基于BIM技術(shù)的雙曲面混凝土環(huán)梁施工工藝

呂家玉 侯慶達(dá) 孔 強 盛福衡 孫錫強 劉海營 李志文

中建八局第二建設(shè)有限公司 山東 濟南 250013

1 工程概況

安徽省阜陽市大劇院外幕墻為單元式玻璃幕墻，其標(biāo)準(zhǔn)板塊為平行四邊形，幕墻外立面呈內(nèi)傾或外傾的造型，各板塊尺寸不一致、質(zhì)量較大；其支撐體系為鋼結(jié)構(gòu)（圖1），為滿足鋼結(jié)構(gòu)支撐要求，在結(jié)構(gòu)外圍設(shè)置雙曲面鋼筋混凝土環(huán)梁，總長度426 m。此雙曲面混凝土環(huán)梁功能為外幕墻鋼結(jié)構(gòu)體系支撐結(jié)構(gòu)，共承載2 700 t鋼結(jié)構(gòu)。此結(jié)構(gòu)從主體外圈框架柱通過設(shè)置牛腿的方式外懸挑0.57～2.92 m，豎直標(biāo)高由±0～15.717 m平滑過渡。鋼結(jié)構(gòu)預(yù)埋件共計244個，分布于雙曲面鋼筋混凝土環(huán)梁頂面，且梁截面分為矩形截面和梯形截面2種，其中梯形截面梁長度88 m，矩形截面梁長度338 m。

本工程幕墻支撐用雙曲面混凝土環(huán)梁，其造型復(fù)雜，主要難點如下：

1）空間曲率及坡度變化較大，傳統(tǒng)的測量放線技術(shù)無法滿足施工精度要求。

圖1 外圍幕墻鋼結(jié)構(gòu)BIM模型

2）模板體系選型需綜合考慮，兼顧模板的重復(fù)利用性及模板支設(shè)的可實施性。

3）環(huán)梁最高高度為15.717 m，其模板支撐為高支模體系，安全性要求較高。

4）環(huán)梁通過鋼筋混凝土牛腿與主樓外圍框架柱相連接，其施工縫劃分及施工順序難度大。

2 主要技術(shù)創(chuàng)新

1）BIM是以三維數(shù)字技術(shù)為基礎(chǔ)，集成了建筑工程項目設(shè)計、建造、管理、運營等各種相關(guān)信息的工程數(shù)據(jù)模型，是對工程項目相關(guān)信息的詳盡表達(dá)。BIM技術(shù)在建筑領(lǐng)域，已趨于成熟并得到廣泛應(yīng)用。通過三維數(shù)字技術(shù)模擬建筑物所具有的真實信息，為工程設(shè)計和施工提供相互協(xié)調(diào)、內(nèi)部一致的信息模型，使該模型達(dá)到設(shè)計施工的一體化，各專業(yè)協(xié)同工作。本工程將采用包括但不限于Autodesk Revit、Rhinoceros、Grasshopper、Navisworks、Catia等軟件，創(chuàng)建BIM模型，并通過建立的三維立體模型，解決環(huán)梁空間測量定位，與主樓節(jié)點碰撞、支撐體系搭設(shè)等關(guān)鍵技術(shù)難點。

2）本環(huán)梁模板體系主要考慮2種方案：一是直接加工定型化弧形模板；二是通過平面模板代替圓弧模板的方案，“以直代曲”進行施工。由于本環(huán)梁標(biāo)高變化較大，且曲率不一、細(xì)部曲率較小，定型化模板在不同的位置及標(biāo)高處需分別配置，無法實現(xiàn)模板的周轉(zhuǎn)使用，故選用第2種方案，通過“以直代曲”的模板體系，在滿足后期幕墻施工精度要求的前提下，實現(xiàn)環(huán)梁的澆筑成型。

3）遵照按樓層、施工段、伸縮縫劃分檢驗批的原則，采用“由低到高、分層澆筑”的混凝土施工順序，避免由于結(jié)構(gòu)變形、標(biāo)高不規(guī)則變化等可能引起的質(zhì)量通病。

3 工藝概況

雙曲面混凝土環(huán)梁施工運用BIM技術(shù)建立三維立體模型，由相關(guān)軟件導(dǎo)出環(huán)梁的三維定位坐標(biāo)，現(xiàn)場結(jié)合全站儀、水準(zhǔn)儀等進行三維坐標(biāo)的空間定位；采用承插型盤扣式鋼管支架體系，實現(xiàn)支撐架體的快速搭設(shè)，既可縮短工期，又可保證施工的安全；施工時按樓層、分區(qū)的順序分段施工，本施工工藝重點在于空間測量定位及模板支設(shè)，在保證其施工功能的前提下，減少混凝土的質(zhì)量通病。

4 工藝流程

幕墻設(shè)計深化→建立BIM模型→三維坐標(biāo)提取→架體測量放線→架體搭設(shè)→雙曲面環(huán)梁初步空間定位→環(huán)梁底模支設(shè)→精確測量定位→環(huán)梁底模微調(diào)及側(cè)模放線定位→環(huán)梁鋼筋綁扎→鋼結(jié)構(gòu)預(yù)埋件定位安裝→環(huán)梁側(cè)模支設(shè)及加固→復(fù)核驗收→混凝土澆筑→收面→養(yǎng)護→拆模

5 操作要點

5.1 基于BIM技術(shù)的空間測量定位

雙曲環(huán)梁通過設(shè)置牛腿的方式外懸挑，豎直標(biāo)高跨度過大，為滿足后期幕墻安裝及成型觀感要求，不同標(biāo)高的環(huán)梁間采用平滑過渡的方式，而在設(shè)計之初，設(shè)計院只能出具建筑外造型表皮模型，二維圖紙出具后，不具有參考價值，給后期施工帶來了極大難度，且傳統(tǒng)的放線方式，無法滿足測量定位的精度要求。故借助Rhinoceros及Revit建立三維的建筑信息模型對二維圖紙進行深化設(shè)計，同時預(yù)先發(fā)現(xiàn)圖紙及結(jié)構(gòu)間碰撞等問題。

5.1.1 深化設(shè)計

將幕墻的深化設(shè)計工作前置，此階段主要運用2種三維建模軟件：Rhinoceros和Revit。以往的實踐發(fā)現(xiàn)[1]，犀牛軟件在曲面幕墻建模上具有較大的優(yōu)勢，如：強大的曲面建模功能，能夠方便地分割幕墻曲面，分割后的幕墻曲面誤差較小或者無誤差，可很好地標(biāo)注曲面的展開邊，并且可以很好地與其他工程軟件相兼容；而Revit強于建筑設(shè)計推敲和機電優(yōu)化，可建立建筑各專業(yè)的實體模型，很好地解決各專業(yè)間的碰撞問題，而且各種建筑信息均可導(dǎo)入，平面生成得也很精準(zhǔn)，參數(shù)設(shè)定好后還可以導(dǎo)出粗略的節(jié)點圖；在后期階段，當(dāng)設(shè)計已經(jīng)定型時，利用Revit可以進行細(xì)節(jié)深化以及圖紙繪制，所有東西自動更新，非常方便，極大地提高了效率，也節(jié)省了時間成本。

因此，該工程深化設(shè)計時決定采用2種軟件分別建立三維模型，即先選定同一坐標(biāo)原點，再運用Rhinoceros建立雙曲梁及外幕墻結(jié)構(gòu)的三維立體模型（圖2），同時運用Revit軟件建立主體結(jié)構(gòu)的三維模型（圖3）；待模型建立后，將Rhinoceros模型導(dǎo)入Revit中，及時發(fā)現(xiàn)施工過程中可能導(dǎo)致的碰撞問題，并聯(lián)系建設(shè)及設(shè)計方及時解決，為后期的實體放線做好前期的技術(shù)準(zhǔn)備。

圖2 雙曲梁及外幕墻結(jié)構(gòu)三維立體模型

圖3 主體結(jié)構(gòu)的三維模型

5.1.2 提取三維坐標(biāo)點

在實際建造過程中，針對不同曲率半徑加工不同的模板，費時費力，且無法實現(xiàn)模板的高周轉(zhuǎn)，因此考慮運用由多個短直線組成的多段線替代一段較長曲線的方法，在組成同等長度多段線的直線越多的情況下，由直線組成的多段線就越接近弧線，即“以弦代弧、以直代曲”[2]，此方法不僅解決了模板加工困難的問題，也方便了現(xiàn)場的施工，同時可滿足后期幕墻安裝的精度要求。

針對外裝飾幕墻的深化設(shè)計圖紙，在建立好的三維立體模型上，每小于等于2 m提取一個三維坐標(biāo)點（圖4），并將選好的點通過Rhinoceros軟件導(dǎo)出，以用于現(xiàn)場放線。

5.1.3 放線定位

1）為保證放樣精度，在現(xiàn)場放線前將所用全站儀、水準(zhǔn)儀、鋼尺等送至相關(guān)儀器檢測單位進行了全面的檢查和校正，使儀器的各項性能滿足放線的精度要求。

2）復(fù)核測繪院給定的原始坐標(biāo)及標(biāo)高，如原始坐標(biāo)出現(xiàn)問題，及時與建設(shè)方溝通解決。

3）在現(xiàn)場選定4個坐標(biāo)控制點，并將復(fù)核無誤的原始坐標(biāo)及標(biāo)高引至場內(nèi)。

4）根據(jù)所提取的三維坐標(biāo)點在施工現(xiàn)場平面進行定位工作，此階段主要應(yīng)用于支撐體系搭設(shè)定位。

5）待支撐體系搭設(shè)完成后，支設(shè)環(huán)梁底模。

6）通過全站儀進行第2次測量定位，此階段主要應(yīng)用于梁底模微調(diào)及梁側(cè)放線（圖5），定位過程如下：待梁底模板加固完成后，用全站儀在底部模板上進行平面坐標(biāo)的精確定位并做相應(yīng)的標(biāo)記；對已經(jīng)定位在模板上的坐標(biāo)點，用水準(zhǔn)儀進行復(fù)測，將不符合精度要求的坐標(biāo)點進行標(biāo)記，并調(diào)整相應(yīng)模板的標(biāo)高；在完成標(biāo)高調(diào)整的梁底模板上用全站儀再次進行平面坐標(biāo)的放樣調(diào)整，如此往復(fù)，直至坐標(biāo)點的平面坐標(biāo)及標(biāo)高均滿足施工要求為止。

圖4 雙曲環(huán)梁提取的坐標(biāo)點

圖5 雙曲環(huán)梁定位放線

7）待環(huán)梁鋼筋綁扎完成后，進行第3次測量定位，此階段主要應(yīng)用于鋼結(jié)構(gòu)預(yù)埋件安裝定位及環(huán)梁復(fù)核。

8）待梁側(cè)模加固完成后，進行第4次測量復(fù)核，此階段主要應(yīng)用于復(fù)核驗收。

5.2 架體搭設(shè)

為實現(xiàn)支撐架體的快速搭設(shè)，縮短工期，保證施工的安全，本工程擬采用承插型盤扣式鋼管支架體系，可適應(yīng)多種工程情況的需求，結(jié)構(gòu)受力合理，連接安全可靠。

1）根據(jù)立桿及橫桿的設(shè)計組合，搭設(shè)900 mm×900 mm的承插型盤扣式支架，并使用經(jīng)緯儀控制立桿的垂直度，嚴(yán)格控制水平及豎向剪刀撐搭設(shè)，以滿足剪刀撐的加設(shè)要求，對于高支模區(qū)域必須在下層施工時設(shè)置連接件，用于保證架體整體穩(wěn)固性。

2）支撐架體搭設(shè)完成后，對其平面位置、頂部各點標(biāo)高、U形托長度及整體受力性進行復(fù)核。

5.3 梁底支模

鋪設(shè)環(huán)梁底模時，模板邊緣大于結(jié)構(gòu)尺寸20 cm左右，待第2次放線定位后，通過調(diào)整支撐架體的U形托，進行微調(diào)底模高度，待高度調(diào)整后再次調(diào)整坐標(biāo)位置點，如此循環(huán)往復(fù)，直至三維坐標(biāo)位置滿足精度要求為止。

5.4 鋼筋綁扎

根據(jù)環(huán)梁定位坐標(biāo)將環(huán)梁結(jié)構(gòu)內(nèi)圓、外圓水平投影線放出，以內(nèi)圓模板位置為起始點布設(shè)結(jié)構(gòu)徑向第1層鋼筋，鋼筋長度按照該跨放線確定，梁柱節(jié)點需達(dá)到規(guī)范設(shè)計的錨固長度的要求，鋼筋連接采用直螺紋套筒連接技術(shù)，減少下料誤差。以外圓模板位置為起始點布設(shè)徑向第2層鋼筋。鋼筋下料長度同理。隨后布設(shè)環(huán)梁箍筋，箍筋間距以內(nèi)圓徑向間距為設(shè)計要求控制。

5.5 鋼結(jié)構(gòu)預(yù)埋及安裝

根據(jù)BIM模型導(dǎo)出預(yù)埋件位置的數(shù)據(jù)，運用全站儀進行幕墻鋼結(jié)構(gòu)預(yù)埋件的定位，待環(huán)梁鋼筋綁扎完成后，利用塔吊將預(yù)埋件吊裝至準(zhǔn)確位置進行安裝、復(fù)核及固定。

5.6 環(huán)梁側(cè)模支設(shè)

利用建立好的BIM模型及提取的三維坐標(biāo)點將梁側(cè)模進行切割劃分，對不同段的模板分別進行編號，同時導(dǎo)出模板的加工數(shù)據(jù)，在后臺提前對模板進行精細(xì)化加工，對于拼縫處的模板，運用BIM技術(shù)進行模板的預(yù)拼裝，預(yù)先檢驗?zāi)０宓钠囱b效果，實現(xiàn)模板施工的“零返工”。

對已經(jīng)編號的側(cè)模，在底模三維放線定位時做出標(biāo)記，待底模加固后按照編號直接進行環(huán)梁側(cè)模的支設(shè)，既縮短了施工工期，又保證了模板的拼裝效果，減少了不必要的返工，實現(xiàn)了一定的社會與經(jīng)濟效益。

5.7 混凝土澆筑

1）根據(jù)施工縫留置要求，在結(jié)構(gòu)受剪力較小和便于施工的部位留置施工縫，合理安排環(huán)梁的施工順序。根據(jù)預(yù)先劃分的施工區(qū)域和現(xiàn)場實際情況安排大面上的整體施工順序；在同一澆筑區(qū)域內(nèi)，為避免混凝土澆筑過程中因離析和坡度過大造成梁底蜂窩麻面等混凝土質(zhì)量通病，優(yōu)先選擇坡度變化較小的區(qū)域劃分為同一區(qū)段；對于坡度變化較大的區(qū)段，由最高處向兩側(cè)劃分施工區(qū)段，同時為減緩混凝土澆筑過程中的沖擊力，在環(huán)梁徑向設(shè)置垂直緩沖帶，緩沖帶由快易收口網(wǎng)、定位筋等構(gòu)成，定位筋與縱向受力筋綁扎搭接，間距視結(jié)構(gòu)坡度大小確定。

2）確定混凝土各項性能指標(biāo)。根據(jù)設(shè)計圖紙及規(guī)范要求，環(huán)梁混凝土強度等級為C40，坍落度為（180±20）mm。

3）混凝土振搗。因環(huán)梁過高，環(huán)梁需分層澆筑，待第1層混凝土初凝前，進行二次澆筑成型，澆筑過程中合理安排施工順序，防止出現(xiàn)冷縫；且澆筑過程采用二次振搗的方式，振搗時按照相關(guān)規(guī)范要求，快插慢拔且必須插入下層混凝土中50 mm；對于鋼結(jié)構(gòu)預(yù)埋件位置，因鋼筋密度過大，鋼筋間距過小，振搗時間應(yīng)按照實際要求相應(yīng)延長，以不產(chǎn)生混凝土離析為準(zhǔn)，使上部懸浮骨料盡量下沉，保證埋件位置密實無空腔，必要時可先在梁底澆筑一層相同配合比的水泥砂漿；振搗過程中，振搗棒不得觸及鋼筋、模板、埋件等，以免發(fā)生移位，影響成型質(zhì)量及后期幕墻結(jié)構(gòu)的安裝。

5.8 混凝土收面

1）待環(huán)梁混凝土澆筑完畢后，安排專人及時用抹刀抹平，使梁表面無凸出的粗骨料。若梁表面有泌水，則應(yīng)及時排除并重新抹平。

2）為防止環(huán)梁表面泌水現(xiàn)象，支設(shè)側(cè)模時在模板底部留孔用以排出氣泡和浮漿。

5.9 混凝土養(yǎng)護

環(huán)梁采用2種養(yǎng)護方式，其中環(huán)梁側(cè)面采用帶模養(yǎng)護方式，側(cè)面模板拆除時間需滿足相應(yīng)規(guī)范規(guī)定的拆模強度要求，環(huán)梁表面面層采用覆蓋塑料薄膜養(yǎng)護的方法，當(dāng)氣溫低于5 ℃時，加覆棉氈用以保溫。

5.10 架體監(jiān)測

1）在環(huán)梁混凝土澆筑前測量一次，在混凝土澆筑后測量一次；同時在混凝土澆筑過程中每間隔一定的時間分別測量，實時關(guān)注支撐架體的變化情況；在混凝土終凝達(dá)到上人強度后復(fù)測一次，并與之前的測量數(shù)據(jù)對比。

2）對測量后的數(shù)據(jù)及時進行分析處理，查看混凝土澆筑前后架體高度方向的變化情況，根據(jù)收集的數(shù)據(jù)分析架體是否出現(xiàn)重大變形，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)異常變化時及時采取補救措施。

5.11 拆模

在混凝土澆筑過程中，按照試驗留樣要求隨機留置標(biāo)養(yǎng)、同養(yǎng)及拆模試塊，待送檢的拆模試塊達(dá)到規(guī)定的強度后方可拆除相應(yīng)部位的模板。

6 結(jié)語

通過建立BIM模型及相應(yīng)空間放線定位措施，很好地實現(xiàn)了雙曲環(huán)梁的精確定位，同時由三維模型對模板進行分割和預(yù)拼裝，不僅保證了模板的精確加工，而且避免了不必要的返工，節(jié)約了工期；“以直代曲”思想的運用，不僅保證了施工的精度要求，而且一定程度上簡化了施工過程，取得了一定的經(jīng)濟效益；坡向混凝土的合理分區(qū)、分段澆筑，保證環(huán)梁表面無裂縫產(chǎn)生，且架體監(jiān)測措施到位，使環(huán)梁雖在高度方向存在小變形，但仍然滿足后期幕墻安裝的精度要求。

因此，該施工工藝無論是在技術(shù)上還是現(xiàn)場施工上均有一定的現(xiàn)實指導(dǎo)意義。