建筑數(shù)字構(gòu)建模擬技術(shù)在裝配式幕墻整體提升安裝中的應(yīng)用*

佟克龍

(中鐵十四局集團(tuán)建筑工程有限公司，山東 濟(jì)南 250100)

0 引言

傳統(tǒng)幕墻一般在現(xiàn)場(chǎng)加工，按照施工圖，遵循施工工藝安裝框材、面材、輔材，存在安裝精度低、安全系數(shù)低、整體效果差、施工周期長、措施費(fèi)用高等缺點(diǎn)。新型裝配式幕墻是在加工場(chǎng)所生產(chǎn)組裝，在施工現(xiàn)場(chǎng)直接整體提升安裝在主體結(jié)構(gòu)上，安裝精度高、安全系數(shù)高、整體效果好、施工周期短、措施費(fèi)用低，具有安裝工序簡便、安裝工期較短、施工安全可靠、節(jié)省施工人力等優(yōu)點(diǎn)，但加工組裝時(shí)需要一定空間場(chǎng)地，主要適用于超高、超大、大跨度及施工周期短的建筑幕墻場(chǎng)所。面對(duì)新型建筑幕墻特點(diǎn)，為滿足安全生產(chǎn)、快速施工、確保效果等功能需要，施工中，設(shè)計(jì)部與項(xiàng)目部針對(duì)此類幕墻施工特點(diǎn)，通過前期分析、制定方案、專家咨詢、團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新，開發(fā)BIM模型構(gòu)建模擬施工技術(shù)、大板塊裝配式建筑幕墻生產(chǎn)組裝技術(shù)、裝配式建筑幕墻整體提升安裝系統(tǒng)施工技術(shù)，總結(jié)形成BIM構(gòu)建模擬技術(shù)在裝配式幕墻整體提升安裝中的應(yīng)用。

1 建筑數(shù)字構(gòu)建模擬技術(shù)要點(diǎn)

1.1整體技術(shù)方案分析

通過整體技術(shù)方案分析，確定設(shè)計(jì)細(xì)化方向、設(shè)計(jì)深化方向及施工方案，利用BIM建模構(gòu)建設(shè)計(jì)技術(shù)、BIM模擬施工技術(shù)和MATHCAD結(jié)構(gòu)計(jì)算分析技術(shù)，在設(shè)計(jì)部內(nèi)部形成模擬設(shè)計(jì)、模擬建造、整體組裝、整體吊裝綜合技術(shù)方案，即通過建模構(gòu)建模擬設(shè)計(jì)與施工，形成設(shè)計(jì)、預(yù)生產(chǎn)、預(yù)裝配、預(yù)碰撞等技術(shù)可行性設(shè)計(jì)施工體系，真正實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)技術(shù)支撐項(xiàng)目施工。

1.2 整體建設(shè)工程工期提升

BIM建模模擬設(shè)計(jì)與施工，代替?zhèn)鹘y(tǒng)建筑幕墻樣本先行方案與傳統(tǒng)框架幕墻骨架安裝體系，在設(shè)計(jì)初期消除問題。整體提升安裝速度快，縮短建筑施工總工期率30%～50%，為加快樓層封閉、室內(nèi)裝飾、安裝工程創(chuàng)造良好條件。

1.3 建筑幕墻施工

代替?zhèn)鹘y(tǒng)滿堂腳手架架體支撐體系或吊籃施工工藝，減少支撐架體周轉(zhuǎn)料具投入。成功解決超高、超大、大跨度空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜條件下的建筑幕墻施工難題，以及勞動(dòng)力匱乏、在緊急工程中無法按時(shí)完工的不足，且施工過程安全、安裝速度快，易保證施工質(zhì)量，有效降低項(xiàng)目成本。

2 技術(shù)基本原理

采用BIM建模構(gòu)建設(shè)計(jì)技術(shù)，代替?zhèn)鹘y(tǒng)幕墻樣板施工。采用裝配式幕墻加工組裝工藝，將鋁單板裝配式幕墻框材、面材及轉(zhuǎn)接件等材料在加工場(chǎng)所內(nèi)組裝完成，施工時(shí)將裝配式幕墻整體移動(dòng)到位，再整體提升到安裝位置，調(diào)整誤差后通過連接螺栓固定裝配式幕墻與主體結(jié)構(gòu)，代替?zhèn)鹘y(tǒng)框架幕墻龍骨安裝體系，安全高效，減少措施費(fèi)，成功解決超高、超大、大跨度空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜條件下的建筑幕墻施工難題，提高施工工效、保證安全、縮短工期。幕墻施工過程中，通過現(xiàn)場(chǎng)復(fù)核與模型比對(duì)，實(shí)現(xiàn)建筑實(shí)時(shí)精準(zhǔn)控制。使設(shè)計(jì)與施工進(jìn)度相對(duì)應(yīng)，形成施工設(shè)施動(dòng)態(tài)模擬管理。

3 整套技術(shù)系統(tǒng)操作流程

該技術(shù)系統(tǒng)操作流程如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)操作流程

4 建筑數(shù)字構(gòu)建模擬技術(shù)分析

4.1 裝配式幕墻BIM構(gòu)建模擬設(shè)計(jì)技術(shù)

1)通過BIM軟件對(duì)建筑幕墻立面進(jìn)行分格劃分，在滿足建筑設(shè)計(jì)理念的同時(shí)，使面板板塊符合規(guī)范要求，符合面板板塊受力計(jì)算及可加工性，同時(shí)空間立體反映建筑分格模數(shù)。

2)在BIM建模構(gòu)建過程中，提前發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)干涉、設(shè)計(jì)漏洞和設(shè)計(jì)缺陷，形成書面問題記錄，及時(shí)與建設(shè)單位、總承包單位、建筑設(shè)計(jì)單位、項(xiàng)目部保持聯(lián)系，以便及時(shí)解決問題，形成圖紙會(huì)審記錄，建模過程中為外幕墻工程施工提供技術(shù)保障。

3)BIM構(gòu)建模擬模型可實(shí)現(xiàn)三維可視化溝通及技術(shù)交底，能直觀展示建筑形態(tài)和構(gòu)造，有效縮短溝通時(shí)間，提高溝通效率。還可在移動(dòng)端實(shí)時(shí)查看BIM模型，實(shí)時(shí)對(duì)比模型與實(shí)體，提高施工效率。如圖2所示，此施工設(shè)計(jì)技術(shù)方案可行。

圖2 裝配式幕墻BIM構(gòu)建設(shè)計(jì)模型

4.2 裝配式幕墻MATHCAD建模結(jié)構(gòu)分析技術(shù)

1)使用MATHCAD計(jì)算建模軟件構(gòu)建整體單榀裝配式幕墻鋁板鋼桁架的結(jié)構(gòu)受力模型。

2)使用結(jié)構(gòu)計(jì)算有限元軟件對(duì)整體結(jié)構(gòu)計(jì)算模型進(jìn)行荷載施加及結(jié)構(gòu)受力分析。

3)施加線荷載標(biāo)準(zhǔn)值和彎矩，并且輸出運(yùn)行組合工況條件下的結(jié)構(gòu)撓度模型圖。

4)輸出運(yùn)行工況后，輸出此結(jié)構(gòu)應(yīng)力-強(qiáng)度比模型圖，根據(jù)計(jì)算結(jié)果導(dǎo)出支座反力，由計(jì)算模型圖可知模擬計(jì)算結(jié)果安全，故此裝配式幕墻結(jié)構(gòu)體系安全，此方案在施工安全上可行。

4.3 主體結(jié)構(gòu)測(cè)量放線及幕墻安裝件位置復(fù)核

1)測(cè)量放線(見圖3) 裝配式幕墻整體提升安裝工藝質(zhì)量與主體結(jié)構(gòu)質(zhì)量具有很大關(guān)系，裝配式幕墻與主體結(jié)構(gòu)緊密配合，裝配式幕墻建模設(shè)計(jì)時(shí)一定要考慮主體偏差，使其符合裝配式幕墻安裝檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。主體結(jié)構(gòu)為鋼架混凝土結(jié)構(gòu)與鋼結(jié)構(gòu)體系，需及時(shí)檢驗(yàn)裝配式幕墻安裝鋼結(jié)構(gòu)位移偏差。利用測(cè)量儀器和工具測(cè)量建筑物平面位置與高程，并按施工圖放實(shí)樣、確定平面尺寸。復(fù)核土建提供標(biāo)高與平面位置的正確性。以提供±0.000標(biāo)高為基準(zhǔn)，利用測(cè)量設(shè)備復(fù)核提供標(biāo)高基準(zhǔn)線的正確性。如發(fā)現(xiàn)提供標(biāo)高不準(zhǔn)確，應(yīng)另作標(biāo)記，并上報(bào)情況。標(biāo)高基準(zhǔn)復(fù)核時(shí)需注意樓體沉降導(dǎo)致標(biāo)高不統(tǒng)一的情況，應(yīng)制定相應(yīng)方案確保樓體標(biāo)高一致。

圖3 裝配式幕墻測(cè)量放線

2)裝配式幕墻安裝件位置復(fù)核 為減少現(xiàn)場(chǎng)施工焊接，裝配式幕墻安裝件在加工廠預(yù)先安裝于鋼結(jié)構(gòu)件上，由于鋼結(jié)構(gòu)施工存在一定誤差，因此裝配式幕墻整體吊裝前需進(jìn)行復(fù)核與校準(zhǔn)。以復(fù)核過的基準(zhǔn)點(diǎn)、基準(zhǔn)線為依據(jù)，做出幕墻施工所需的輔助測(cè)量線，如發(fā)現(xiàn)偏差超過允許范圍應(yīng)及時(shí)上報(bào)，申請(qǐng)調(diào)整補(bǔ)救措施，以免影響裝配式幕墻整體吊裝進(jìn)度。

4.4 BIM碰撞檢測(cè)及施工工藝流程模擬

1)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量放線及裝配式幕墻安裝件位置復(fù)核結(jié)果，利用BIM碰撞檢測(cè)功能檢測(cè)幕墻與主體結(jié)構(gòu)間的干涉情況，校正BIM模型。利用BIM參數(shù)化設(shè)計(jì)下料導(dǎo)出板材、型材、鋼材等工程量，為材料招標(biāo)、商務(wù)預(yù)算等提供依據(jù)，并將相應(yīng)加工圖下發(fā)到配套廠家。

2)根據(jù)放線結(jié)果利用BIM建立三維模型，指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工，預(yù)先演示施工工藝流程。傳統(tǒng)框架式幕墻一般在現(xiàn)場(chǎng)按框材、面材及附件順序進(jìn)行，每道工序受上道工序制約。本工法根據(jù)測(cè)量結(jié)果，依據(jù)圖紙、BIM模型，可使各工序銜接緊密，類似平行施工工序，顯著提高工效。

3)每個(gè)構(gòu)件按型號(hào)、尺寸及安裝部位進(jìn)行編號(hào)，并將編號(hào)做成二維碼標(biāo)簽粘貼于構(gòu)件側(cè)面，按型材尺寸及安裝樓層部位分批進(jìn)行包裝運(yùn)輸。

4.5 幕墻整體提升安裝機(jī)的安裝

1)裝配式幕墻整體提升吊裝在主體鋼結(jié)構(gòu)懸挑部位，結(jié)構(gòu)探出屋面露臺(tái)外側(cè)5 650mm。由于施工現(xiàn)場(chǎng)無法搭設(shè)腳手架或采用汽車式起重機(jī)，現(xiàn)擬用鋼型材制作裝配式幕墻整體提升安裝機(jī)，放置在81.000m標(biāo)高鋼結(jié)構(gòu)梁預(yù)設(shè)行車軌道頂上，進(jìn)行檐口位置裝配式幕墻試吊、縱向平移、橫向平移、豎直提升和緊固固定。

2)該提升安裝機(jī)構(gòu)主體鋼結(jié)構(gòu)梁頂敷設(shè)200mm×150mm×8mm×12mm鍍鋅H型鋼，作為裝配式幕墻整體提升安裝機(jī)的行車軌道，施工完成后可長期備用。

3)裝配式幕墻整體提升機(jī)中的行車主體擬采用150mm×150mm×10mm鍍鋅方鋼制作，整體尺寸為8 980mm×7 200m。行車上面設(shè)置2道間距4 200mm 的200mm×150mm×8mm×12mm鍍鋅H型鋼，作為裝配式幕墻提升轉(zhuǎn)換橫梁，并在上方設(shè)置6組縱向平移驅(qū)動(dòng)電機(jī)，可沿南北縱向平行移動(dòng)，轉(zhuǎn)換橫梁上設(shè)置6臺(tái)2t豎直提升電動(dòng)葫蘆，以整體提升裝配式幕墻。行車下設(shè)4組橫向滾輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)，以驅(qū)動(dòng)行車沿軌道方向移動(dòng)，縱橫移動(dòng)時(shí)均設(shè)置限位制動(dòng)裝置。主體結(jié)構(gòu)安裝橫向驅(qū)動(dòng)電機(jī)如圖4所示。

圖4 主體結(jié)構(gòu)安裝橫向驅(qū)動(dòng)電機(jī)

4)安裝裝配式幕墻整體提升安裝機(jī) 根據(jù)整體提升機(jī)三維圖，在地面分段制作組裝。首先利用塔式起重機(jī)安裝H型鋼作為行車軌道，接著安裝行車軌道上的4組橫向滾輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)，再次利用塔式起重機(jī)安裝拼裝好的可移動(dòng)行車，最后安裝轉(zhuǎn)換橫梁、6組縱向平移驅(qū)動(dòng)電機(jī)和6臺(tái)2t豎直提升電動(dòng)葫蘆。安裝平移行車與轉(zhuǎn)換橫梁如圖5所示。

4.6 幕墻桁架龍骨生產(chǎn)加工組裝

1) 鋼桁架構(gòu)件制作 遵循BIM模擬→參數(shù)下料→切割加工→矯正型材→邊緣磨削→預(yù)拼安裝→構(gòu)件組裝的加工順序，鋼桁架龍骨根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況及圖紙要求，在加工場(chǎng)地完成型材下料、龍骨切削，下料時(shí)型材緊靠定位面，夾緊裝置夾正、夾緊型材，型材過長時(shí)需增加支撐，防止因重力產(chǎn)生變形，切割時(shí)注意保護(hù)鋼材裝飾面。

2)鋼桁架制作組裝 根據(jù)圖紙及BIM構(gòu)建模擬模型，在擬安裝部位后端屋面拼裝裝配式幕墻鋼桁架。鋼型材運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)后，采用塔式起重機(jī)運(yùn)至屋面指定位置，分散放置在屋面。項(xiàng)目技術(shù)負(fù)責(zé)人按照設(shè)計(jì)人員構(gòu)建的BIM模型和參數(shù)下料單向生產(chǎn)班組全員技術(shù)交底，生產(chǎn)加工班組根據(jù)技術(shù)要求在屋面加工裝配式幕墻單樘分格鋼龍骨，并且按照編號(hào)順序擺放。按照組裝工藝順序，生產(chǎn)組裝組在擬安裝位置女兒墻后端焊接拼裝鋼桁架龍骨單元，拼裝完成后的鋼桁架安裝在臨時(shí)腳手板上，并通過鋼絲繩吊裝連接固定轉(zhuǎn)換梁，整體龍骨組裝如圖6所示。

4.7 單榀幕墻鋁單板面板安裝及膠縫處理

按照BIM構(gòu)建模擬模型、整體設(shè)計(jì)圖紙、板材，并進(jìn)行編號(hào)，挑選已加工的裝飾面鋁單板，加工場(chǎng)所內(nèi)按加工組裝工序依次安裝，直至所有鋁單板面板安裝完成后進(jìn)行拼裝縫隙打膠作業(yè)，所有作業(yè)完成后進(jìn)行裝配式幕墻吊裝前的檢查工作，合格后報(bào)監(jiān)理工程師驗(yàn)收。單榀幕墻安裝如圖7所示。

4.8 單榀幕墻整體試吊及平面移動(dòng)

1)單榀幕墻長6.7m、高3.6m，每榀單重4 742.64kg， 擬采用裝配式幕墻整體提升安裝機(jī)起吊。單榀幕墻設(shè)4個(gè)受力吊點(diǎn)、2個(gè)安全輔助吊點(diǎn)，擬用6臺(tái)2t豎直提升電動(dòng)葫蘆，確保同步提升作業(yè)。起吊設(shè)備提升能力為120kN，此方案滿足吊裝要求。

2)吊裝前預(yù)處理裝配式幕墻安裝范圍，按照前期設(shè)置吊裝裝飾輪廓線，清理安全操作區(qū)域，再次校核轉(zhuǎn)接件位置點(diǎn)，以控制安裝位置。

3)吊裝前將安裝好的整體裝配式幕墻移動(dòng)至待安裝位置，準(zhǔn)備吊裝專用鋼絲繩，吊裝鋼絲繩的一端采用專用防脫掛鉤及卡扣，與裝配式幕墻轉(zhuǎn)接橫梁相連。

4)按照裝配式幕墻吊裝順序，復(fù)核擬安裝裝配式幕墻軸線和進(jìn)出位置。啟動(dòng)裝配式幕墻，使用整體提升安裝機(jī)的6臺(tái)2t豎直提升電動(dòng)葫蘆，進(jìn)行第1次試吊。垂直起吊裝配式幕墻底部，距屋面女兒墻頂200mm，檢查各指標(biāo)符合吊裝預(yù)案。

5)在安裝裝配式幕墻的樓層內(nèi)，需由4名工人控制幕墻板塊吊裝姿態(tài)，防止起吊板塊碰撞室內(nèi)物體。在需安裝幕墻的上層，由2名工人觀察板塊起吊高度、穩(wěn)定性、輔助吊裝、對(duì)接及板塊固定，由1名工人電動(dòng)操縱裝配式幕墻，使用整體提升安裝機(jī)，根據(jù)指令控制板塊吊裝高度，1名工人起安全輔助作用。整個(gè)過程由專人通過對(duì)講機(jī)統(tǒng)一指揮上下安裝人員操作，保持協(xié)調(diào)性、安全性。

6)啟動(dòng)整體提升安裝機(jī)上的6組2t豎直提升電動(dòng)葫蘆，使裝配式幕墻由內(nèi)側(cè)平移到外側(cè)軌道，整體提升幕墻。

7)啟動(dòng)整體提升安裝機(jī)上的4組橫向滾輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)，使幕墻在橫向滾輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)作用下東西橫向移動(dòng)，移到女兒墻外側(cè)預(yù)設(shè)位置。

8)參照6)的操作流程，使幕墻由外側(cè)平移到內(nèi)側(cè)軌道，然后提升到指定安裝位置，完成裝配式幕墻整體平移提升作業(yè)。整體試吊平移提升吊裝裝配式幕墻操作流程如圖8～10所示。

圖8 整體提升安裝機(jī)試吊一定高度

圖9 向內(nèi)側(cè)縱向平移并豎直提升到指定位置

圖10 單榀裝配式幕墻安裝平面流程

4.9 幕墻安裝固定及間隔位置封修處理

1)裝配式幕墻整體提升安裝機(jī)上6臺(tái)2t豎直提升電動(dòng)葫蘆整體提升到位，并與吊裝轉(zhuǎn)換梁可靠連接后拉緊。經(jīng)過精確調(diào)整校正后，進(jìn)行懸挑外鋼梁與裝配式幕墻鋼桁架連接件連接固定。

2)連接件安裝完成后，報(bào)項(xiàng)目部和監(jiān)理檢查驗(yàn)收，放松6個(gè)2t電動(dòng)葫蘆，卸掉鋼橫梁和鋼桁架的連接螺栓，使整體提升安裝機(jī)沿軌道平移到下個(gè)待安裝區(qū)域。

3)整體吊裝裝配式幕墻符合要求后，在轉(zhuǎn)接件處緊固螺栓，完成板塊固定。剩余板塊按以上施工流程依次吊裝，最終在無吊籃情況下安裝裝配式幕墻。

4)采用整體提升安裝機(jī)依次完成間隔位置，安裝屋面位置的鋁單板，然后清潔板材間縫隙，打注硅酮耐候密封膠，最終完成整體裝配式幕墻施工，交付驗(yàn)收使用，如圖11所示。

圖11 屋面位置鋁板封修及打膠完成

5)如有必要可導(dǎo)出漫游動(dòng)畫，進(jìn)行4D模擬施工與動(dòng)畫演示。

4.10 裝配式幕墻安裝監(jiān)測(cè)及施工合規(guī)驗(yàn)收

1)施工過程中，選取典型位置監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)內(nèi)力及變形、吊繩拉力、橫梁撓度、行車變形量等。

2)采用計(jì)算機(jī)連續(xù)采集數(shù)據(jù)，及時(shí)掌握結(jié)構(gòu)受力及變形情況，保證吊裝過程結(jié)構(gòu)安全。

3)委托具有資質(zhì)的單位進(jìn)行監(jiān)測(cè)，根據(jù)裝配式幕墻用計(jì)算書提供監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的預(yù)警值及報(bào)警值。

4)應(yīng)確保施工完每道工序后進(jìn)行項(xiàng)目自檢，合格后報(bào)項(xiàng)目進(jìn)行單項(xiàng)驗(yàn)收。經(jīng)監(jiān)理驗(yàn)收合格后，方可進(jìn)行下步工序，依次完成所有工序。

5)從裝配式幕墻建筑模擬技術(shù)在安裝流程中可以看出，各專業(yè)信息不斷加入BIM中，可實(shí)現(xiàn)各專業(yè)協(xié)同工作。

5 結(jié)語

建筑數(shù)字構(gòu)建模擬技術(shù)在裝配式幕墻整體提升安裝中的應(yīng)用，有效提高裝配式幕墻模擬設(shè)計(jì)技術(shù)、結(jié)構(gòu)受力分析技術(shù)，加工組裝模式階段、現(xiàn)場(chǎng)提升安裝階段及整體外觀效果的質(zhì)量控制水平，保證設(shè)計(jì)施工符合整體要求，杜絕返工調(diào)整等影響工程質(zhì)量的隱患，攻克多個(gè)傳統(tǒng)做法難以避免的質(zhì)量、安全控制難點(diǎn)，順利指導(dǎo)高空裝配式幕墻整體提升工作。

為適應(yīng)國家戰(zhàn)略形勢(shì)，配合地區(qū)新舊動(dòng)能轉(zhuǎn)換，促進(jìn)構(gòu)建技術(shù)升級(jí)，推動(dòng)建筑行業(yè)快速發(fā)展，相關(guān)從業(yè)人員要積極推廣建筑BIM參數(shù)化技術(shù)，把BIM參數(shù)化技術(shù)更多應(yīng)用于復(fù)雜工程中，實(shí)現(xiàn)模擬設(shè)計(jì)與智能生產(chǎn)無縫對(duì)接，提高幕墻設(shè)計(jì)、施工及各種材料構(gòu)配件生產(chǎn)效率和整體質(zhì)量，最終實(shí)現(xiàn)完美的建筑幕墻產(chǎn)品。