基于BIM技術(shù)的大扭轉(zhuǎn)雙向曲面玻璃幕墻設(shè)計(jì)與施工

李 宇 嘉特納幕墻(上海)有限公司程師

大扭轉(zhuǎn)雙向曲面玻璃幕墻不同于普通幕墻，為了營造出其特有的藝術(shù)效果，在設(shè)計(jì)過程中必須在確保幕墻結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的同時(shí)實(shí)現(xiàn)多角度旋轉(zhuǎn)[1]。大扭轉(zhuǎn)雙向曲面玻璃幕墻在本質(zhì)上屬于不規(guī)則結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)難度更大。在我國，以往針對大扭轉(zhuǎn)雙向曲面玻璃幕墻的設(shè)計(jì)，主要將注意力集中在幕墻截面尺寸上，,但在曲線曲率方面未進(jìn)行深入研究，導(dǎo)致設(shè)計(jì)的幕墻無法體現(xiàn)出多角度旋轉(zhuǎn)的美感[2]。而建筑信息模型能完整地表達(dá)出大扭轉(zhuǎn)雙向曲面玻璃幕墻的曲面層疊組合。因此，本文將BIM 技術(shù)應(yīng)用在大扭轉(zhuǎn)雙向曲面玻璃幕墻設(shè)計(jì)中，實(shí)現(xiàn)大扭轉(zhuǎn)雙向曲面玻璃幕墻設(shè)計(jì)與施工。

1 BIM技術(shù)

BIM 技術(shù)，主要用于表達(dá)建筑施工中難以直觀表示的三位立體圖像與導(dǎo)向類建筑物[3]。通過BIM 技術(shù)進(jìn)行大扭轉(zhuǎn)雙向曲面玻璃幕墻的設(shè)計(jì)與施工是本文研究的重點(diǎn)內(nèi)容。

2 基于BIM技術(shù)的大扭轉(zhuǎn)雙向曲面玻璃幕墻設(shè)計(jì)

2.1 劃分扭轉(zhuǎn)雙向曲面玻璃幕墻表皮分格

在大扭轉(zhuǎn)雙向曲面玻璃幕墻設(shè)計(jì)過程中，必須預(yù)先基于BIM 技術(shù)劃分扭轉(zhuǎn)雙向曲面玻璃幕墻表皮分格。本文基于BIM 技術(shù)中Rhino 參數(shù)化設(shè)計(jì)，首先在BIM 模型中設(shè)置2 根基準(zhǔn)線，作為大扭轉(zhuǎn)雙向曲面玻璃幕墻設(shè)計(jì)的輪廓控制線。然后基于BIM技術(shù)的GH 參數(shù)化劃分扭轉(zhuǎn)雙向曲面玻璃幕墻表皮分格，針對表皮分格的劃分?jǐn)?shù)量可依據(jù)大扭轉(zhuǎn)雙向曲面玻璃幕墻設(shè)計(jì)板塊的模數(shù)。最后通過多次調(diào)整劃分扭轉(zhuǎn)雙向曲面玻璃幕墻表皮分格，為大扭轉(zhuǎn)雙向曲面玻璃幕墻設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。

2.2 基于BIM技術(shù)分析大扭轉(zhuǎn)雙向曲面玻璃幕墻曲率

分析大扭轉(zhuǎn)雙向曲面玻璃幕墻曲率，進(jìn)而體現(xiàn)出大扭轉(zhuǎn)雙向曲面玻璃幕墻多角度旋轉(zhuǎn)的美感。首先，確定大扭轉(zhuǎn)雙向曲面玻璃幕墻設(shè)計(jì)中自由面的個(gè)數(shù)；然后，針對每個(gè)自由面的曲率進(jìn)行歷史擬合，必須保證大扭轉(zhuǎn)雙向曲面玻璃幕墻每個(gè)自由面的曲率都能達(dá)到平滑標(biāo)準(zhǔn)；最后，基于BIM 技術(shù)確定大扭轉(zhuǎn)雙向曲面玻璃幕墻龍骨的自由扭曲曲線。本文依據(jù)美學(xué)要求，將大扭轉(zhuǎn)雙向曲面玻璃幕墻龍骨的自由扭曲曲線的曲率最小值視為最優(yōu)曲率。曲率越小，表明大扭轉(zhuǎn)雙向曲面玻璃幕墻的多角度旋轉(zhuǎn)平滑度更高，能在空間中帶來的美感也就越多，符合美學(xué)要求。

2.3 確定大扭轉(zhuǎn)雙向曲面玻璃幕墻結(jié)構(gòu)

在基于BIM 技術(shù)得出大扭轉(zhuǎn)雙向曲面玻璃幕墻曲率的基礎(chǔ)上，就能確定大扭轉(zhuǎn)雙向曲面玻璃幕墻結(jié)構(gòu)?？紤]到大扭轉(zhuǎn)雙向曲面玻璃幕墻屬于復(fù)式結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)具備一定的復(fù)雜性，因此，本文利用BIM 技術(shù)對扭轉(zhuǎn)雙向曲面玻璃幕墻進(jìn)行3D 建模，輸入相關(guān)大扭轉(zhuǎn)雙向曲面玻璃幕墻結(jié)構(gòu)參數(shù)，得到初始化的大扭轉(zhuǎn)雙向曲面玻璃幕墻。

2.4 完成大扭轉(zhuǎn)雙向曲面玻璃幕墻設(shè)計(jì)

確定扭轉(zhuǎn)雙向曲面玻璃幕墻的結(jié)構(gòu)后，需要采用BIM 技術(shù)對其曲面造型進(jìn)行初始化，本文采用BIM 技術(shù)對大扭轉(zhuǎn)雙向曲面玻璃幕墻節(jié)點(diǎn)進(jìn)行空間定位。由于大扭轉(zhuǎn)雙向曲面玻璃幕墻屬于曲面層疊組合，傳統(tǒng)的二維定位模式無法適用于大扭轉(zhuǎn)雙向曲面玻璃幕墻設(shè)計(jì)，需要通過BIM 技術(shù)可視化模擬大扭轉(zhuǎn)雙向曲面玻璃幕墻節(jié)點(diǎn)，在保證大扭轉(zhuǎn)雙向曲面玻璃幕墻美觀性的同時(shí)，不能影響其力學(xué)穩(wěn)定性能。在通過該安裝模擬的基礎(chǔ)上，可以得出大扭轉(zhuǎn)雙向曲面玻璃幕墻調(diào)整后結(jié)構(gòu)，至此完成基于BIM 技術(shù)的大扭轉(zhuǎn)雙向曲面玻璃幕墻設(shè)計(jì)。

3 基于BIM技術(shù)的大扭轉(zhuǎn)雙向曲面玻璃幕墻施工

完成基于BIM 技術(shù)的大扭轉(zhuǎn)雙向曲面玻璃幕墻設(shè)計(jì)后，必須明確大扭轉(zhuǎn)雙向曲面玻璃幕墻施工流程。

3.1 放樣吊線

在大扭轉(zhuǎn)雙向曲面玻璃幕墻施工過程中，完成現(xiàn)場測量后，需要進(jìn)行放樣吊線。在鋼結(jié)構(gòu)吊運(yùn)時(shí)，必須根據(jù)塔吊位置，將結(jié)構(gòu)平面上鋼構(gòu)件合理分配，以由遠(yuǎn)到近的吊運(yùn)原則進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)吊運(yùn)。遵循相關(guān)施工原則，先放水平線，鋼結(jié)構(gòu)外框架后跟進(jìn)，兩者保持一定的節(jié)拍組織。外框鋼柱根據(jù)截面和塔吊性能以1 ～3 層一節(jié)進(jìn)行劃分，內(nèi)框鋼柱與外框鋼柱分段相同，在保證吊線完全垂直的情況下放線。在放樣吊線施工過程中，一定要注意做好相應(yīng)的記錄工作，為后續(xù)施工提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

3.2 安裝鋼結(jié)構(gòu)

完成上部操作后，安裝鋼結(jié)構(gòu)。在鋼結(jié)構(gòu)吊裝施工過程中，由于每個(gè)施工步驟荷載的不斷增加，必然會出現(xiàn)鋼柱與地面接觸處垂直偏差的現(xiàn)象，對連接部分結(jié)構(gòu)帶來較為不利的影響，降低鋼結(jié)構(gòu)吊裝施工的穩(wěn)定性。本文通過計(jì)算鋼柱垂直度的方式，為校正鋼柱的垂直度提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。首先，應(yīng)確定鋼結(jié)構(gòu)吊裝施工中的基礎(chǔ)垂直偏差范圍，依照其垂直偏差規(guī)律，計(jì)算鋼柱垂直度。設(shè)鋼柱垂直度為S，則有公式（1）：

式（1）中，i指的是鋼柱與地面接觸處垂直偏差取值范圍，通常以1 個(gè)單位為標(biāo)準(zhǔn)；n指的是鋼柱垂直偏差中的分層數(shù)量；h指的是鋼結(jié)構(gòu)吊裝施工中鋼柱的豎向剛度；e指的是鋼結(jié)構(gòu)吊裝施工中鋼柱的軸向剛度。結(jié)合上述計(jì)算公式，可得出鋼柱垂直度。以垂直90°為標(biāo)準(zhǔn)，對出現(xiàn)鋼柱與地面接觸處垂直偏差的鋼柱進(jìn)行校正，保證鋼柱與地面呈現(xiàn)90°垂直，進(jìn)而確保鋼柱在大扭轉(zhuǎn)雙向曲面玻璃幕墻施工中能起到對大扭轉(zhuǎn)雙向曲面玻璃幕墻穩(wěn)定支撐的作用。在保證鋼柱與地面呈現(xiàn)90°垂直的前提下，完成鋼結(jié)構(gòu)安裝。

3.3 安裝大扭轉(zhuǎn)雙向曲面玻璃幕墻龍骨

大扭轉(zhuǎn)雙向曲面玻璃幕墻施工中的核心部分是大扭轉(zhuǎn)雙向曲面玻璃幕墻龍骨安裝，本文基于BIM 技術(shù)對大扭轉(zhuǎn)雙向曲面玻璃幕墻龍骨安裝前進(jìn)行碰撞檢查，保證無任何可能沖突的情況下安裝大扭轉(zhuǎn)雙向曲面玻璃幕墻龍骨。利用基礎(chǔ)板鋼筋（2根，直徑不小于25mm）焊接成接地網(wǎng)；采用φ12 鋼筋分別與上下兩層的梁主筋進(jìn)行跨接，跨接長度為其直徑的6 倍以上（100mm）。鉆孔終孔后下入直縫焊管，工作管與外壁之間用水泥漿進(jìn)行固井；終孔后提供準(zhǔn)確的孔底坐標(biāo)，位移偏差不大于2.5m；套管接口處進(jìn)行焊接，加焊加強(qiáng)筋，保證大扭轉(zhuǎn)雙向曲面玻璃幕墻龍骨密封性；工作管及護(hù)壁管的選擇及安裝必須滿足質(zhì)量要求。焊接幕墻龍骨鋼梁和鋼柱位置栓釘焊接規(guī)范參考值，如表1 所示。

第一步，使用校準(zhǔn)設(shè)備對待拼接的幕墻龍骨鋼梁和鋼柱實(shí)施校準(zhǔn)處理，做起頂支墩，采用萬能桿件沿墻軸線拼裝。用130t汽車吊機(jī)拼裝節(jié)間大扭轉(zhuǎn)雙向曲面玻璃幕墻龍骨鋼梁，一經(jīng)發(fā)現(xiàn)不滿足檢測要求的施工區(qū)域，應(yīng)快速做出反應(yīng)，避免對后期施工造成連續(xù)影響。

第二步，按拼裝吊機(jī)走行的要求，使用2 輛或4 輛運(yùn)輸梁板平車以均勻速度移動(dòng)大扭轉(zhuǎn)雙向曲面玻璃幕墻龍骨鋼梁（將移動(dòng)速度調(diào)整在7.5 ～9.5m/s），當(dāng)前段運(yùn)輸車到達(dá)起重機(jī)端時(shí)，使用前吊車的鋼絲繩環(huán)調(diào)前梁端，等待大扭轉(zhuǎn)雙向曲面玻璃幕墻龍骨鋼梁和鋼柱吊裝施工穩(wěn)定，此時(shí)后平車以4.55 ～4.65m/s 的速度勻速向前運(yùn)行，當(dāng)其達(dá)到起重機(jī)后端時(shí)，使用相同方法吊起鋼梁后端，反復(fù)循環(huán)上述操作，進(jìn)行精準(zhǔn)對位，直至連接大扭轉(zhuǎn)雙向曲面玻璃幕墻龍骨鋼梁和鋼柱施工架設(shè)完成。

第三步，待大扭轉(zhuǎn)雙向曲面玻璃幕墻龍骨鋼梁和鋼柱整體架設(shè)完成后，鋼梁實(shí)際的允許承載力需要調(diào)查核實(shí)，要求滿足130 t 重型汽車及吊機(jī)通過的需要。確保大扭轉(zhuǎn)雙向曲面玻璃幕墻龍骨鋼梁連接部分可有效銜接，并設(shè)定7d 與14d 養(yǎng)護(hù)時(shí)間，保證整體大扭轉(zhuǎn)雙向曲面玻璃幕墻龍骨施工工程的穩(wěn)定性，完成大扭轉(zhuǎn)雙向曲面玻璃幕墻龍骨安裝。

3.4 外墻打膠

由于大扭轉(zhuǎn)雙向曲面玻璃幕墻還有很多曲面結(jié)構(gòu)，因此，在外墻打膠的施工過程中，采用單支式大扭轉(zhuǎn)雙向曲面玻璃幕墻填縫密封，選用硅酮結(jié)構(gòu)密封膠進(jìn)行外墻打膠，保證大扭轉(zhuǎn)雙向曲面玻璃幕墻粘結(jié)質(zhì)量，并通過后續(xù)相應(yīng)的清洗工作?？⒐を?yàn)收后，完成大扭轉(zhuǎn)雙向曲面玻璃幕墻施工。

4 結(jié)語

通過基于BIM 技術(shù)的大扭轉(zhuǎn)雙向曲面玻璃幕墻設(shè)計(jì)與施工研究，能取得一定的研究成果，解決傳統(tǒng)大扭轉(zhuǎn)雙向曲面玻璃幕墻設(shè)計(jì)與施工中存在的問題。由此可見，本文設(shè)計(jì)的大扭轉(zhuǎn)雙向曲面玻璃幕墻是具有現(xiàn)實(shí)意義的。在后期的發(fā)展中，應(yīng)加大本文設(shè)計(jì)大扭轉(zhuǎn)雙向曲面玻璃幕墻在現(xiàn)實(shí)中的應(yīng)用力度。在日后的研究中還需要進(jìn)一步對大扭轉(zhuǎn)雙向曲面玻璃幕墻的優(yōu)化設(shè)計(jì)展開深入研究，為提高大扭轉(zhuǎn)雙向曲面玻璃幕墻的綜合性能提供參考。

表1 焊接幕墻龍骨鋼梁和鋼柱位置栓釘焊接規(guī)范參考值