BIM技術(shù)在復(fù)雜多曲形建筑施工中的應(yīng)用

王梟萌 侯慶達(dá) 呂家玉 常文軍 陳 謹(jǐn) 李俊俊

(中建八局第二建設(shè)有限公司，濟(jì)南 250014)

引言

隨著社會(huì)的發(fā)展，人們對(duì)建筑造型的審美日益提高，建筑外觀設(shè)計(jì)力求新穎，多曲面混合結(jié)構(gòu)能最大程度滿足建筑外造型波浪狀多曲面平滑過渡，但結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，施工難度大，傳統(tǒng)的二維設(shè)計(jì)圖紙已無(wú)法很好地滿足施工的需求。

BIM技術(shù)可將建筑設(shè)計(jì)及施工過程進(jìn)行虛擬表達(dá)，在建筑的全生命期都有其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。本文將BIM技術(shù)應(yīng)用于阜陽(yáng)大劇院施工中，為施工中遇到的關(guān)鍵難題提供解決方案，使得項(xiàng)目施工順利進(jìn)行。

1 項(xiàng)目概況

阜陽(yáng)大劇院項(xiàng)目位于安徽省阜陽(yáng)市城南新區(qū)，總建筑面積5.97萬(wàn)m2，包含綜合劇場(chǎng)、多功能小劇場(chǎng)、電影院線及配套附屬設(shè)施，總投資8.3億元。建筑立意為“七彩玫瑰”，即三片變化的“花瓣”將三種功能包圍在一個(gè)整體，墻面卷曲延伸至屋面形成花瓣、花芯。項(xiàng)目建成后，將成為皖北地區(qū)最高檔次的藝術(shù)表演中心。本項(xiàng)目主要特點(diǎn)為造型奇特、帶狀曲面多，鋼結(jié)構(gòu)、幕墻、混凝土結(jié)構(gòu)存在大量空間扭曲構(gòu)件。項(xiàng)目外立面如圖1所示。

2 項(xiàng)目重難點(diǎn)

2.1 多曲結(jié)構(gòu)識(shí)圖難

多曲結(jié)構(gòu)圖紙復(fù)雜，傳統(tǒng)二維圖紙無(wú)法清晰表達(dá)多曲結(jié)構(gòu)，更無(wú)法表示多曲結(jié)構(gòu)的空間位置，尤其是空間結(jié)構(gòu)的各構(gòu)件的位置關(guān)系過于抽象，無(wú)法有效指導(dǎo)施工。

2.2 多曲結(jié)構(gòu)定位難

常規(guī)工藝難以滿足多曲混凝土結(jié)構(gòu)施工，常規(guī)模板安裝工藝施工曲面結(jié)構(gòu)時(shí)往往導(dǎo)致模板裁切過多造成浪費(fèi)，且曲面成型準(zhǔn)確度不高； 傳統(tǒng)的模板支撐架以承受豎向荷載和風(fēng)荷載(水平)為主，多曲結(jié)構(gòu)支撐架體需要承受較大的水平荷載； 多曲結(jié)構(gòu)中鋼筋長(zhǎng)度、曲率不斷變化，需要較高的下料準(zhǔn)確度。

2.3 多曲結(jié)構(gòu)支撐難

波浪形多曲環(huán)梁總長(zhǎng)426 m，結(jié)構(gòu)主體為空間順滑自由曲線，通過外圍框架斜柱設(shè)置牛腿外懸挑0.6～2.92 m，豎向標(biāo)高0.00m～15.717 m，承重2700 t，截面由矩形到梯形過度，造型復(fù)雜，支撐體系搭建難度大。

2.4 多曲鋼結(jié)構(gòu)安裝難

玫瑰形網(wǎng)格狀鋼結(jié)構(gòu)加工、拼裝精度要求較高，玫瑰形網(wǎng)格狀鋼結(jié)構(gòu)為變曲率、多曲面結(jié)構(gòu)，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的加工精度要求高且受力復(fù)雜，需要通過復(fù)雜的力學(xué)計(jì)算確定吊裝單元。

3 BIM技術(shù)與多曲結(jié)構(gòu)識(shí)圖難題

阜陽(yáng)大劇院主體外圍設(shè)置一圈426 m長(zhǎng)的波浪形多曲環(huán)梁，通過牛腿形式與主體外圍大傾斜圓柱相連，每根斜柱的傾斜角度均不一樣，從68°到89°不等。波浪形多曲環(huán)梁上部為玫瑰形空間網(wǎng)格狀鋼結(jié)構(gòu)，玫瑰形網(wǎng)格鋼結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)及機(jī)電安裝、裝飾工程等碰撞節(jié)點(diǎn)較多。從設(shè)計(jì)院提供的二維圖紙無(wú)法表現(xiàn)出具體的空間形象，因此采用BIM技術(shù)進(jìn)行三維建模，從而使得結(jié)構(gòu)形象直觀表現(xiàn)。不僅可以更好地指導(dǎo)施工，也可以發(fā)現(xiàn)二維圖紙的問題，提前進(jìn)行優(yōu)化。

3.1 多曲結(jié)構(gòu)三維模型建立

(1)BIM建模流程

圖2 BIM建模流程圖

為了解決二維圖紙識(shí)圖難的問題，利用Revit軟件建立項(xiàng)目土建、暖通模型，利用Rhinoceros軟件和Tekla軟件建立幕墻、鋼結(jié)構(gòu)模型，將各模型進(jìn)行整合，其次與業(yè)主和設(shè)計(jì)單位進(jìn)行圖紙會(huì)審(如圖2所示)，最終將三維圖紙對(duì)施工人員進(jìn)行交底。

(2)Revit建模

根據(jù)收集到的結(jié)構(gòu)、建筑、安裝圖紙，組織專人進(jìn)行主體結(jié)構(gòu)及機(jī)電模型的制作，并在模型中讀取玫瑰形幕墻的造型關(guān)鍵點(diǎn)。模型中應(yīng)至少包含以下內(nèi)容：

1)主體結(jié)構(gòu)構(gòu)件：結(jié)構(gòu)梁、結(jié)構(gòu)板、結(jié)構(gòu)柱、結(jié)構(gòu)墻、水平及豎向支撐等的基本布置及截面。如圖3所示。

2)次要結(jié)構(gòu)構(gòu)件深化：樓梯、坡道、排水溝、集水坑等。

3)暖通專業(yè)：風(fēng)管道、風(fēng)管管件(風(fēng)管連接件，三通、四通、過渡件等)、風(fēng)管附件(閥門、消聲器、靜壓箱等)、風(fēng)道末端(風(fēng)口)、風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)等。如圖4所示。

圖3 Revit主體結(jié)構(gòu)模型

圖4 Revit暖通模型

(3)Rhinoceros建模

根據(jù)“七彩玫瑰”幕墻建筑效果要求，使用 Rhinoceros 軟件對(duì)本項(xiàng)目波浪形多曲面混凝土環(huán)梁進(jìn)行單獨(dú)建模(如圖5所示)，為雙曲環(huán)梁及斜柱的施工提供幫助。

(4)Tekla建模

根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙，使用 Tekla 軟件對(duì)玫瑰形網(wǎng)格鋼結(jié)構(gòu)建模(如圖6所示)，針對(duì)性的分析每根龍骨，然后通過三維軟件自有命令依次分析每根龍骨的曲率與弦高，將豎龍骨根據(jù)曲率區(qū)分為彎曲龍骨、直龍骨，對(duì)于直龍骨只需要讀取龍骨長(zhǎng)度即可，并使用軟件提取出構(gòu)件所需加工參數(shù)(如圖7所示)，指導(dǎo)構(gòu)件工廠加工。

圖5 Rhinoceros雙曲混凝土梁模型

圖6 幕墻鋼結(jié)構(gòu)模型

圖7 提取鋼構(gòu)件加工參數(shù)

(5)三維模型整合

將所建主體結(jié)構(gòu)模型、暖通專業(yè)模型、雙曲混凝土環(huán)梁模型、鋼結(jié)構(gòu)專業(yè)模型進(jìn)行整合(如圖8所示)，檢查專業(yè)間施工碰撞問題(如圖9所示)，并對(duì)碰撞節(jié)點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化、匯總。

圖8 三維模型整合

圖9 網(wǎng)格鋼結(jié)構(gòu)與混凝土結(jié)構(gòu)沖突

3.2 圖紙會(huì)審

配合業(yè)主單位組織圖紙會(huì)審，將深化合模過程中發(fā)現(xiàn)的各類問題及優(yōu)化建議統(tǒng)計(jì)列表，交予業(yè)主、設(shè)計(jì)單位及監(jiān)理單位審核確認(rèn)。如圖10所示。

圖10 施工答疑單

通過建立波浪形多曲面混凝土環(huán)梁 Rhinoceros 模型，解決了多曲結(jié)構(gòu)施工難度，縮短波浪形多曲面混凝土環(huán)梁施工工期18 天； 通過 Tekla 鋼結(jié)構(gòu)模型提取構(gòu)件加工參數(shù)，指導(dǎo)工廠加工，保證了構(gòu)件尺寸精度； 通過三維模型整合，發(fā)現(xiàn)原設(shè)計(jì)問題200 余處，優(yōu)化節(jié)點(diǎn)400 余處。

4 BIM技術(shù)與多曲結(jié)構(gòu)定位難題

多曲結(jié)構(gòu)施工時(shí)在空間中定位較難，施工工序繁雜，施工工期較長(zhǎng)，前期鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的施工誤差往往會(huì)導(dǎo)致后期鋼結(jié)構(gòu)無(wú)法進(jìn)行準(zhǔn)確安裝，使鋼結(jié)構(gòu)成型精度得不到保障。因此，本項(xiàng)目利用BIM技術(shù)對(duì)多曲結(jié)構(gòu)進(jìn)行四步獨(dú)立空間定位。

4.1 施工準(zhǔn)備階段

(1)為保證放樣精度，在現(xiàn)場(chǎng)放線前對(duì)所用全站儀、水準(zhǔn)儀、鋼尺等送至相關(guān)儀器檢測(cè)單位進(jìn)行了全面的檢查和校正，使儀器的各項(xiàng)性能滿足放線的精度要求；

(2)復(fù)核測(cè)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(shí)與建設(shè)方溝通解決；

(3)在現(xiàn)場(chǎng)選定4 個(gè)坐標(biāo)控制點(diǎn)，并將復(fù)核無(wú)誤的原始坐標(biāo)及標(biāo)高引至場(chǎng)內(nèi)。

4.2 第一次定位—復(fù)核

(1)根據(jù)所提取的三維坐標(biāo)點(diǎn)在施工現(xiàn)場(chǎng)平面進(jìn)行定位工作，在此階段主要應(yīng)用大傾斜圓柱預(yù)留鋼筋定位復(fù)核及支撐體系搭設(shè)定位；

(2)待支撐體系搭設(shè)完成后，綁扎斜柱鋼筋及支設(shè)連接牛腿及環(huán)梁底模。

4.3 第二次定位—復(fù)核

通過全站儀進(jìn)行第二次測(cè)量定位，此階段主要應(yīng)用于大傾斜圓柱模板定位復(fù)核及梁底模微調(diào)及梁側(cè)放線，定位過程如下：

(1)待柱模及梁底模板加固完成后，用全站儀將柱模圓心位置復(fù)核及梁底部部模板上進(jìn)行平面坐標(biāo)的精確定位并作相應(yīng)的標(biāo)記；

(2)對(duì)已經(jīng)定位在模板上的坐標(biāo)點(diǎn)，用水準(zhǔn)儀一一對(duì)應(yīng)進(jìn)行標(biāo)高復(fù)測(cè)，將不符合精度要求的坐標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)記，并調(diào)整相應(yīng)模板的標(biāo)高；

(3)在完成標(biāo)高調(diào)整的梁底模板上用全站儀再次進(jìn)行平面坐標(biāo)的放樣調(diào)整，如此往復(fù)，直至坐標(biāo)點(diǎn)的平面坐標(biāo)及標(biāo)高均滿足施工的精度要求為止；

(4)待環(huán)梁鋼筋綁扎完成后，再次進(jìn)行測(cè)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(如圖11所示)；

圖11 波浪形混凝土環(huán)梁鋼筋綁扎效果

(5)待梁側(cè)模加固完成后，進(jìn)行測(cè)量復(fù)核，此階段主要應(yīng)用于復(fù)核驗(yàn)收。環(huán)梁施工完成效果如圖12所示。

圖12 波浪形混凝土環(huán)梁施工完成效果

4.4 第三次定位—復(fù)核

(1)使用全站儀及水準(zhǔn)儀對(duì)網(wǎng)格鋼結(jié)構(gòu)預(yù)埋件坐標(biāo)進(jìn)行復(fù)核，將復(fù)核結(jié)果重新導(dǎo)入 BIM 模型中，對(duì)存在的可調(diào)范圍的偏差重新調(diào)整模型參數(shù)，將最后結(jié)果反給鋼結(jié)構(gòu)工廠；

(2)鋼結(jié)構(gòu)生產(chǎn)工廠對(duì)現(xiàn)場(chǎng)復(fù)核后的 BIM 模型提取構(gòu)件加工參數(shù)，并生產(chǎn)相應(yīng)鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件；

(3)鋼構(gòu)件進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)后，通過三維模型坐標(biāo)安裝固定胎架，并找出對(duì)應(yīng)鋼構(gòu)件，放在胎架上進(jìn)行加工定位；

(4)對(duì)加工完成的鋼結(jié)構(gòu)單元進(jìn)行重新測(cè)量復(fù)核，保證單元拼裝精度要求。

4.5 第四次定位—復(fù)核

本階段使用全站儀與放樣機(jī)器人相結(jié)合的方式，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)單元吊裝進(jìn)行精準(zhǔn)定位。

(1)將 BIM 模型導(dǎo)入放樣機(jī)器人中，使放樣機(jī)器人獲取鋼結(jié)構(gòu)坐標(biāo)數(shù)據(jù)；

(2)吊裝過程中，使用全站儀及水準(zhǔn)儀對(duì)鋼結(jié)構(gòu)底部進(jìn)行定位，確保鋼結(jié)構(gòu)吊裝點(diǎn)位置準(zhǔn)確； 將放樣機(jī)器人的定位器固定在鋼結(jié)構(gòu)頂部，定位器實(shí)時(shí)向地面?zhèn)鬏斪鴺?biāo)位置，根據(jù)放樣機(jī)器人的智能指示，不斷調(diào)整鋼結(jié)構(gòu)頂部位置，直至定位器坐標(biāo)與 BIM 模型重合，以此確保鋼結(jié)構(gòu)吊裝角度。

通過四步獨(dú)立空間測(cè)量定位技術(shù)，提高了各工序施工精度，并通過多次復(fù)核調(diào)整，消除了施工工序累積誤差，保證了建筑設(shè)計(jì)外觀形象(如圖13所示)。

圖13 玫瑰形鋼結(jié)構(gòu)施工完成效果

5 BIM技術(shù)與多曲結(jié)構(gòu)支撐難題

大傾斜圓柱斜度較大，需要進(jìn)行支撐加固。波浪形多曲環(huán)梁模板支撐高度為0～15.616 m，模板支撐較為復(fù)雜。大傾斜圓柱支撐與樓內(nèi)支撐架相結(jié)合，其圓柱受力為偏心受力。波浪形多曲面環(huán)梁模板支撐高度不同，部分超過8 m 為高支模區(qū)域。

5.1 支撐設(shè)計(jì)

(1)斜柱支撐

斜柱模板支撐體系采用仿框架梁支撐形式，在大傾斜圓柱傾斜方向底部設(shè)立桿支撐，間距900×600 mm。立桿頂端按斜柱水平傾斜角度通過U型托固定40×80 mm木方作為托梁。為保持其穩(wěn)定性，在斜柱傾斜方向設(shè)置三列支撐桿，在其垂直方向及兩側(cè)30°角方向進(jìn)行加固支撐。在下側(cè)混凝土樓板中提前預(yù)埋25 mm鋼筋作為支撐桿的地錨。滿堂支撐架按照加強(qiáng)型進(jìn)行剪刀撐搭設(shè)，保持架體的整體穩(wěn)定性。根據(jù)雙曲混凝土環(huán)梁支撐方案，利用BIM技術(shù)在軟件中進(jìn)行三維模擬架體安裝(如圖14-15所示)，并進(jìn)行受力分析，準(zhǔn)確計(jì)算各支撐桿件的尺寸。研制一種腳手架剪刀撐扣件、扣件組，增強(qiáng)了架體的穩(wěn)定性。

圖14 支撐體系示意圖

圖15 支撐體系BIM模擬圖

(2)波浪形多曲面環(huán)梁支撐

支撐架體采用承插型盤扣式鋼管支架體系，具體搭設(shè)要求如下：

1)根據(jù)立桿及橫桿的設(shè)計(jì)組合，搭設(shè)900×600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(duì)于高支模區(qū)域必須在下層施工時(shí)設(shè)置連接件，加強(qiáng)架體整體穩(wěn)固性。

2)支撐架體搭設(shè)完成后，對(duì)其平面位置，頂部各點(diǎn)標(biāo)高、U型托長(zhǎng)度及整體受力性進(jìn)行復(fù)核。

通過技術(shù)研究，強(qiáng)化了支撐架體的穩(wěn)定性，保證大傾斜圓柱與波浪形多曲面環(huán)梁的混凝土澆筑安全與質(zhì)量，避免造成不必要的成本增加。如圖16所示。

圖16 支撐體系實(shí)際效果

5.2 模板安裝

5.2.1 斜柱模板

1)選用15 mm厚的定型加工覆膜模板，定型模板由兩個(gè)半圓構(gòu)成，模板企口如圖17所示；

2)模板拼接后，使用配套用的鋼箍帶進(jìn)行加固，鋼帶設(shè)置間距450 mm；

3)模板安裝時(shí)，底口緊貼根部定位筋，1000 mm 高位置與門式定位架的水平桿相切，確保模板安裝位置準(zhǔn)確；

4)調(diào)整斜向30°支撐桿及U型拖，保證架體安全；

5)研制了一種平整度檢測(cè)器，可高效檢查模板安裝質(zhì)量。

圖17 定型模板企口示意圖

5.2.2 波浪形多曲面環(huán)梁底模支設(shè)

模板選用915×1830×15 mm厚膠合板。

1)運(yùn)用Revit軟件建立的三維模型，將結(jié)構(gòu)尺寸按間隔915 mm配置設(shè)計(jì)梁底及梁側(cè)模板；

2)根據(jù)模型提前將設(shè)計(jì)好的模板進(jìn)行編號(hào)；

3)鋪設(shè)環(huán)梁底模時(shí)，模板邊緣大于結(jié)構(gòu)尺寸20 cm左右，待第二次放線定位后，通過調(diào)整支撐架體的U型托，進(jìn)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(diǎn)，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，如圖18所示。

圖18 環(huán)梁底模坐標(biāo)提取

(3)波浪形多曲面環(huán)梁側(cè)模安裝及加固

利用建立好的BIM模型及提取的三維坐標(biāo)點(diǎn)將梁側(cè)模進(jìn)行切割劃分，對(duì)不同段的模板分別進(jìn)行編號(hào)，同時(shí)導(dǎo)出模板的加工數(shù)據(jù)，在后臺(tái)提前對(duì)模板進(jìn)行精細(xì)化加工，對(duì)于拼縫模板，運(yùn)用BIM技術(shù)進(jìn)行模板的預(yù)拼裝，預(yù)先檢驗(yàn)?zāi)０宓钠囱b效果，實(shí)現(xiàn)模板施工的“零返工”。對(duì)已經(jīng)編號(hào)的側(cè)模，在底模三維放線定位時(shí)作出標(biāo)記，待底模加固后按照編號(hào)直接進(jìn)行環(huán)梁側(cè)模的支設(shè)，通過新型檢測(cè)器快速檢測(cè)模按安裝質(zhì)量。

6 BIM技術(shù)與多曲鋼結(jié)構(gòu)施工難題

玫瑰形網(wǎng)格鋼結(jié)構(gòu)其整體呈現(xiàn)多曲面，距離主體結(jié)構(gòu)外圍距離不同，焊接節(jié)點(diǎn)復(fù)雜，且玻璃幕墻對(duì)鋼結(jié)構(gòu)安裝精度要求較高。本項(xiàng)目鋼結(jié)構(gòu)總重量約3 000 t，平面尺寸182.5 m×136.6 m，最高點(diǎn)標(biāo)高40.42 m。如何實(shí)現(xiàn)玫瑰形鋼結(jié)構(gòu)快速安裝，并結(jié)合場(chǎng)地條件進(jìn)行拼裝，是該鋼結(jié)構(gòu)施工難點(diǎn)。

6.1 施工工藝流程

施工工藝流程如圖19所示。

圖19 鋼結(jié)構(gòu)吊裝流程圖

6.2 操作要點(diǎn)

6.2.1 基于BIM技術(shù)的深化優(yōu)化設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目玫瑰形網(wǎng)格鋼結(jié)構(gòu)總體呈雙曲造型，為滿足后期幕墻安裝及成型觀感要求，不同標(biāo)高的混凝土環(huán)梁間及鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件間采用平滑過度的方式相連，而在設(shè)計(jì)之初，設(shè)計(jì)院只能出具建筑外造型表皮模型，而二維圖紙出具后不具有參考價(jià)值，給后期施工帶來(lái)了極大的難度，且傳統(tǒng)的放線方式無(wú)法滿足測(cè)量定位的精度要求，故借助Tekla、Rhinoceros及 Revit 建立三維的建筑信息模型對(duì)二維圖紙進(jìn)行深化設(shè)計(jì)，同時(shí)預(yù)先發(fā)現(xiàn)圖紙及結(jié)構(gòu)間碰撞等問題。

6.2.2 鋼結(jié)構(gòu)預(yù)埋件安裝

圖20 Tekla軟件自動(dòng)提取預(yù)埋件三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)

本項(xiàng)目的鋼結(jié)構(gòu)呈整體閉合，對(duì)相對(duì)精度的要求極高。在復(fù)測(cè)總包移交的場(chǎng)區(qū)平面控制網(wǎng)和高程控制網(wǎng)的同時(shí)，還必須復(fù)測(cè)同鋼結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)的土建結(jié)構(gòu)相互關(guān)系，以保證最終鋼結(jié)構(gòu)施工的整體性，只有當(dāng)所有復(fù)測(cè)精度滿足要求后，才能進(jìn)行下一步工作。

通過 Tekla 軟件提取每一塊預(yù)埋件的空間坐標(biāo)點(diǎn)，在埋件預(yù)埋過程中全程通過全站儀進(jìn)行測(cè)量定位。如圖20所示。

波浪形多曲面環(huán)梁混凝土澆筑完成后需對(duì)預(yù)埋件進(jìn)行復(fù)測(cè)(如圖21所示)，利用復(fù)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行逆向建模，將逆向模型與標(biāo)準(zhǔn)模型進(jìn)行比對(duì)，以防止埋件實(shí)際的偏差值導(dǎo)致上部網(wǎng)格鋼結(jié)構(gòu)吊裝出現(xiàn)較大偏差，造成返工、材料等一系列經(jīng)濟(jì)損失。

圖21 混凝土結(jié)構(gòu)完成后預(yù)埋件定位復(fù)測(cè)

6.2.3 現(xiàn)場(chǎng)單元鋼結(jié)構(gòu)拼裝

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工進(jìn)度，各區(qū)域的鋼結(jié)構(gòu)由內(nèi)向外進(jìn)行分段拼裝，每三根主龍骨和若干次龍骨為一吊裝單元，采用AutoCAD三維電腦模擬技術(shù)將擬拼裝的分塊整體大致放置水平，在距分塊下端最低點(diǎn)500 mm左右的位置取一個(gè)相對(duì)水平面作為拼裝胎架基準(zhǔn)面，將三維相對(duì)坐標(biāo)系設(shè)置到基準(zhǔn)面上，取出各拼裝構(gòu)件的坐標(biāo)。如圖22所示。

采用全站儀在拼裝場(chǎng)區(qū)放樣，紅漆標(biāo)記、編號(hào)，用墨斗彈線將地面定點(diǎn)連接，便于胎架布置。在胎架旁設(shè)置沉降觀測(cè)點(diǎn)，作為平臺(tái)沉降的依據(jù)。拼裝胎架由20#工字鋼、φ159圓管、200*8方管、16#槽鋼焊接構(gòu)成。如圖23-24所示。

圖22 拼裝單元及拼裝胎架圖

圖23 拼裝胎架所需材料

圖24 胎架完成效果

依據(jù)拼裝胎架圖的尺寸進(jìn)行拼裝吊裝單元(如圖25所示)，拼裝完成后應(yīng)將節(jié)點(diǎn)位置與地面定點(diǎn)進(jìn)行復(fù)核無(wú)誤后開始焊接，并經(jīng)過超聲波探傷合格后方可吊裝。

圖25 吊裝單元地面拼裝

6.2.4 現(xiàn)場(chǎng)單元鋼結(jié)構(gòu)吊裝

根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及周圍施工環(huán)境分析，采用1 臺(tái)260 t 履帶吊、1 臺(tái)100 t汽車吊、3 臺(tái)塔吊吊裝，網(wǎng)格鋼結(jié)構(gòu)采用“場(chǎng)外分片吊裝、散件補(bǔ)裝”的安裝方案進(jìn)行施工根據(jù)花瓣造型，分成 Part1、Part2、Part3 三個(gè)區(qū)塊，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，由內(nèi)而外依次吊裝。

鋼結(jié)構(gòu)安裝順序?yàn)椋?/p>

1)吊裝單元鋼結(jié)構(gòu)至指定位置并與埋件相連；

2)履帶吊不松鉤通過塔吊安裝連系梁；

3)安裝牢固后松鉤吊裝下一片單元鋼結(jié)構(gòu)；

4)塔吊穿插吊裝已完成單元之間后補(bǔ)桿件。

(1)吊裝防變形措施

由于本項(xiàng)目吊裝單元為一單層曲面網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，且地面拼裝時(shí)為臥放，吊裝單元鋼結(jié)構(gòu)時(shí)的翻身過程尤為重要，構(gòu)件翻身起吊時(shí)控制不產(chǎn)生較大變形，以利于構(gòu)件安裝及外形控制(如圖26所示)。因此鋼結(jié)構(gòu)翻身時(shí)設(shè)置1臺(tái)100t汽車吊進(jìn)行輔助吊裝，過程如下：

1)2 臺(tái)起重機(jī)水平將吊裝單元吊離拼裝胎架一定高度后；

2)對(duì)吊裝單元緩慢翻身，主起重機(jī)繼續(xù)升鉤，副起重機(jī)降鉤并喂送；

3)吊裝單元立直，此時(shí)副起重機(jī)松鉤，主起重機(jī)將單元吊至預(yù)定位置。

(2)吊裝驗(yàn)算

為保證吊裝作業(yè)的可靠性，吊裝前對(duì)典型分塊用 MIDAS 軟件進(jìn)行有限元分析，驗(yàn)算結(jié)構(gòu)變形，以保證吊裝作業(yè)的可靠性。如圖27所示。

同時(shí)對(duì)吊裝工況進(jìn)行分析，履帶吊最重吊裝分塊為Part2的第33分塊，吊裝半徑為42.0 m，吊裝重量為16.70 t(如圖28、表1所示)。履帶吊最遠(yuǎn)吊裝分塊為Part2 的第24分塊，吊裝半徑為62.0 m，吊裝重量為4.88 t(如圖29、表2所示)。

圖26 吊裝單元翻身

圖27 吊裝單元有限元分析

圖28 Part2的第33分塊吊裝工況分析

表1 QUY260(260t)履帶吊工況分析工況分析

表2 QUY260(260t)履帶吊工況分析工況分析

圖29 Part2的第24分塊吊裝工況分析

(3)網(wǎng)格結(jié)構(gòu)精度控制

吊裝單元通過龍骨根部的銷軸與波浪形多曲面環(huán)梁上埋件及側(cè)面支撐連接固定后，采用全站儀對(duì)單元的安裝位置精度進(jìn)行進(jìn)一步測(cè)量，如發(fā)現(xiàn)偏差時(shí)，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行調(diào)整，直至單元安裝精度符合設(shè)計(jì)要求。

(4)臨時(shí)固定措施

為了保證安裝精度和施工進(jìn)度，盡可能地減少履帶吊吊裝時(shí)間，采用了纜風(fēng)繩加手動(dòng)葫蘆的臨時(shí)固定方式，校正時(shí)利用纜風(fēng)繩通過手動(dòng)葫蘆調(diào)節(jié)單元的三維空間定位。

(5)分段卸載、變形觀測(cè)

在臨時(shí)拉設(shè)的纜風(fēng)繩拆除前，結(jié)構(gòu)體系須進(jìn)行轉(zhuǎn)換，即由施工過程中的結(jié)構(gòu)體系(由主體結(jié)構(gòu)和纜風(fēng)繩形成的結(jié)構(gòu)體系)轉(zhuǎn)換成由主體結(jié)構(gòu)自身承重的最終結(jié)構(gòu)體系。為保證體系轉(zhuǎn)換順利安全，對(duì)其全過程各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行了周密的安排。

1)卸載前提條件。結(jié)構(gòu)所有桿件安裝焊接完成，所有節(jié)點(diǎn)全部連接并驗(yàn)收合格。

2)結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換。以結(jié)構(gòu)計(jì)算為依據(jù)，結(jié)構(gòu)、支撐安全為宗旨，變形監(jiān)測(cè)為手段，從上到下，從中間到兩邊一次卸載。

3)變形監(jiān)測(cè)。臨時(shí)支撐卸載過程中，變形監(jiān)測(cè)尤為重要，通過全站儀全程跟蹤監(jiān)測(cè)。單元鋼結(jié)構(gòu)拼裝施工階段，主要監(jiān)測(cè)鋼構(gòu)件的撓度； 單元鋼結(jié)構(gòu)吊裝完成及水平支撐鋼梁補(bǔ)裝施工階段，主要監(jiān)測(cè)單元鋼結(jié)構(gòu)的豎向撓度及水平變形； 整體異形空間網(wǎng)格鋼結(jié)構(gòu)分段卸載施工階段，主要監(jiān)測(cè)整體鋼結(jié)構(gòu)的 X、Y、Z 方向的變形，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)均不超過 L/400。

通過鋼結(jié)構(gòu)單元?jiǎng)澐盅芯?、吊裝技術(shù)研究，實(shí)現(xiàn)地面拼裝、現(xiàn)場(chǎng)吊裝快速建造(如圖30-33所示)，縮短施工工期，減少建造成本。

圖30 鋼結(jié)構(gòu)單元拼裝

圖31 鋼結(jié)構(gòu)單元吊裝

圖32 鋼結(jié)構(gòu)單元補(bǔ)桿

圖33 鋼結(jié)構(gòu)吊裝完成效果

7 結(jié)論

BIM技術(shù)在阜陽(yáng)大劇院多曲建筑施工中的應(yīng)用，解決了多曲結(jié)構(gòu)識(shí)圖難、混凝土結(jié)構(gòu)支撐及澆筑、鋼結(jié)構(gòu)施工難題。實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜多曲結(jié)構(gòu)工程下的高施工質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。BIM技術(shù)的應(yīng)用使得項(xiàng)目施工節(jié)省工期40天，累計(jì)創(chuàng)效約392萬(wàn)元，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)意圖，得到業(yè)主的高度認(rèn)可，在阜陽(yáng)市建筑行業(yè)起到標(biāo)準(zhǔn)示范作用，取得了良好的社會(huì)效益。為多曲形建筑施工提供可供參考的施工方法。