大面積超高大跨度弧形雙曲面GRG裝飾墻數(shù)字化施工技術(shù)

李云鋒，吳奕君

（廣東省第一建筑工程有限公司 廣州 510010）

1 工程概況

廣州某廣場(chǎng)工程位于廣州市白云新城，工程占地總面積4.5萬(wàn)m2，總建筑計(jì)容面積11.3萬(wàn)m2，地下面積約6.8萬(wàn)m2。本項(xiàng)目建筑總高約35 m，地上8層，地下2層。該項(xiàng)目中庭采用GRG仿木紋裝飾墻造型特殊，本項(xiàng)目中庭共有7塊造型板（6塊造型板及1塊LED屏）及攔河下方的GRG掛板區(qū)，造型板均為弧形雙曲面，結(jié)構(gòu)形式為單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)體系鋼龍骨+GRG仿木紋裝飾面板，最大安裝高度約13 m，跨越3個(gè)樓層，跨度達(dá)30 m，如圖1所示。

圖1 中庭裝修效果Fig.1 Atrium Decoration Renderings

2 施工難點(diǎn)分析

⑴因中庭整體空間高、跨度大，多為弧形曲面構(gòu)造，若人工采集數(shù)據(jù)，測(cè)量放線難度較大、耗時(shí)較多；為了提高整體效果，本項(xiàng)目采用三維放線技術(shù)，并通過(guò)合理調(diào)整腳手架的搭設(shè)設(shè)計(jì)適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)施工，并模擬施工過(guò)程，提高安裝精度和效率［1］。

⑵弧形雙曲面GRG板在這個(gè)項(xiàng)目中是一大亮點(diǎn)，GRG的鋼骨架施工顯得尤為重要，如何保證鋼骨架的精確加工、安裝、消除自重引起的變形等是本項(xiàng)目一大難點(diǎn)。

⑶本項(xiàng)目中庭共有7塊造型板（6塊造型板及1塊LED屏）及攔河下方的GRG掛板區(qū)，含大量圓弧、曲面造型，為保證所有區(qū)域GRG造型板的弧度、對(duì)接等曲滑順暢，每塊GRG都需定制及整體下單，并進(jìn)行合理的分區(qū)安裝。

⑷本項(xiàng)目的GRG造型板均為木色拼接，如何保證GRG表面的木紋顏色自然對(duì)接、木紋漆表面平整、不起皮也是本項(xiàng)目的一大難點(diǎn)。

3 解決措施及操作要點(diǎn)

3.1 中庭GRG造型鋼架施工難點(diǎn)解決方案

3.1.1 主要施工工藝流程

現(xiàn)場(chǎng)放線、3D掃描?點(diǎn)云建模?裝飾模型調(diào)整?鋼結(jié)構(gòu)模型建立?模型碰撞分析、調(diào)整?施工圖深化?桿件制作?預(yù)拼裝?防銹處理?成品檢驗(yàn)、編號(hào)?鋼結(jié)構(gòu)吊裝安裝?鋼結(jié)構(gòu)涂裝

3.1.2 操作要點(diǎn)

⑴BIM碰撞檢測(cè)

對(duì)主鋼結(jié)構(gòu)、機(jī)電、外幕墻進(jìn)行三維掃描，生成點(diǎn)云，創(chuàng)建現(xiàn)場(chǎng)三維模型，將裝飾模型與主鋼結(jié)構(gòu)、機(jī)電、外幕墻模型碰撞比對(duì)，對(duì)碰撞沖突部分進(jìn)行模型調(diào)整，確定裝飾完成面模型位置［2］。

⑵鋼架結(jié)構(gòu)建模

運(yùn)用BIM技術(shù)，對(duì)調(diào)整完成的裝飾模型偏移，生成鋼架結(jié)構(gòu)三維模型，進(jìn)行鋼架結(jié)構(gòu)荷載計(jì)算，計(jì)算完成后，根據(jù)三維模型生成鋼架結(jié)構(gòu)Tekla模型，如圖2所示。

圖2 GRG裝飾墻受力模型Fig.2 GRG Decorative Wall Force Model

⑶鋼結(jié)構(gòu)桿件加工及鋼架制作

①鋼架結(jié)構(gòu)采用空間桁架結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)空間曲面，鋼結(jié)構(gòu)桿件需相貫線切割，與連接球焊接，高精度、高質(zhì)量、高標(biāo)準(zhǔn)完成焊接及安裝。

②骨架制作流程：制作鋼骨架?主鋼架焊接完成?安裝及定位模板組裝。

③因?yàn)榭紤]到鋼架是雙弧雙曲三維曲面，設(shè)計(jì)師把每根方通兩面測(cè)出弧長(zhǎng)及拱高分別編號(hào)提供給彎管廠家。又因?yàn)榉酵◤澢笥谢貜椣禂?shù)及焊接時(shí)的熱脹冷縮，無(wú)法保證鋼構(gòu)精度。所以通過(guò)模型雕刻出每根鋼構(gòu)的定位模板，這樣既能檢測(cè)彎管角度是否達(dá)標(biāo)及矯正，又能控制焊接過(guò)程中的變形［3］。

⑷鋼結(jié)構(gòu)吊裝

鋼結(jié)構(gòu)桿件后場(chǎng)分單元制作，進(jìn)行整體吊裝；吊裝需根據(jù)空間桁架受力計(jì)算，制定吊裝方案和選擇吊裝點(diǎn)，確保安全可靠。

⑸鋼結(jié)構(gòu)安裝定位

鋼結(jié)構(gòu)Tekla模型劃分安裝單元，在各安裝單元模型中標(biāo)注三維坐標(biāo)控制點(diǎn)，現(xiàn)場(chǎng)用全站儀進(jìn)行測(cè)量定位，指導(dǎo)自由曲面桁架安裝。曲面桁架龍骨安裝如圖3所示。

圖3 曲面桁架龍骨安裝Fig.3 Curved Truss Installation

⑹三維掃描儀檢測(cè)

鋼架結(jié)安裝完成后，分階段運(yùn)用三維掃描儀進(jìn)行三維掃描，生成點(diǎn)云，創(chuàng)建三維模型，與鋼架結(jié)構(gòu)Tek?la模型比對(duì)，對(duì)誤差較大位置的構(gòu)件進(jìn)行調(diào)整，鋼架三維掃描分析如圖4所示。

圖4 鋼架三維掃描分析Fig.4 Three-dimensional Scanning Analysis of Steel Frame

從上到下分析橫向鋼架，先以俯視圖方式分析橫桿兩端和中間區(qū)域與模型的偏差情況，主要觀察弧度是否與模型貼合。分析結(jié)果顯示整個(gè)鋼架兩端均向過(guò)道方向均勻變形，最大變形僅30 mm，滿足設(shè)計(jì)要求。

3.2 中庭GRG施工難點(diǎn)解決措施

⑴每塊GRG的樣式和安裝位置都是唯一的，在保證橫向順滑效果的同時(shí)，豎向也要求垂直對(duì)齊，施工時(shí)需要很高的安裝精度，才能在保證質(zhì)量效果的同時(shí)減少損耗和節(jié)約時(shí)間。

⑵為有效解決上述難題，在中庭施工時(shí)采用如下數(shù)字化施工技術(shù)：

①對(duì)中庭部位進(jìn)行三維掃描，采集現(xiàn)場(chǎng)真實(shí)、精確、全面的三維數(shù)據(jù)；得到現(xiàn)場(chǎng)1∶1立體點(diǎn)云模型，在模型中真實(shí)還原現(xiàn)場(chǎng)情況。

②利用平面圖紙建立模型，將設(shè)計(jì)圖紙所要求的尺寸、造型等全部體現(xiàn)在設(shè)計(jì)模型中；

③將設(shè)計(jì)模型匹配到現(xiàn)場(chǎng)點(diǎn)云模型中，進(jìn)行模擬安裝、碰撞試驗(yàn)。真實(shí)展現(xiàn)安裝效果，找出設(shè)計(jì)與現(xiàn)場(chǎng)不符的區(qū)域及偏差情況，為深化修改提供全面直觀的數(shù)據(jù)［4］；

④根據(jù)碰撞結(jié)果調(diào)整后的模型即為完全匹配現(xiàn)場(chǎng)實(shí)況的施工模型，在施工模型中進(jìn)行排版分塊，直接提取所需要的數(shù)據(jù)即可實(shí)現(xiàn)材料的精確下單，對(duì)每塊材料進(jìn)行編號(hào)，對(duì)規(guī)格、安裝位置等信息進(jìn)行標(biāo)注；排版分塊如圖5所示。

圖5 根據(jù)對(duì)比現(xiàn)場(chǎng)實(shí)況施工模型進(jìn)行排版分塊Fig.5 Typesetting and Division According to the Comparison of the Live Construction Model on Site

⑤對(duì)進(jìn)場(chǎng)材料進(jìn)行掃描對(duì)比檢查，及時(shí)剔除不符要求的分塊材料，保證下單質(zhì)量；

⑶為提高工效，保證安裝精度，參照施工模型對(duì)施工區(qū)域進(jìn)行精確的分區(qū)，并預(yù)先找定安裝點(diǎn)位。安裝時(shí)只需按照所定點(diǎn)位及材料編號(hào)信息將鋁板安裝到對(duì)應(yīng)位置即可完成材料的精確安裝，避免偏差，減少甚至杜絕返工返料現(xiàn)象；

⑷分區(qū)安裝完畢后，再次進(jìn)行三維掃描及點(diǎn)位坐標(biāo)測(cè)量，將所的模型與施工模型進(jìn)行對(duì)比，三次檢核，保證施工質(zhì)量和裝飾效果。

⑸優(yōu)化的施工工序。在施工策劃結(jié)束后即可進(jìn)行材料下單，整個(gè)下單過(guò)程不放線和基層施工同步甚至提前，為主材質(zhì)量及成本的把控提供充足的時(shí)間。

⑹中庭GRG模具制作。根據(jù)模型樣式輸入電腦用大型五軸雕刻機(jī)雕刻出原始模具，人工修復(fù)光順?lè)撇Ａт撃＞咧谱鳟a(chǎn)品，保證產(chǎn)品安裝完成后的流暢度。安裝前對(duì)鋼結(jié)構(gòu)排布深化細(xì)化，根據(jù)產(chǎn)品的預(yù)埋點(diǎn)位置出鋼結(jié)構(gòu)圖紙，貨到現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)定位放樣產(chǎn)品配件與鋼結(jié)構(gòu)焊接加固，背面接縫糊幫處理正面貼網(wǎng)格繃帶補(bǔ)縫處理。設(shè)計(jì)根據(jù)模型分解出每個(gè)構(gòu)件，輸入雕刻機(jī)雕刻出構(gòu)件剖面［5］。

按照深化圖紙尺寸拼裝出整個(gè)模型模具，用定位模板確定每個(gè)穿孔位置，制作穿孔硅膠模具模種、翻制硅膠，硅膠模具成型，按照定位模板組裝硅膠模具，直至最終產(chǎn)品制作完成。模型樣式如圖6所示。

圖6 模型樣式Fig.6 Model Style

⑺中庭GRG面層安裝

①開(kāi)始安裝：掛板采用分解制作——打釘安裝；鋼結(jié)構(gòu)和穿孔區(qū)均可打釘。

因鋼構(gòu)打釘面在4 cm面（40 mm×80 mm方通），扣去兩邊圓角和1 cm補(bǔ)縫槽每片GRG打釘區(qū)域只有1 cm，會(huì)造成產(chǎn)品邊緣崩裂現(xiàn)象，所以采用此打釘定位中間打釘加固方式，保證產(chǎn)品不會(huì)因打釘不牢造成開(kāi)裂［6］。

考慮到安裝打釘面只有3 cm，產(chǎn)品之間預(yù)留補(bǔ)縫口，實(shí)際單邊打釘位只有1 cm，所以采用燕尾螺絲加墊片形式安裝（墊片后期采用不銹鋼材質(zhì)）。

②補(bǔ)縫處理：前面壓網(wǎng)格布背后采用捂幫防止開(kāi)裂）。

③根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)造型的特殊性需要減輕材料對(duì)樓板的負(fù)重，采用進(jìn)口GRG粉（其性能為白度93%，2 h抗折強(qiáng)度最高可達(dá)到8.5～9.0 MPa，比國(guó)產(chǎn)粉高2～3 MPa）制作成10 mm厚產(chǎn)品，既保證產(chǎn)品的強(qiáng)度又可減輕重量。且將點(diǎn)直接定在每塊中庭GRG的完成面分隔縫上，大大方便了后期安裝工作。

3.3 中庭GRG造型表面木紋漆難點(diǎn)的解決措施

⑴表面平整，圓順：表面接縫以玻璃纖維布及專(zhuān)用粘結(jié)粉進(jìn)行補(bǔ)縫處理，以高強(qiáng)石膏整體初步找平，專(zhuān)用彈性膩?zhàn)?遍，每層膩?zhàn)訃娗逵?遍，增強(qiáng)膩?zhàn)踊鶎訌?qiáng)度；噴清油增加GRG表面光澤，在燈光照射下易發(fā)現(xiàn)表面不平順的位置，轉(zhuǎn)角、圓弧處，造型交匯處，木工制作靠模輔助［7］。

⑵漆膜不起皮：漆膜起皮主要是因?yàn)镚RG含水率高，表干里不干，GRG制作時(shí)GRG漿料需用水調(diào)制，所以，GRG油漆前必須有干燥期，并經(jīng)過(guò)含水率檢測(cè)，控制在12%以內(nèi)。GRG生產(chǎn)安裝進(jìn)度需考慮GRG干燥時(shí)間，考慮氣候的因素，尤其對(duì)于冬雨季施工期［8］。木紋漆制作過(guò)程如圖7所示。

圖7 木紋漆制作過(guò)程Fig.7 Wood Grain Paint Production Process

⑶冬雨季GRG制作，由于氣溫低、濕度大，GRG制作過(guò)程中的水分不易蒸發(fā)，對(duì)油漆施工影響很大，油漆施工前，GRG由表及里應(yīng)充分干燥，否則，會(huì)造成油漆漆膜開(kāi)裂脫落。所以，GRG制作期需要充分考慮季節(jié)、氣候的因素，理想狀態(tài)是在冬雨季來(lái)臨前就加工好GRG部件，合理安排產(chǎn)能。如有逾期，則應(yīng)有應(yīng)急預(yù)案，提前安排室內(nèi)烘干設(shè)備，保證GRG產(chǎn)品生產(chǎn)進(jìn)度不受影響［9］。安裝完成整體效果如圖8所示。

圖8 裝飾墻整體完成效果Fig.8 The Overall Effect of the Decorative Wall

4 結(jié)語(yǔ)

曲面異形結(jié)構(gòu)的施工一直是工程界的一大難題，曲面弧形變幻復(fù)雜，軸線定位控制難，構(gòu)件加工制作安裝精度要求高，一旦出現(xiàn)位移偏差，將造成弧形曲面段連接不流暢，影響到整體建筑外輪廓的美觀性［10］。

本項(xiàng)目通過(guò)工程實(shí)踐，將BIM數(shù)控測(cè)量［11］、3D激光掃描、五軸雕刻、三維放線、多源信息融合技術(shù)等多種數(shù)字化施工技術(shù)融合，用于弧形雙曲面GRG裝飾墻施工，相較于采用傳統(tǒng)方式，大幅提高了測(cè)量定位的精度，使得GRG裝飾墻曲面順滑流暢，木紋搭接自然對(duì)紋，同時(shí)節(jié)約工期，降低項(xiàng)目部的施工成本受到建設(shè)各方的好評(píng)，已建成的實(shí)體建筑得到設(shè)計(jì)方的高度認(rèn)可，工程質(zhì)量符合規(guī)范和合同要求，確保了工程建設(shè)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。