如圓心、弧頂?shù)龋┐蠖嗲闆r下會(huì)被遮擋，或距離測(cè)量位置較遠(yuǎn)無(wú)法引至指定位置。此時(shí)采用簡(jiǎn)單的3D建模來(lái)輔助測(cè)量及各環(huán)節(jié)施工具有效率高、化繁為簡(jiǎn)、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確等明顯優(yōu)勢(shì)。

利用GPS結(jié)合3D模型坐標(biāo)，打點(diǎn)定位墻體鋼筋的插筋位置，在精確定位的基礎(chǔ)上，滿足了施工工序，解決了復(fù)雜圓弧結(jié)構(gòu)墻體鋼筋無(wú)法在已經(jīng)綁扎的底板鋼筋網(wǎng)片上定位的難題。

非規(guī)則弧形墻段3D建模配合鋼筋、模板放樣，提高了鋼筋模板尺寸的精確性，同時(shí)采用定型模具加工對(duì)墻體頂部壓光收面，為高精設(shè)備安裝創(chuàng)造了有利條件，減少了不必要的返工、或二次施工的浪費(fèi)。

本工藝適用于各類非規(guī)則圓弧混凝土結(jié)構(gòu)施工，如大型主題商場(chǎng)、特殊造型游樂(lè)及娛樂(lè)場(chǎng)所、體育場(chǎng)館、球形及異形影劇院的內(nèi)部鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)施工等等，特別適用于球形銀幕整體在斜切面弧形墻體之上生根的影院結(jié)構(gòu)類型。

3 施工工藝流程及操作要點(diǎn)

3.1 工藝流程圖解（見(jiàn)圖1）

3.2 操作要點(diǎn)

（1）非規(guī)則弧形結(jié)構(gòu)施工前最重要的工作就是創(chuàng)建等比例的3D模型，模型主要針對(duì)非規(guī)則弧形墻柱制作，細(xì)部節(jié)點(diǎn)可忽略，模型要求必須用正確坐標(biāo)系的總平面圖為繪制底稿，這樣模型建成后便可將指定位置的平面坐標(biāo)應(yīng)用于前期的測(cè)量施工當(dāng)中。

常規(guī)球幕影院以及球形娛樂(lè)場(chǎng)所的主要觀眾區(qū)及控制設(shè)備區(qū)都應(yīng)該為地下結(jié)構(gòu)部分，且弧形墻體一般可分為3到4層（如圖2），最外層（藍(lán)色）一般為用于外立面生根的正圓墻體，墻頂標(biāo)高相同，大多為不連續(xù)弧線段；中間層（紅色）一般為用于室內(nèi)頂棚圍護(hù)結(jié)構(gòu)以及幕布等特殊結(jié)構(gòu)生根的圓形或橢圓形墻體，墻頂一般為被一定角度的平面所切而成（如圖4）；最內(nèi)層（綠色）墻體一般為看臺(tái)、觀眾席結(jié)構(gòu)的維護(hù)，大多為不同圓心的弧段拼接而成，墻頂標(biāo)高隨看臺(tái)踏步變化。如有第四層則在最外側(cè)，為外球的鋼結(jié)構(gòu)生根所用。

（2）采用GPS定位插筋位置時(shí)，首先要考慮測(cè)量環(huán)境，避免風(fēng)速、震動(dòng)等干擾，在單位弧形段取盡量多的點(diǎn)位，以保證整體弧線準(zhǔn)確，被測(cè)點(diǎn)位用提前加工好的簡(jiǎn)易標(biāo)記工具（可用十字標(biāo)記的白鐵皮等）固定于底板鋼筋網(wǎng)片之上，GPS定位結(jié)束后，整體采用經(jīng)緯儀抽測(cè)復(fù)合。

（3）針對(duì)被斜面切割的弧形墻段，可以利用非規(guī)則曲面的展開(kāi)面，來(lái)確定平面尺寸，從而對(duì)該段墻體的豎向鋼筋及模板進(jìn)行放樣，在鋼筋綁扎施工作業(yè)前，可根據(jù)放出的點(diǎn)位，現(xiàn)在底板平面制作弧度控制及豎向鋼筋定距框和限位鋼筋模具，再進(jìn)行插筋，同時(shí)在模型中引測(cè)一定數(shù)量（每500～800mm一個(gè)）點(diǎn)位測(cè)出距地高度，并利用橢圓圓心的十字中軸線，找出引測(cè)點(diǎn)在實(shí)際中的位置（詳見(jiàn)圖5），在所有點(diǎn)位制作措施鋼筋棍，采用拉通線的方式將實(shí)際位置連接，形成10～20cm高差參考線，從而控制鋼筋綁扎高度和混凝土澆筑的標(biāo)高，由于特別是球形銀幕的安裝需要有精確的底座作為保證，因此該環(huán)節(jié)的工作顯得尤為重要。

（4）模板加工環(huán)節(jié)首先選取韌性較好的優(yōu)質(zhì)木竹膠板，嚴(yán)格按3D模型展開(kāi)尺寸進(jìn)行放樣裁切，保證分格縫整齊美觀（特別針對(duì)表面要求清水混凝土效果的弧形墻面）。模板次背楞選用50mm×100mm木方，主背楞選用直徑20三級(jí)鋼筋沿弧度彎曲定型，并用對(duì)拉螺桿卡具鎖死。此方法充分利用了鋼筋的韌性，使弧形墻體的澆筑效果更加美觀。

同時(shí)，我們將提前預(yù)制的長(zhǎng)度等同于墻厚的50mm×50mm的混凝土條，按一定間距沿直徑方向放置于兩層模板面板之間，互頂模板以保證弧度的準(zhǔn)確。

針對(duì)圓弧墻體中的圓柱，加工定型半圓柱模板，與外表面模板形成連續(xù)整體。（如圖7所示）

（5）一般情況下按設(shè)計(jì)要求，被斜面切割的弧形墻上部需埋設(shè)若干用于球形銀幕底座的埋件，埋件在埋設(shè)前，由于墻頂混凝土完成面尚未形成，對(duì)于埋件的正確定位必須借助3D模型計(jì)算出埋件對(duì)角的坐標(biāo)（這就要求3D模型必須在總坐標(biāo)正確的平面圖上繪制，且繪制過(guò)程中切忌隨意移位），最后利用對(duì)角點(diǎn)坐標(biāo)，采用GPS現(xiàn)場(chǎng)將埋件定位后穩(wěn)固焊接在墻體的措施鋼筋上，保證埋件定位的準(zhǔn)確性。

（6）嚴(yán)格按照前期利用3D模型引測(cè)并標(biāo)志在模板上的控制點(diǎn)，澆筑墻體混凝土至設(shè)計(jì)標(biāo)高以下20mm。預(yù)留砂漿精確收面的可操作厚度。

（7）借助3D模型，制作定型模具，并采用定型Z字形模具（圖9）收面，測(cè)試模具時(shí)，將模具卡在圓弧墻最低點(diǎn)與最高點(diǎn)，Z字形模具的中間表面應(yīng)該緊貼墻面，嚴(yán)絲合縫，即證明模具制作的精確程度是否合格，隨后沿中軸線的平行方向移動(dòng)模具對(duì)墻頂進(jìn)行高強(qiáng)砂漿的收面工作。舉例說(shuō)明：如被斜面切割的圓弧墻垂面與此斜面的夾角為67°，則Z型模具的夾角也應(yīng)為67°。（如圖10所示）

4 效益分析

（1）經(jīng)濟(jì)效益對(duì)比分析

（2）憑借本工藝的順利執(zhí)行，以及取得的良好施工效果，僅球幕影院部分在模板定制加工，二次植筋打孔，人工放樣等多個(gè)方面共節(jié)約工期約30d，受到業(yè)主的嘉獎(jiǎng)，為影院部分的鋼結(jié)構(gòu)施工更早的提供了作業(yè)面。

（3）同時(shí)憑借此工藝在內(nèi)的新技術(shù)展示，遼寧省科技館工程榮獲了遼寧省科技示范工程的榮譽(yù)稱號(hào)。為同類工程提供了更加合理簡(jiǎn)便的施工經(jīng)驗(yàn)。

（4）簡(jiǎn)易的模板體系，就地取材，為整體工程節(jié)約了大量的鋼材、吊裝設(shè)備、能源消耗，同時(shí)采用3D建模放樣也能極大的節(jié)約施工用地。

（5）該體系也同樣降低了施工過(guò)程中的噪聲污染，避免的工廠加工材料的遠(yuǎn)途運(yùn)輸污染。

5 總 結(jié)

本工程球幕影院部分結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，僅標(biāo)高就有20余種，內(nèi)中外三段弧形墻體結(jié)構(gòu)不規(guī)則，施工難度超大，要求精度極高，工期短，體量大，此工藝經(jīng)本工程實(shí)際應(yīng)用效果顯著，能充分利用有限的資源滿足各項(xiàng)功能要求。

球幕影院利用3D技術(shù)輔助非規(guī)則弧形結(jié)構(gòu)施工工藝的成功應(yīng)用，確保了結(jié)構(gòu)按期封頂，混凝土澆筑質(zhì)量及需滿足設(shè)備安裝部位的尺寸完全符合設(shè)計(jì)及專業(yè)廠家要求。