3D建模輔助非規則弧形結構施工技術

邢司藝

摘 要：球幕影院作為靜態影院中最復雜少見的影院形式，目前已日趨普及，遼寧省沈陽市全運文化場館工程中的省科學技術館包含了東北最大的球幕影院，在建設過程中，我們針對球幕影院的非規則圓弧結構，著重利用3D建模輔助技術，在底板插筋、鋼筋綁扎、墻體模板支設和混凝土澆筑過程中，摸索出了一套新型施工工藝。目前已憑借此項技術作為一項創新項獲得了遼寧省科技示范工程。

關鍵詞：3D；非規則；坐標；橢圓；23°

1 工程綜述

遼寧省科技館球幕影院是目前國內最先進的球幕影院之一，其內部均為鋼筋混凝土結構，外部由兩個不同直徑的鋼結構球殼網架拼裝而成，球幕影院地下部分的弧形墻體一共分為四層，最外邊是正圓砌筑墻，相當于整個球幕影院的內部圍護結構，也是最外鋼球外立面的基座，第二道鋼筋混凝土剪力墻體結構也是正圓形，作為小鋼球的基座，大球小球之間為觀眾入場環廊，又稱“太空走道”，行走其中，如同漫步太空一般，第三道墻體是一個橢圓筒混凝土墻被一個23°角的平面切割而成，標高圓滑變化由高至低，這圈墻體主要作為球形屏幕生根的基座，他的精度要求是最高的，3D輔助的技術手段也基本都應用到這道墻上，最里側的第四圈墻體主要是看臺的圍護結構，由三段非規則的曲線拼接而成，現場定位難度極大。

2 特點分析

非規則弧形結構現場測量放線難度極大，原始點（如圓心、弧頂等）大多情況下會被遮擋，或距離測量位置較遠無法引至指定位置。此時采用簡單的3D建模來輔助測量及各環節施工具有效率高、化繁為簡、數據準確等明顯優勢。

利用GPS結合3D模型坐標，打點定位墻體鋼筋的插筋位置，在精確定位的基礎上，滿足了施工工序，解決了復雜圓弧結構墻體鋼筋無法在已經綁扎的底板鋼筋網片上定位的難題。

非規則弧形墻段3D建模配合鋼筋、模板放樣，提高了鋼筋模板尺寸的精確性，同時采用定型模具加工對墻體頂部壓光收面，為高精設備安裝創造了有利條件，減少了不必要的返工、或二次施工的浪費。

本工藝適用于各類非規則圓弧混凝土結構施工，如大型主題商場、特殊造型游樂及娛樂場所、體育場館、球形及異形影劇院的內部鋼筋混凝土結構施工等等，特別適用于球形銀幕整體在斜切面弧形墻體之上生根的影院結構類型。

3 施工工藝流程及操作要點

3.1 工藝流程圖解（見圖1）

3.2 操作要點

（1）非規則弧形結構施工前最重要的工作就是創建等比例的3D模型，模型主要針對非規則弧形墻柱制作，細部節點可忽略，模型要求必須用正確坐標系的總平面圖為繪制底稿，這樣模型建成后便可將指定位置的平面坐標應用于前期的測量施工當中。

常規球幕影院以及球形娛樂場所的主要觀眾區及控制設備區都應該為地下結構部分，且弧形墻體一般可分為3到4層（如圖2），最外層（藍色）一般為用于外立面生根的正圓墻體，墻頂標高相同，大多為不連續弧線段；中間層（紅色）一般為用于室內頂棚圍護結構以及幕布等特殊結構生根的圓形或橢圓形墻體，墻頂一般為被一定角度的平面所切而成（如圖4）；最內層（綠色）墻體一般為看臺、觀眾席結構的維護，大多為不同圓心的弧段拼接而成，墻頂標高隨看臺踏步變化。如有第四層則在最外側，為外球的鋼結構生根所用。

（2）采用GPS定位插筋位置時，首先要考慮測量環境，避免風速、震動等干擾，在單位弧形段取盡量多的點位，以保證整體弧線準確，被測點位用提前加工好的簡易標記工具（可用十字標記的白鐵皮等）固定于底板鋼筋網片之上，GPS定位結束后，整體采用經緯儀抽測復合。

（3）針對被斜面切割的弧形墻段，可以利用非規則曲面的展開面，來確定平面尺寸，從而對該段墻體的豎向鋼筋及模板進行放樣，在鋼筋綁扎施工作業前，可根據放出的點位，現在底板平面制作弧度控制及豎向鋼筋定距框和限位鋼筋模具，再進行插筋，同時在模型中引測一定數量（每500～800mm一個）點位測出距地高度，并利用橢圓圓心的十字中軸線，找出引測點在實際中的位置（詳見圖5），在所有點位制作措施鋼筋棍，采用拉通線的方式將實際位置連接，形成10～20cm高差參考線，從而控制鋼筋綁扎高度和混凝土澆筑的標高，由于特別是球形銀幕的安裝需要有精確的底座作為保證，因此該環節的工作顯得尤為重要。

（4）模板加工環節首先選取韌性較好的優質木竹膠板，嚴格按3D模型展開尺寸進行放樣裁切，保證分格縫整齊美觀（特別針對表面要求清水混凝土效果的弧形墻面）。模板次背楞選用50mm×100mm木方，主背楞選用直徑20三級鋼筋沿弧度彎曲定型，并用對拉螺桿卡具鎖死。此方法充分利用了鋼筋的韌性，使弧形墻體的澆筑效果更加美觀。

同時，我們將提前預制的長度等同于墻厚的50mm×50mm的混凝土條，按一定間距沿直徑方向放置于兩層模板面板之間，互頂模板以保證弧度的準確。

針對圓弧墻體中的圓柱，加工定型半圓柱模板，與外表面模板形成連續整體。（如圖7所示）

（5）一般情況下按設計要求，被斜面切割的弧形墻上部需埋設若干用于球形銀幕底座的埋件，埋件在埋設前，由于墻頂混凝土完成面尚未形成，對于埋件的正確定位必須借助3D模型計算出埋件對角的坐標（這就要求3D模型必須在總坐標正確的平面圖上繪制，且繪制過程中切忌隨意移位），最后利用對角點坐標，采用GPS現場將埋件定位后穩固焊接在墻體的措施鋼筋上，保證埋件定位的準確性。

（6）嚴格按照前期利用3D模型引測并標志在模板上的控制點，澆筑墻體混凝土至設計標高以下20mm。預留砂漿精確收面的可操作厚度。

（7）借助3D模型，制作定型模具，并采用定型Z字形模具（圖9）收面，測試模具時，將模具卡在圓弧墻最低點與最高點，Z字形模具的中間表面應該緊貼墻面，嚴絲合縫，即證明模具制作的精確程度是否合格，隨后沿中軸線的平行方向移動模具對墻頂進行高強砂漿的收面工作。舉例說明：如被斜面切割的圓弧墻垂面與此斜面的夾角為67°，則Z型模具的夾角也應為67°。（如圖10所示）

4 效益分析

（1）經濟效益對比分析

（2）憑借本工藝的順利執行，以及取得的良好施工效果，僅球幕影院部分在模板定制加工，二次植筋打孔，人工放樣等多個方面共節約工期約30d，受到業主的嘉獎，為影院部分的鋼結構施工更早的提供了作業面。

（3）同時憑借此工藝在內的新技術展示，遼寧省科技館工程榮獲了遼寧省科技示范工程的榮譽稱號。為同類工程提供了更加合理簡便的施工經驗。

（4）簡易的模板體系，就地取材，為整體工程節約了大量的鋼材、吊裝設備、能源消耗，同時采用3D建模放樣也能極大的節約施工用地。

（5）該體系也同樣降低了施工過程中的噪聲污染，避免的工廠加工材料的遠途運輸污染。

5 總 結

本工程球幕影院部分結構非常復雜，僅標高就有20余種，內中外三段弧形墻體結構不規則，施工難度超大，要求精度極高，工期短，體量大，此工藝經本工程實際應用效果顯著，能充分利用有限的資源滿足各項功能要求。

球幕影院利用3D技術輔助非規則弧形結構施工工藝的成功應用，確保了結構按期封頂，混凝土澆筑質量及需滿足設備安裝部位的尺寸完全符合設計及專業廠家要求。