異形曲面單元體幕墻施工技術(shù)

洪巧良，劉 振，王芬奇，陳 井，崔 能

(云南建投第四建設(shè)有限公司，云南 昆明 650217)

1 工程概況

云報(bào)傳媒廣場(chǎng)建設(shè)項(xiàng)目總建筑面積 120 180m2，框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，外立面圍護(hù)為單元體幕墻結(jié)構(gòu)，建筑1號(hào)樓東樓、西樓對(duì)稱向內(nèi)收縮，形成聲波船體形狀，象征著信息的傳播。獨(dú)特的外觀設(shè)計(jì)成為昆明市區(qū)一地標(biāo)性建筑。建筑地上23層，高度99.9m。工程單元體幕墻約3 500塊，其中標(biāo)準(zhǔn)層單元體3 100余塊，內(nèi)凹面單元體322塊，由不同尺寸、不同規(guī)格的異形曲面單元體組成，單元體最大尺寸為3m×5.5m，最大質(zhì)量為800kg。

本研究結(jié)合項(xiàng)目獨(dú)特的外形特點(diǎn)，針對(duì)幕墻內(nèi)凹雙曲面施工難點(diǎn)進(jìn)行分析，對(duì)內(nèi)凹面幕墻施工技術(shù)進(jìn)行研究。采用大樓BIM模型結(jié)合總圖布置模型對(duì)整個(gè)施工過(guò)程進(jìn)行模擬，從而保證幕墻預(yù)埋件施工定位準(zhǔn)確，提高幕墻構(gòu)件的預(yù)埋準(zhǔn)確度。選擇合適的吊裝方法，設(shè)計(jì)合適的吊裝設(shè)備、吊裝路線，最大限度滿足吊裝要求。

2 工藝原理

2.1 建立BIM模型，方案優(yōu)化

采用Revit對(duì)幕墻進(jìn)行建模，初期建立LOD300模型碰撞檢查、施工模擬等，施工階段創(chuàng)建LOD400模型用于施工構(gòu)件加工、放樣及施工定位及指導(dǎo)。

2.2 單元體加工

BIM模型建立完成后，將三維模型中的玻璃幕墻構(gòu)件劃分為若干單元，對(duì)構(gòu)件進(jìn)行編號(hào)，然后提取加工所需的信息，玻璃幕墻構(gòu)件加工信息包含尺寸、角度、彎折值、材質(zhì)、數(shù)量、質(zhì)量等。將模型提取的加工數(shù)據(jù)導(dǎo)入數(shù)控機(jī)床進(jìn)行加工。

2.3 單元體安裝

單元體幕墻按編號(hào)運(yùn)輸至對(duì)應(yīng)安裝位置，采用專用懸臂式起重機(jī)運(yùn)至樓層并安裝。

3 異形曲面單元體幕墻施工

在傳統(tǒng)施工中，平面施工主要工序?yàn)椋簻y(cè)量放線→轉(zhuǎn)接件安裝→鋁型材立柱安裝→鋁型材橫梁安裝→避雷連接→層間防火封堵→安裝玻璃→安裝橫(豎)向扣蓋→注膠及表面清洗。

在本研究中，外立面為異形曲面單元體玻璃幕墻采用BIM技術(shù)模擬施工，主要施工安裝流程為：?jiǎn)卧w玻璃幕墻BIM模型建立→碰撞、檢測(cè)分析→測(cè)量放線、幕墻預(yù)埋件埋設(shè)→工程主體測(cè)量、模型深化→提料加工→轉(zhuǎn)接件安裝→單元體安裝。

3.1 模型建立

傳統(tǒng)CAD軟件建立異形建筑模型較為困難，本項(xiàng)目采用Revit對(duì)幕墻進(jìn)行建模，項(xiàng)目初期建立LOD300模型碰撞檢查、施工模擬等，施工階段創(chuàng)建LOD400模型用于施工過(guò)程中各項(xiàng)應(yīng)用(見(jiàn)圖1)。

圖1 幕墻模型

將內(nèi)凹雙曲面玻璃幕墻二維圖紙導(dǎo)入Revit軟件，按建模規(guī)范建立玻璃幕墻模型，玻璃幕墻構(gòu)件三維模型中包含玻璃構(gòu)件的材質(zhì)、規(guī)格、尺寸、標(biāo)高、角度,如圖2所示。

圖2 玻璃幕墻構(gòu)件模型

主樓每個(gè)樓層共有5～12種不同類型的板塊系統(tǒng)，利用Revit 軟件創(chuàng)建不同類型板塊的自適應(yīng)點(diǎn)族文件，通過(guò)族文件內(nèi)置參數(shù)的變化，在BIM 模型中可自動(dòng)計(jì)算出板塊的尺寸變化，從而可自動(dòng)調(diào)整板塊大小，隨著工程的進(jìn)展，還可對(duì)不同族文件進(jìn)行節(jié)點(diǎn)深化。這樣避免了由于現(xiàn)場(chǎng)情況帶來(lái)的模型誤差，以致造成后期幕墻加工、施工問(wèn)題，從而保證幕墻造型符合建筑設(shè)計(jì)理念。

3.2 碰撞檢測(cè)、分析

施工過(guò)程中的軟碰撞(即間隙檢查)種類很多，通過(guò)BIM模型，可直觀分析出施工方法對(duì)空間的要求是否滿足。同時(shí)，碰撞報(bào)告中給出了間隙距離，通過(guò)對(duì)這些位置及數(shù)據(jù)的分析，可判定間隙是否在加工及安裝偏差允許的范圍內(nèi)。本項(xiàng)目將單元體安裝偏差設(shè)定為3mm，檢測(cè)模型中<3mm的情況都可能產(chǎn)生碰撞。此外，軟碰撞還包括調(diào)節(jié)幕墻板塊時(shí)需要的操作空間等。在施工方案確定及施工前，應(yīng)用BIM軟件進(jìn)行碰撞分析，不斷發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際消除軟硬碰撞。

3.3 測(cè)量放樣

內(nèi)凹雙曲面玻璃幕墻隨斜柱坐標(biāo)在不同高度不斷變化，傳統(tǒng)的二維放樣方法費(fèi)事費(fèi)力，且難以保證測(cè)量精度，在模板架設(shè)過(guò)程中需反復(fù)測(cè)量才能保證空間位置準(zhǔn)確。采用3D全站儀進(jìn)行施工放樣，將幕墻BIM模型導(dǎo)入3D全站儀中，設(shè)置需放樣的點(diǎn)后自動(dòng)放線，如圖3所示。

圖3 測(cè)量放樣

3.4 幕墻埋件施工

幕墻預(yù)埋件埋設(shè)前組織木工和電焊工進(jìn)行技術(shù)交底，先封三面模板，后將埋件塞入，經(jīng)位置調(diào)整后焊至柱筋上，若無(wú)可靠支撐點(diǎn)，可選擇廢料鋼筋作為過(guò)渡段，連接柱筋和錨筋。

預(yù)埋件焊至挑板鋼筋上，易在混凝土澆筑時(shí)由于振動(dòng)集中而發(fā)生位移，為防止預(yù)埋件產(chǎn)生過(guò)大偏差，采用雙加固方案，將預(yù)埋件用鐵釘固定在模板上，再焊至板底筋上，拆模后，預(yù)埋件位置準(zhǔn)確，幾乎無(wú)偏位。

3.5 實(shí)體模型建立、幕墻模型調(diào)整

3.5.1數(shù)據(jù)采集

樓層結(jié)構(gòu)施工完成后，采用3D全站儀對(duì)預(yù)埋件進(jìn)行測(cè)量，得到相應(yīng)坐標(biāo)。根據(jù)所得到的數(shù)據(jù)，建立實(shí)體玻璃幕墻模型。

3.5.2模型對(duì)比，深化細(xì)部節(jié)點(diǎn)

將實(shí)體模型與已建立的玻璃幕墻構(gòu)件三維模型進(jìn)行比對(duì)，得出玻璃幕墻構(gòu)件實(shí)體的偏差值，若偏差值超出玻璃幕墻規(guī)范要求，則用Revit對(duì)玻璃幕墻構(gòu)件信息進(jìn)行調(diào)整，直至滿足玻璃幕墻規(guī)范要求。

對(duì)滿足規(guī)范要求的玻璃幕墻構(gòu)件三維模型，在Revit中模擬雙曲面玻璃幕墻進(jìn)行整體預(yù)拼裝，在預(yù)拼裝過(guò)程中觀察玻璃幕墻構(gòu)件累積誤差，若累積誤差無(wú)法消除，則用Revit對(duì)出現(xiàn)誤差的玻璃幕墻構(gòu)件信息進(jìn)行調(diào)整，直至預(yù)拼裝的三維模型累積誤差消除，同時(shí)無(wú)軟硬碰撞。

3.6 單元體加工

BIM模型調(diào)整無(wú)誤后，將模型交由監(jiān)理工程師審核，并進(jìn)一步深化模型，主要是對(duì)模型中構(gòu)件的信息及加工數(shù)據(jù)進(jìn)行深化，增加幕墻開(kāi)孔、端切等數(shù)據(jù)，完成LOD400模型的創(chuàng)建，進(jìn)行幕墻加工。LOD400模型主要包含幕墻的加工數(shù)據(jù)信息。將玻璃幕墻構(gòu)件三維模型中的玻璃幕墻構(gòu)件劃分為若干單元，由Revit對(duì)玻璃幕墻構(gòu)件進(jìn)行編號(hào)，然后提取加工所需的信息。玻璃幕墻構(gòu)件加工信息包含尺寸、角度、彎折值、材質(zhì)、數(shù)量、質(zhì)量等。將模型提取的加工數(shù)據(jù)導(dǎo)入數(shù)控機(jī)床進(jìn)行加工。玻璃幕墻構(gòu)件出廠配送到施工現(xiàn)場(chǎng)，按預(yù)拼裝的過(guò)程進(jìn)行實(shí)體構(gòu)件安裝，細(xì)部節(jié)點(diǎn)如圖4所示。

圖4 細(xì)部節(jié)點(diǎn)

3.7 單元體安裝

3.7.1構(gòu)件運(yùn)輸

構(gòu)件從生產(chǎn)場(chǎng)地運(yùn)輸?shù)绞┕がF(xiàn)場(chǎng)，存在出庫(kù)、運(yùn)輸?shù)炔煌h(huán)節(jié)人為因素的影響，要確保幕墻板塊的施工安裝質(zhì)量，必須保證生產(chǎn)車間預(yù)拼裝的工序以及板塊位置。本工程在集成BIM模型數(shù)據(jù)、生產(chǎn)加工數(shù)據(jù)以及預(yù)拼裝數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，將二維碼粘貼在相應(yīng)的幕墻板塊上，現(xiàn)場(chǎng)施工人員通過(guò)掃描讀取二維碼數(shù)據(jù)，確?，F(xiàn)場(chǎng)施工質(zhì)量，也解決了生產(chǎn)車間到施工現(xiàn)場(chǎng)由于人為失誤導(dǎo)致的施工質(zhì)量問(wèn)題。

3.7.2單元體吊運(yùn)

本項(xiàng)目單元體安裝面附近為2層裙房，裙房為1～2層，高5.4～10.9m，占地為大樓以外約15m，中間部分為網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，整個(gè)內(nèi)凹面單元體按常規(guī)吊裝方法，幾乎無(wú)吊裝工作面。圓弧部分單元體安裝與鋼結(jié)構(gòu)施工在同一工作面上，玻璃幕墻安裝效率低，將影響鋼結(jié)構(gòu)和室內(nèi)裝飾的工期。內(nèi)凹面單元體吊裝高度為13～103m。

經(jīng)市場(chǎng)調(diào)查，無(wú)適合的懸臂式起重機(jī)適用于項(xiàng)目，只能根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際情況自制樓層內(nèi)可移動(dòng)懸臂式起重機(jī)。自制可移動(dòng)懸臂式起重機(jī)采用型鋼、滑輪、電動(dòng)機(jī)、鋼絲繩、預(yù)制塊配重等材料現(xiàn)場(chǎng)加工而成，如圖5所示。

圖5 懸臂式起重機(jī)

大樓內(nèi)凹面13層以下樓板逐層內(nèi)收，13層以上逐層外挑，累計(jì)最大內(nèi)收尺寸為6.006m，最大累計(jì)外挑尺寸為8.728m，懸臂式起重機(jī)不能大距離懸挑，在內(nèi)凹面安裝工作面，懸臂式起重機(jī)不只進(jìn)行一次安裝，單元體不能一次吊運(yùn)到位，需進(jìn)行兩次或多次吊運(yùn)。BIM小組應(yīng)用Navisworks軟件，模擬出以下內(nèi)凹面單元體吊裝方案。

1)方案1 根據(jù)內(nèi)凹面圓弧形狀，在4，3，19層及屋面層各安裝1臺(tái)懸臂式起重機(jī)，每棟樓共需設(shè)置4臺(tái)懸臂式起重機(jī)同時(shí)運(yùn)行。從下往上安裝，每層留1塊單元體做吊裝工作面，4層以下用1臺(tái)懸臂式起重機(jī)直接吊裝；4～12層用2臺(tái)懸臂式起重機(jī)吊裝，先用4層懸臂式起重機(jī)吊至3層，再用13層懸臂式起重機(jī)吊裝；13～18層用3臺(tái)懸臂式起重機(jī)吊裝，先用4層懸臂式起重機(jī)吊至3層，再用13層懸臂式起重機(jī)吊至12層，再用19層懸臂式起重機(jī)吊裝；依此類推，19層及以上樓層用4臺(tái)懸臂式起重機(jī)吊裝，最后再封閉預(yù)留吊裝口。

2)方案2 單元體吊裝口不預(yù)留在內(nèi)凹面，而是預(yù)留在大樓正面，方便單元體吊裝，在預(yù)留吊裝口處屋頂設(shè)置1臺(tái)懸臂式起重機(jī)，可從預(yù)留口處將單元體吊至各樓層。再用單元體推車將單元體水平運(yùn)輸至安裝部位，使用安裝部位的懸臂式起重機(jī)吊裝，安裝4層以下時(shí)懸臂式起重機(jī)設(shè)置在4層；安裝4～12層時(shí)，將4層懸臂式起重機(jī)拆裝至13層；安裝13～18層時(shí)，將13層懸臂式起重機(jī)拆裝至19層；安裝19層至屋面時(shí)，將19層懸臂式起重機(jī)拆裝至屋面。內(nèi)凹面幕墻施工段劃分如圖6所示。

圖6 內(nèi)凹面幕墻施工段劃分

在大樓施工過(guò)程中，利用大樓Revit模型及總平面布置Fuzor模型對(duì)2種吊裝方案進(jìn)行模擬，綜合考慮整個(gè)吊裝過(guò)程中可能出現(xiàn)的問(wèn)題，若采用第2種方案，吊裝過(guò)程所經(jīng)歷路徑在總圖模型中可明顯少于第1種吊裝方案，每棟只需2臺(tái)懸臂式起重機(jī)，每個(gè)樓層單元體安裝均只需吊運(yùn)2次就能安裝完成，明顯節(jié)省安裝時(shí)間及操作工人，提高安裝效率。因此，項(xiàng)目采用方案2完成整個(gè)內(nèi)凹面單元體吊裝。BIM技術(shù)模擬總平面如圖7所示。

圖7 BIM技術(shù)模擬總平面

4 使用效果

本工程通過(guò)幕墻模型與3D全站儀放線結(jié)合應(yīng)用，提高了預(yù)埋件埋設(shè)位置的準(zhǔn)確性。模型提取數(shù)據(jù)后進(jìn)行幕墻構(gòu)件加工，避免了人為導(dǎo)致的構(gòu)件信息錯(cuò)誤，保證了單元體組裝精度，減少了資源浪費(fèi)。同時(shí)，通過(guò)自制懸臂式起重機(jī)進(jìn)行單元體吊裝，利用BIM三維結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件對(duì)懸臂式起重機(jī)進(jìn)行建模分析，提高計(jì)算效率，自制懸臂起重機(jī)巧妙采用螺栓連接、四角安裝滑輪的方式，方便設(shè)備移動(dòng)、拆裝。

5 結(jié)語(yǔ)

圓弧異形單元體幕墻施工技術(shù)在云報(bào)傳媒廣場(chǎng)建設(shè)項(xiàng)目中的應(yīng)用，使得內(nèi)凹曲面單元體玻璃幕墻安裝效率有很大提升，比預(yù)計(jì)工期提前了9d，節(jié)約了人、材、機(jī)和現(xiàn)場(chǎng)管理費(fèi)用。

應(yīng)用BIM技術(shù)在異形幕墻施工前進(jìn)行預(yù)拼裝，避免了在現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)因誤差較大導(dǎo)致的返廠加工。玻璃幕墻通過(guò)模型直接提取數(shù)據(jù)，提高了生產(chǎn)效率，減少了資源浪費(fèi)。同時(shí)，BIM模型施工放樣、單元體數(shù)字化加工、模擬安裝，對(duì)探索BIM技術(shù)在圓弧異形單元體幕墻施工中的應(yīng)用做了大膽的嘗試和實(shí)踐，為云南地區(qū)圓弧異形單元體玻璃幕墻技術(shù)的發(fā)展和研究提供了參考。