BIM技術(shù)在旋轉(zhuǎn)鋼樓梯設(shè)計(jì)施工中的運(yùn)用

(蘇州金螳螂建筑裝飾股份有限公司，蘇州 215000)

1 工程概況

本案例屬于辦公樓精裝修項(xiàng)目，項(xiàng)目地址位于上海虹橋的商務(wù)區(qū)核心地段內(nèi)。工程范圍包括1-8層，其中一樓大堂位置，通向二樓的旋轉(zhuǎn)樓梯是本案例的主體。該旋轉(zhuǎn)樓梯的原始結(jié)構(gòu)為鋼結(jié)構(gòu)，樓梯踏面裝飾材料為石材，其他面層裝飾材質(zhì)都是GRG(預(yù)鑄式玻璃纖維增強(qiáng)石膏制品，Glassfiber Reinforced Gypsum)。樓梯的平面圖為正橢圓，橢圓長(zhǎng)軸長(zhǎng)7.3m，短軸長(zhǎng)5.4m，樓梯寬度為1.6m，凈高達(dá)5.6m，旋轉(zhuǎn)樓梯的旋轉(zhuǎn)角度超過(guò)360°。

圖1 設(shè)計(jì)效果圖

2 利用BIM技術(shù)的目的

項(xiàng)目經(jīng)理部根據(jù)項(xiàng)目的實(shí)際情況分析出項(xiàng)目的設(shè)計(jì)深化難點(diǎn)。具體表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

2.1 結(jié)構(gòu)計(jì)算難度大

樓梯為雙曲面旋轉(zhuǎn)樓梯，為正橢圓形，旋轉(zhuǎn)樓梯設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)采用鋼結(jié)構(gòu)，重量達(dá)13.83t，然而鋼樓梯的支撐點(diǎn)只有兩處，一處是在一層的地面，一處在二層欄河處的結(jié)構(gòu)梁，加上面層的GRG和石材，整個(gè)旋轉(zhuǎn)樓梯的重量超過(guò)20t，如此一來(lái)，旋轉(zhuǎn)樓梯的結(jié)構(gòu)計(jì)算顯得尤為重要。

2.2 鋼結(jié)構(gòu)的拼裝難

旋轉(zhuǎn)樓梯的鋼架基層整體造型也是弧形的，尤其是鋼樓梯的梯梁呈雙曲造型，橢圓長(zhǎng)軸端部曲率較大，鋼結(jié)構(gòu)的安裝方案為鋼板拼接，而不是成品鋼管安裝，要求準(zhǔn)確加工鋼板并完整拼裝。

2.3 面層材料精確下單難

旋轉(zhuǎn)樓梯的踏面為石材，由于旋轉(zhuǎn)樓梯的投影為正橢圓，踏步石材的下單不能像正圓的樓梯踏步一樣標(biāo)準(zhǔn)化，而是要根據(jù)樓梯踏步中線的長(zhǎng)度來(lái)下單，這樣將導(dǎo)致四分之一部分的樓梯踏步石材板不能標(biāo)準(zhǔn)化下單，對(duì)于GRG的下單也是如此，GRG開(kāi)模的爬坡角度和彎曲曲率都需要精確控制。

2.4 旋轉(zhuǎn)樓梯安裝和檢驗(yàn)難

旋轉(zhuǎn)樓梯的雙曲造型導(dǎo)致了其空間安裝點(diǎn)位的控制成為又一難點(diǎn)，不僅針對(duì)基層鋼結(jié)構(gòu)，更加重要的是面層的安裝定位工作。完成安裝后的精度檢驗(yàn)也至關(guān)重要，基層的安裝精度關(guān)系到面層安裝的控制，面層的安裝精度則直接反應(yīng)旋轉(zhuǎn)樓梯的施工效果。傳統(tǒng)的安裝效果都是觀感上的判斷，無(wú)法滿足該項(xiàng)目的需求。

2.5 施工工期緊張

該旋轉(zhuǎn)樓梯從基層鋼架下單到面層GRG完成安裝僅有一個(gè)月的時(shí)間，施工周期短?，F(xiàn)場(chǎng)施工條件嚴(yán)重不足。在鋼結(jié)構(gòu)的施工策劃階段，大堂墻面的干掛石材已經(jīng)開(kāi)始大面積鋪貼，二樓GRG欄桿也同步安裝，現(xiàn)場(chǎng)布滿雙排腳手架，需要合理安排交叉工作，優(yōu)化施工工期，已達(dá)到工期要求。

3 BIM技術(shù)應(yīng)用情況說(shuō)明3.1 三維激光掃描技術(shù)快速采集基層信息

圖2 BIM技術(shù)應(yīng)用流程

三維激光掃描技術(shù)主要是利用激光測(cè)距原理獲取目標(biāo)信息，利用三維激光掃描儀對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工作業(yè)基層進(jìn)行全方位快速掃描，獲取基層空間點(diǎn)云信息，立體顯示基層輪廓，還原現(xiàn)場(chǎng)施工條件。同時(shí)，利用SCENE、Geomagic Qualify、RapidForm等點(diǎn)云處理軟件對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行逆向處理，可以提取點(diǎn)云特征、測(cè)量距離(水平、垂向兩點(diǎn)間、任意方向)，獲取施工現(xiàn)場(chǎng)更加直觀的三維信息[1]。

圖3 現(xiàn)場(chǎng)掃描

3.2 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和三維建模

鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要完成鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)配件尺寸的選定、材料的選擇，以及各構(gòu)配件的應(yīng)力、應(yīng)變分析，驗(yàn)算是否滿足配件的強(qiáng)度、剛度、撓度、穩(wěn)定性等要求[2]。

圖4 結(jié)構(gòu)計(jì)算

旋轉(zhuǎn)樓梯鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)采用專業(yè)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件CATIA，將AutoCAD DXF數(shù)據(jù)準(zhǔn)確讀取到CATIA中進(jìn)行三維實(shí)體快速建模，為后期的施工點(diǎn)位安裝等提供模型。模型完成后可以利用CATIA鋼結(jié)構(gòu)荷載計(jì)算功能對(duì)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行荷載分析，為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供依據(jù)，以滿足現(xiàn)場(chǎng)施工的要求。面層GRG三維模型采用犀牛軟件建立，犀牛軟件的NURBS曲線建模能極大的反映旋轉(zhuǎn)樓梯的雙曲造型，建模速度快，尺寸精度高。

圖5 三維建模

3.3 碰撞檢驗(yàn)

利用軟件Navisworks檢驗(yàn)不同材料模型間的碰撞，結(jié)合節(jié)點(diǎn)收口方案調(diào)整模型碰撞點(diǎn)，優(yōu)化設(shè)計(jì)方案模型。三維可視化手段增強(qiáng)了碰撞的表達(dá)效果，直觀形象地反映碰撞的實(shí)際情況。

圖6 模型間碰撞檢驗(yàn)

同時(shí)，為了優(yōu)化模型使之便于在復(fù)雜的施工環(huán)境中順利安裝，項(xiàng)目經(jīng)理部首先整合了設(shè)計(jì)方案三維模型和現(xiàn)場(chǎng)三維掃描點(diǎn)云模型，借助全站儀賦予點(diǎn)云模型新的空間坐標(biāo)，使得三維激光掃描儀掃描的點(diǎn)云模型和設(shè)計(jì)方案的三維模型的坐標(biāo)得到統(tǒng)一，同時(shí)為實(shí)現(xiàn)后期數(shù)字化安裝避免誤差提供條件。項(xiàng)目經(jīng)理部根據(jù)兩個(gè)模型的碰撞檢查結(jié)果，修改碰撞點(diǎn)，綜合施工材料下單方案一并優(yōu)化，調(diào)整獲得最終的模型。

圖7 模型和現(xiàn)場(chǎng)碰撞檢驗(yàn)

3.4 虛擬建造

為了保證安裝過(guò)程能順利進(jìn)行，就你可能避免工序之間的沖突和施工安全問(wèn)題，在確定施工方案和進(jìn)行施工交底時(shí)，采用3D Max、Navisworks等三維軟件，制作旋轉(zhuǎn)樓梯施工計(jì)劃，進(jìn)行施工進(jìn)度模擬，以便更好地優(yōu)化施工方案以及指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工。該方法具有表達(dá)直觀性、可重復(fù)性、多維性等特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)多施工方案的模擬選優(yōu)以及技術(shù)交底的虛擬演示，在施工之前杜絕安全隱患，優(yōu)化施工方法，從而實(shí)現(xiàn)施工過(guò)程的預(yù)先控制[3]。另一方面模擬旋轉(zhuǎn)樓梯現(xiàn)場(chǎng)安裝情況進(jìn)行虛擬建造，可以調(diào)整旋轉(zhuǎn)樓梯安裝位置和尺寸，確定滿足現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工條件的樓梯材料尺寸及材料下單的最優(yōu)方案。

3.5 數(shù)控加工技術(shù)

本案例利用BIM模型無(wú)縫對(duì)接數(shù)控加工設(shè)備，將深化設(shè)計(jì)的鋼結(jié)構(gòu)BIM模型輸出CNC文件，導(dǎo)入生產(chǎn)信息管理系統(tǒng)形成初步的系統(tǒng)加工清單和數(shù)控?cái)?shù)據(jù)。根據(jù)導(dǎo)入系統(tǒng)的初始加工數(shù)據(jù)，在數(shù)控設(shè)備系統(tǒng)內(nèi)對(duì)零件圖進(jìn)行切割余量、孔位尺寸、坡口位置等進(jìn)行編輯和標(biāo)注，形成加工工藝數(shù)據(jù)和文件，完成鋼構(gòu)件零件的數(shù)控加工[4]。面層GRG的下單，直接導(dǎo)入犀牛模型，利用Rhino CAM制作刀路輸出NC碼，導(dǎo)入到數(shù)控雕刻機(jī)，完成GRG生產(chǎn)模具的雕刻[5]。

圖8 現(xiàn)場(chǎng)數(shù)控加工

3.6 三維定位和安裝

碰撞檢驗(yàn)前的空間坐標(biāo)的統(tǒng)一，為安裝定位提供了坐標(biāo)基礎(chǔ)。通過(guò)BIM模型的三維可視化原理，精確獲得安裝點(diǎn)位的三維空間坐標(biāo)數(shù)據(jù)，應(yīng)用全站儀等數(shù)字化設(shè)備進(jìn)行三維點(diǎn)位的定位。通過(guò)全站儀進(jìn)行取點(diǎn)、放點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)三維模型中的點(diǎn)位坐標(biāo)與施工現(xiàn)場(chǎng)的位置的精確轉(zhuǎn)換，達(dá)到BIM模型尺寸與現(xiàn)場(chǎng)的高度一致，為后期的精細(xì)化施工安裝打好基礎(chǔ)。

圖9 三維點(diǎn)定位

空間點(diǎn)定位可以采用定位平面點(diǎn)位置，加標(biāo)記點(diǎn)高程的方法，也可以一步到位定位三維點(diǎn)位，利用臨時(shí)措施標(biāo)記點(diǎn)位置，供安裝使用。三維定點(diǎn)快速準(zhǔn)確，無(wú)需輔助線和現(xiàn)場(chǎng)清理，為交叉施工創(chuàng)造條件。面對(duì)現(xiàn)場(chǎng)操作面狹小，容易破壞已經(jīng)完工的墻面石材的問(wèn)題，鋼結(jié)構(gòu)安裝先在工廠進(jìn)行預(yù)拼裝，再將拼好的鋼結(jié)構(gòu)拆分成4段鋼樓梯運(yùn)到現(xiàn)場(chǎng)安裝，節(jié)省了施工周期，確保安裝精度。

圖10 鋼樓梯半成品

3.7 數(shù)字化檢驗(yàn)

針對(duì)常規(guī)造型的驗(yàn)收檢驗(yàn)，通常采用靠尺檢驗(yàn)平面平整度，造型的精準(zhǔn)度一般都是通過(guò)觀感驗(yàn)收，本案例利用三維激光掃描儀分別對(duì)加工完成的鋼結(jié)構(gòu)、安裝完成的鋼結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)樓梯、雕刻好的GRG模具、生產(chǎn)好的GRG構(gòu)件和安裝好的旋轉(zhuǎn)樓梯GRG面層進(jìn)行掃描，將掃描點(diǎn)云分別與對(duì)應(yīng)的三維模型進(jìn)行匹配檢驗(yàn)精度。從過(guò)程中對(duì)構(gòu)件的加工生產(chǎn)以及安裝精度進(jìn)行控制，保障最終施工質(zhì)量。

有別于傳統(tǒng)對(duì)復(fù)雜圖形的觀感驗(yàn)收，數(shù)字化檢驗(yàn)為設(shè)計(jì)美感提供了精確的施工定位和量化的驗(yàn)收手段，讓此類工程的施工把控更加精準(zhǔn)、驗(yàn)收更加客觀。

3.8 生成物料表單

三維設(shè)計(jì)的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在工程算量上，通過(guò)模型導(dǎo)出核量數(shù)據(jù)的速度要比CAD更加快捷，犀牛軟件可以快速計(jì)算任意造型構(gòu)件的長(zhǎng)度、面積、體積等幾何信息，生成準(zhǔn)確的物料表，為核量提供直接的依據(jù)。由于極低的返工率，下單完成后可以快速獲得準(zhǔn)確的主材結(jié)算數(shù)據(jù)，這為工程后期的決算工作提供了很大的便利，縮短了工程工期。

3.9 優(yōu)化施工工序

下單模型改變了項(xiàng)目的信息傳遞方式，由分散的信息流轉(zhuǎn)變?yōu)樾畔⒓?。施工各方的相關(guān)工作通過(guò)模型緊密結(jié)合在一起，大大提升了信息傳輸和協(xié)作的效率。在施工策劃結(jié)束后，模型一旦完成即可進(jìn)行材料下單，整個(gè)下單過(guò)程與放線和基層施工同步甚至提前，這為主材質(zhì)量及成本的把控提供了充足的時(shí)間。

圖11 鋼結(jié)構(gòu)下單檢驗(yàn)

圖12 數(shù)字化過(guò)程檢驗(yàn)流程

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)BIM技術(shù)在旋轉(zhuǎn)鋼樓梯設(shè)計(jì)施工中的應(yīng)用，項(xiàng)目經(jīng)理部利用1個(gè)月的時(shí)間，順利完成了旋轉(zhuǎn)鋼樓梯的現(xiàn)場(chǎng)掃描、三維設(shè)計(jì)建模、碰撞檢查模型優(yōu)化、虛擬建造、數(shù)控加工、三維點(diǎn)位安裝等一系列的任務(wù)，在工程質(zhì)量、工程進(jìn)度和工程精細(xì)化管控等方面取得了很好的成果，得到了業(yè)主的認(rèn)可，也為同類工程的設(shè)計(jì)施工開(kāi)辟了一種新方法，積累了豐富的工程經(jīng)驗(yàn)。

圖14 施工工序?qū)Ρ?/p>

圖15 完工效果圖和設(shè)計(jì)效果圖對(duì)比

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