無規(guī)則三維曲面骨架施工技術(shù)研究

鄒欣韜 華兵兵 張漢泉

(1.中建海峽建設(shè)發(fā)展有限公司 福建福州 350015; 2.中國建筑裝飾集團(tuán)有限公司 安徽合肥 230011)

0 引言

近年來，伴隨著建筑業(yè)快速不斷地發(fā)展，越來越多的新材料、新工藝、新技術(shù)涌入到建筑和設(shè)計(jì)行業(yè)。傳統(tǒng)的施工方法已經(jīng)滿足不了現(xiàn)代化建設(shè)的需要，更多科技創(chuàng)新的施工技術(shù)也在推動(dòng)著建筑施工的發(fā)展。文章以福州海峽文化藝術(shù)中心曲線展廊無規(guī)則三維曲面骨架為研究對(duì)象，通過3D掃描技術(shù)、BIM施工技術(shù)在項(xiàng)目的實(shí)際運(yùn)用[1-2]，結(jié)合機(jī)器人放樣技術(shù)，提高骨架定位精準(zhǔn)度，解決了曲線展廊空間高、跨度大、無規(guī)則曲面骨架施工難題。

1 項(xiàng)目特點(diǎn)及施工難點(diǎn)

福州海峽文化藝術(shù)中心曲線展廊是每個(gè)場館室內(nèi)特有的公共空間，該工程曲線展廊主立面由長1800mm，高120mm，厚40mm的實(shí)竹方通和鋁板面覆竹皮方通自下而上拼接而成，立面及頂面為同一展開面，面積約為29 000m2，工期緊張。其中5個(gè)場館中曲線展廊面積最大的為B館歌劇院，從建筑物的西南方沿伸至東北方周長約190m，其中彎曲的最高點(diǎn)位約26m，如圖1所示。

圖1 曲線展廊實(shí)景

曲線展廊主立面采用的是基層骨架+黑色穿孔鋁板及羊毛吸聲絕熱氈+面板調(diào)節(jié)件+面板完成整個(gè)面板施工流程。面板長度為1800mm，每一根面板由立面底部出風(fēng)口位置以上開始拼接，面板拼接縱向間距為10mm，橫向間距為30mm。因整個(gè)曲線展廊骨架呈無規(guī)則三維曲面，骨架安裝偏差影響面板安裝接縫、平整、不順暢等施工質(zhì)量問題，所以骨架施工精準(zhǔn)度顯得尤為重要。

圖2 曲線展廊不同位置剖切面

無規(guī)則三維曲面骨架是由各剖切面不同弧長及高度組成的三維曲面，如圖2所示。因骨架的剖切面不同弧長及高度不同，傳統(tǒng)CAD施工圖已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)表達(dá)不了設(shè)計(jì)師的要求。而且,施工現(xiàn)場很難找到骨架施工的起始點(diǎn)位，骨架的不同弧度采用現(xiàn)場加工的施工方法，難以控制骨架安裝精準(zhǔn)度，所以大大增加骨架施工難度。

2 骨架工藝分析

無規(guī)則三維曲面骨架施工，主要通過3D實(shí)景掃描并逆向建模，根據(jù)所建立的結(jié)構(gòu)模型與設(shè)計(jì)的模型碰撞比擬，有助于設(shè)計(jì)各方達(dá)成共識(shí)。通過曲線展廊表皮模型施工模擬，對(duì)骨架進(jìn)行深度優(yōu)化，一方面用于工廠對(duì)曲面骨架編號(hào)、加工，另一方面將骨架優(yōu)化點(diǎn)位的X-Y-Z坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行分解，憑借機(jī)器人放樣技術(shù)精確定位墻面豎向豎龍骨、頂面熱鍍鋅方管加固的“抱箍”及轉(zhuǎn)換層施工坐標(biāo)，完成墻面豎向主龍骨、“抱箍”點(diǎn)及轉(zhuǎn)換層施工，實(shí)現(xiàn)曲面骨架加工與曲面骨架的基層骨架現(xiàn)場同步生產(chǎn)。結(jié)合工廠對(duì)曲面骨架加工、編號(hào)，通過坐標(biāo)數(shù)據(jù)并結(jié)合機(jī)器人放樣，再次對(duì)工廠加工成型的曲面骨架進(jìn)行定位，采用熱鍍鋅方管吊桿進(jìn)行調(diào)節(jié)、固定，并依次進(jìn)行安裝,形成無規(guī)則三維曲面，如圖3所示。

1-原建筑鋼結(jié)構(gòu)；2-鋼結(jié)構(gòu)“抱箍”點(diǎn)；3-轉(zhuǎn)換層；4-鍍鋅方管加固、調(diào)節(jié)層；5-無規(guī)則三維曲面骨架；6-墻面豎向主龍骨；7-原建筑墻面；8-面板。圖3 曲線展廊骨架安裝示意圖

3 方案實(shí)施

3.1 3D掃描技術(shù)運(yùn)用

技術(shù)人員采用3D激光掃描技術(shù)(又稱實(shí)景復(fù)制技術(shù))，通過對(duì)施工現(xiàn)場激光掃描測量，獲取施工現(xiàn)場三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)[3]。在施工現(xiàn)場采集空間點(diǎn)位信息，采集的數(shù)據(jù)上傳至云端后，云端后臺(tái)根據(jù)空間數(shù)據(jù)精確地建立三維影像模型，實(shí)現(xiàn)逆向建模還原現(xiàn)場實(shí)際結(jié)構(gòu)。

完成逆向建模，技術(shù)人員通過Revit軟件再將設(shè)計(jì)建立模型與實(shí)際模型進(jìn)行對(duì)比分析,有助于設(shè)計(jì)師更好地確立設(shè)計(jì)方案實(shí)施，也將各專業(yè)的隱蔽碰撞通過模型展示出來，碰撞分析更好地將施工現(xiàn)場與設(shè)計(jì)相沖突的位置能在施工前期與各方達(dá)成共識(shí)，如圖4所示。

圖4 掃描后逆向建模對(duì)比

3.2 骨架模型優(yōu)化

曲線展廊主立面設(shè)計(jì)師要求采用1800mm長方通面板，在滿足設(shè)計(jì)師理念下，技術(shù)人員憑借Rhion軟件將方通面板分割導(dǎo)入至模型中，實(shí)現(xiàn)了無規(guī)則三維曲面空間面板安裝可視化。

根據(jù)無規(guī)則三維曲面空間面板安裝可視化，將每塊1800mm長面板分割及組成通過模型展示，技術(shù)人員清晰地將面板骨架“勾勒”出來。通過骨架模型與面板模型的施工模擬對(duì)比，發(fā)現(xiàn)曲線展廊實(shí)際展開面為扇形，技術(shù)人員再次將面板模型與骨架模型進(jìn)行偏差對(duì)比，為了提高骨架安裝精準(zhǔn)度，技術(shù)人員再次對(duì)面板模型對(duì)骨架進(jìn)行優(yōu)化。在對(duì)曲面骨架進(jìn)行最終確認(rèn)后，從不知所措到曲面骨架劃分，已經(jīng)邁出了很大一步,如圖5所示。

圖5 曲面骨架調(diào)節(jié)前后對(duì)比

曲面骨架確立完成，技術(shù)人員對(duì)每根曲面骨架結(jié)構(gòu)進(jìn)行編號(hào)以每根骨架為一個(gè)單元，將骨架數(shù)據(jù)進(jìn)行分解，這樣“骨架化雙曲為單曲”形式，一方面用于工廠對(duì)曲面骨架加工，另一方面將曲面骨架外邊緣點(diǎn)基準(zhǔn)點(diǎn)坐標(biāo)分解，通過機(jī)器人放樣技術(shù)完成坐標(biāo)點(diǎn)放樣、定位，并做好編號(hào)標(biāo)記。

因工期緊張，為了進(jìn)一步加快骨架施工進(jìn)度，技術(shù)人員查詢各種相關(guān)資料及文件，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)安裝骨架荷載進(jìn)行計(jì)算、分析，得到鋼結(jié)構(gòu)實(shí)際安裝荷載，技術(shù)人員并通過BIM模型模擬計(jì)算荷載，并確立“抱箍”點(diǎn)、轉(zhuǎn)換層施工方案。采用100×50×3mm熱鍍鋅方管加工成“回”字形構(gòu)件，以“抱箍”的方式固定于原建筑鋼結(jié)構(gòu)上方。每個(gè)“抱箍”點(diǎn)位間距3m，通過加工成型的“回”字形構(gòu)件安裝用于轉(zhuǎn)換層施工，檢查“抱箍”點(diǎn)及轉(zhuǎn)換層施工焊接牢固性，并進(jìn)行焊渣清除，做好防銹處理，如圖6所示。

1-原建筑鋼結(jié)構(gòu)；2-“回”字形抱箍點(diǎn)；3-轉(zhuǎn)換層；4-鍍鋅方管加固、調(diào)節(jié)層；5-40×40×3mm曲面骨架。圖6 “抱箍”點(diǎn)及轉(zhuǎn)換層安裝示意圖

3.3 豎向主龍骨施工

(1)施工前做好各項(xiàng)技術(shù)交底工作，核對(duì)施工現(xiàn)場。根據(jù)土建、鋼結(jié)構(gòu)等現(xiàn)場實(shí)際進(jìn)度，參照放樣坐標(biāo)，采用水平紅外線儀器(水平靠尺)，進(jìn)行豎向主龍骨及墻面預(yù)埋件施工。地面埋件施工參照放樣坐標(biāo)，并預(yù)留曲面骨架的施工位置。

(2)預(yù)埋件與豎向主龍骨采用熱鍍鋅方管相連接，安裝須與國家現(xiàn)行的有關(guān)規(guī)定及設(shè)計(jì)要求相符，檢查埋件及豎向主龍骨安裝牢固性、準(zhǔn)確性等,進(jìn)行焊渣清除，做好防銹處理。

(3)將一層水平標(biāo)高，引至墻面豎向主龍骨上端，并檢測水平標(biāo)高偏差值，作為水平參考線。

3.4 曲面骨架施工

(1)工廠根據(jù)每段曲面骨架的半徑、長度等數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合加工，將每根鋼材進(jìn)行拉彎、編號(hào)。每根鋼材常規(guī)長度為6m，工廠對(duì)每段曲面骨架分解、拉彎過程中，出現(xiàn)BIM模型優(yōu)化的加工長度會(huì)大于常規(guī)鋼材長度，技術(shù)人員根據(jù)相接近數(shù)據(jù)對(duì)鋼材進(jìn)行加工及鋼材備用，或者在數(shù)據(jù)中出現(xiàn)相鄰骨架半徑值相同及接近的數(shù)據(jù)進(jìn)行加工，可以減少鋼材的損耗。

(2)曲面骨架加工材料進(jìn)場，施工班組參照骨架編號(hào)和放樣坐標(biāo)進(jìn)行堆放，減少材料二次周轉(zhuǎn)，便于曲面骨架的安裝。

(3)參照水平標(biāo)高線，專業(yè)的焊接技術(shù)人員會(huì)通過測量曲面骨架最低標(biāo)高點(diǎn)位，通過40mm×40mm×3mm鍍鋅方管作為標(biāo)記點(diǎn)位，因豎向主龍骨安裝會(huì)有一定的偏差，采用鋼絲吊線方法與曲面骨架外邊緣點(diǎn)基準(zhǔn)點(diǎn)坐標(biāo)相結(jié)合，控制最低曲面骨架安裝垂直度。通過模型可以發(fā)現(xiàn)面板表皮模型展開面呈扇形，為了保證每塊面板安裝能精準(zhǔn)曲面骨架上。技術(shù)人員對(duì)整個(gè)模型展開面進(jìn)行分析，找到面板安裝中心點(diǎn)，根據(jù)模型測量的尺寸，這樣以中心點(diǎn)骨架向兩端定位曲面骨架距離，確保面板安裝的精準(zhǔn)度，如圖7所示。

圖7 曲線展廊表皮展開示意圖

(4)曲面骨架安裝過程中，從中心點(diǎn)位兩端骨架逐漸向中心點(diǎn)骨架傾斜呈放射狀，為了控制曲面骨架安裝水平高度，通過Revit軟件將每根曲面骨架坐標(biāo)進(jìn)行測量分解，加工曲面骨架連接件，獲取連接件點(diǎn)位坐標(biāo)值結(jié)合機(jī)器人放樣精準(zhǔn)定位。參照水平標(biāo)高線，通過采用鋼絲吊線方法(水平紅外線儀器)，對(duì)骨架的高度進(jìn)行復(fù)查，確認(rèn)無誤焊接曲面骨架連接件。并按此方法依次安裝每段曲面骨架，形成無規(guī)則三維曲面造型。

(5)曲面骨架施工完成進(jìn)行骨架的整體檢查，確保骨架整體牢固性，對(duì)焊接點(diǎn)位做防銹處理，完成骨架隱蔽驗(yàn)收。

4 效益成效

通過對(duì)雙曲面骨架施工過程的實(shí)踐，從傳統(tǒng)的骨架施工工藝到新科技運(yùn)用，解決了雙曲面骨架造型定位難、加工周期長等施工問題，其帶來主要效益：

(1)通過3D掃描技術(shù)、BIM技術(shù)運(yùn)用于建筑施工，能夠?qū)⒕?xì)節(jié)點(diǎn)、復(fù)雜的曲面展示出來，能夠?qū)⑹┕づc設(shè)計(jì)搭建良好的平臺(tái)，確保項(xiàng)目快速的工作流程；

(2)通過BIM技術(shù)指導(dǎo)、運(yùn)用，實(shí)現(xiàn)墻面豎向主龍骨、鋼結(jié)構(gòu)“抱箍”點(diǎn)、曲面骨架加工同步生產(chǎn)，縮短生產(chǎn)周期，有效降低施工成本；

(3)通過BIM模型優(yōu)化，對(duì)曲面骨架編號(hào)、生產(chǎn)，一方面減少鋼材的損耗以及加工曲面骨架能充分利用，另一方面對(duì)加工曲面骨架進(jìn)行編號(hào)減少材料二次周轉(zhuǎn)，大大降低施工成本；

(4)通過機(jī)器人放樣技術(shù)，使曲面骨架安裝一次成型，減少不必要的返工，提高骨架安裝精準(zhǔn)度，提高工程質(zhì)量。

5 結(jié)語

通過3D實(shí)景掃描技術(shù)+BIM技術(shù)+機(jī)器人放樣技術(shù)，攻克了曲線展廊骨架加工、放樣、定位的施工難題，提高工程質(zhì)量。新技術(shù)的應(yīng)用幫助項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)了綠色化生產(chǎn)，不但減少材料的浪費(fèi)，同時(shí)也減少對(duì)環(huán)境的污染。促進(jìn)建筑施工的可持續(xù)發(fā)展，也為類似復(fù)雜的曲面骨架施工提供借鑒。