基于BIM技術的雙曲面混凝土環梁施工工藝

呂家玉 侯慶達 孔 強 盛福衡 孫錫強 劉海營 李志文

中建八局第二建設有限公司 山東 濟南 250013

1 工程概況

安徽省阜陽市大劇院外幕墻為單元式玻璃幕墻，其標準板塊為平行四邊形，幕墻外立面呈內傾或外傾的造型，各板塊尺寸不一致、質量較大；其支撐體系為鋼結構（圖1），為滿足鋼結構支撐要求，在結構外圍設置雙曲面鋼筋混凝土環梁，總長度426 m。此雙曲面混凝土環梁功能為外幕墻鋼結構體系支撐結構，共承載2 700 t鋼結構。此結構從主體外圈框架柱通過設置牛腿的方式外懸挑0.57～2.92 m，豎直標高由±0～15.717 m平滑過渡。鋼結構預埋件共計244個，分布于雙曲面鋼筋混凝土環梁頂面，且梁截面分為矩形截面和梯形截面2種，其中梯形截面梁長度88 m，矩形截面梁長度338 m。

本工程幕墻支撐用雙曲面混凝土環梁，其造型復雜，主要難點如下：

1）空間曲率及坡度變化較大，傳統的測量放線技術無法滿足施工精度要求。

圖1 外圍幕墻鋼結構BIM模型

2）模板體系選型需綜合考慮，兼顧模板的重復利用性及模板支設的可實施性。

3）環梁最高高度為15.717 m，其模板支撐為高支模體系，安全性要求較高。

4）環梁通過鋼筋混凝土牛腿與主樓外圍框架柱相連接，其施工縫劃分及施工順序難度大。

2 主要技術創新

1）BIM是以三維數字技術為基礎，集成了建筑工程項目設計、建造、管理、運營等各種相關信息的工程數據模型，是對工程項目相關信息的詳盡表達。BIM技術在建筑領域，已趨于成熟并得到廣泛應用。通過三維數字技術模擬建筑物所具有的真實信息，為工程設計和施工提供相互協調、內部一致的信息模型，使該模型達到設計施工的一體化，各專業協同工作。本工程將采用包括但不限于Autodesk Revit、Rhinoceros、Grasshopper、Navisworks、Catia等軟件，創建BIM模型，并通過建立的三維立體模型，解決環梁空間測量定位，與主樓節點碰撞、支撐體系搭設等關鍵技術難點。

2）本環梁模板體系主要考慮2種方案：一是直接加工定型化弧形模板；二是通過平面模板代替圓弧模板的方案，“以直代曲”進行施工。由于本環梁標高變化較大，且曲率不一、細部曲率較小，定型化模板在不同的位置及標高處需分別配置，無法實現模板的周轉使用，故選用第2種方案，通過“以直代曲”的模板體系，在滿足后期幕墻施工精度要求的前提下，實現環梁的澆筑成型。

3）遵照按樓層、施工段、伸縮縫劃分檢驗批的原則，采用“由低到高、分層澆筑”的混凝土施工順序，避免由于結構變形、標高不規則變化等可能引起的質量通病。

3 工藝概況

雙曲面混凝土環梁施工運用BIM技術建立三維立體模型，由相關軟件導出環梁的三維定位坐標，現場結合全站儀、水準儀等進行三維坐標的空間定位；采用承插型盤扣式鋼管支架體系，實現支撐架體的快速搭設，既可縮短工期，又可保證施工的安全；施工時按樓層、分區的順序分段施工，本施工工藝重點在于空間測量定位及模板支設，在保證其施工功能的前提下，減少混凝土的質量通病。

4 工藝流程

幕墻設計深化→建立BIM模型→三維坐標提取→架體測量放線→架體搭設→雙曲面環梁初步空間定位→環梁底模支設→精確測量定位→環梁底模微調及側模放線定位→環梁鋼筋綁扎→鋼結構預埋件定位安裝→環梁側模支設及加固→復核驗收→混凝土澆筑→收面→養護→拆模

5 操作要點

5.1 基于BIM技術的空間測量定位

雙曲環梁通過設置牛腿的方式外懸挑，豎直標高跨度過大，為滿足后期幕墻安裝及成型觀感要求，不同標高的環梁間采用平滑過渡的方式，而在設計之初，設計院只能出具建筑外造型表皮模型，二維圖紙出具后，不具有參考價值，給后期施工帶來了極大難度，且傳統的放線方式，無法滿足測量定位的精度要求。故借助Rhinoceros及Revit建立三維的建筑信息模型對二維圖紙進行深化設計，同時預先發現圖紙及結構間碰撞等問題。

5.1.1 深化設計

將幕墻的深化設計工作前置，此階段主要運用2種三維建模軟件：Rhinoceros和Revit。以往的實踐發現[1]，犀牛軟件在曲面幕墻建模上具有較大的優勢，如：強大的曲面建模功能，能夠方便地分割幕墻曲面，分割后的幕墻曲面誤差較小或者無誤差，可很好地標注曲面的展開邊，并且可以很好地與其他工程軟件相兼容；而Revit強于建筑設計推敲和機電優化，可建立建筑各專業的實體模型，很好地解決各專業間的碰撞問題，而且各種建筑信息均可導入，平面生成得也很精準，參數設定好后還可以導出粗略的節點圖；在后期階段，當設計已經定型時，利用Revit可以進行細節深化以及圖紙繪制，所有東西自動更新，非常方便，極大地提高了效率，也節省了時間成本。

因此，該工程深化設計時決定采用2種軟件分別建立三維模型，即先選定同一坐標原點，再運用Rhinoceros建立雙曲梁及外幕墻結構的三維立體模型（圖2），同時運用Revit軟件建立主體結構的三維模型（圖3）；待模型建立后，將Rhinoceros模型導入Revit中，及時發現施工過程中可能導致的碰撞問題，并聯系建設及設計方及時解決，為后期的實體放線做好前期的技術準備。

圖2 雙曲梁及外幕墻結構三維立體模型

圖3 主體結構的三維模型

5.1.2 提取三維坐標點

在實際建造過程中，針對不同曲率半徑加工不同的模板，費時費力，且無法實現模板的高周轉，因此考慮運用由多個短直線組成的多段線替代一段較長曲線的方法，在組成同等長度多段線的直線越多的情況下，由直線組成的多段線就越接近弧線，即“以弦代弧、以直代曲”[2]，此方法不僅解決了模板加工困難的問題，也方便了現場的施工，同時可滿足后期幕墻安裝的精度要求。

針對外裝飾幕墻的深化設計圖紙，在建立好的三維立體模型上，每小于等于2 m提取一個三維坐標點（圖4），并將選好的點通過Rhinoceros軟件導出，以用于現場放線。

5.1.3 放線定位

1）為保證放樣精度，在現場放線前將所用全站儀、水準儀、鋼尺等送至相關儀器檢測單位進行了全面的檢查和校正，使儀器的各項性能滿足放線的精度要求。

2）復核測繪院給定的原始坐標及標高，如原始坐標出現問題，及時與建設方溝通解決。

3）在現場選定4個坐標控制點，并將復核無誤的原始坐標及標高引至場內。

4）根據所提取的三維坐標點在施工現場平面進行定位工作，此階段主要應用于支撐體系搭設定位。

5）待支撐體系搭設完成后，支設環梁底模。

6）通過全站儀進行第2次測量定位，此階段主要應用于梁底模微調及梁側放線（圖5），定位過程如下：待梁底模板加固完成后，用全站儀在底部模板上進行平面坐標的精確定位并做相應的標記；對已經定位在模板上的坐標點，用水準儀進行復測，將不符合精度要求的坐標點進行標記，并調整相應模板的標高；在完成標高調整的梁底模板上用全站儀再次進行平面坐標的放樣調整，如此往復，直至坐標點的平面坐標及標高均滿足施工要求為止。

圖4 雙曲環梁提取的坐標點

圖5 雙曲環梁定位放線

7）待環梁鋼筋綁扎完成后，進行第3次測量定位，此階段主要應用于鋼結構預埋件安裝定位及環梁復核。

8）待梁側模加固完成后，進行第4次測量復核，此階段主要應用于復核驗收。

5.2 架體搭設

為實現支撐架體的快速搭設，縮短工期，保證施工的安全，本工程擬采用承插型盤扣式鋼管支架體系，可適應多種工程情況的需求，結構受力合理，連接安全可靠。

1）根據立桿及橫桿的設計組合，搭設900 mm×900 mm的承插型盤扣式支架，并使用經緯儀控制立桿的垂直度，嚴格控制水平及豎向剪刀撐搭設，以滿足剪刀撐的加設要求，對于高支模區域必須在下層施工時設置連接件，用于保證架體整體穩固性。

2）支撐架體搭設完成后，對其平面位置、頂部各點標高、U形托長度及整體受力性進行復核。

5.3 梁底支模

鋪設環梁底模時，模板邊緣大于結構尺寸20 cm左右，待第2次放線定位后，通過調整支撐架體的U形托，進行微調底模高度，待高度調整后再次調整坐標位置點，如此循環往復，直至三維坐標位置滿足精度要求為止。

5.4 鋼筋綁扎

根據環梁定位坐標將環梁結構內圓、外圓水平投影線放出，以內圓模板位置為起始點布設結構徑向第1層鋼筋，鋼筋長度按照該跨放線確定，梁柱節點需達到規范設計的錨固長度的要求，鋼筋連接采用直螺紋套筒連接技術，減少下料誤差。以外圓模板位置為起始點布設徑向第2層鋼筋。鋼筋下料長度同理。隨后布設環梁箍筋，箍筋間距以內圓徑向間距為設計要求控制。

5.5 鋼結構預埋及安裝

根據BIM模型導出預埋件位置的數據，運用全站儀進行幕墻鋼結構預埋件的定位，待環梁鋼筋綁扎完成后，利用塔吊將預埋件吊裝至準確位置進行安裝、復核及固定。

5.6 環梁側模支設

利用建立好的BIM模型及提取的三維坐標點將梁側模進行切割劃分，對不同段的模板分別進行編號，同時導出模板的加工數據，在后臺提前對模板進行精細化加工，對于拼縫處的模板，運用BIM技術進行模板的預拼裝，預先檢驗模板的拼裝效果，實現模板施工的“零返工”。

對已經編號的側模，在底模三維放線定位時做出標記，待底模加固后按照編號直接進行環梁側模的支設，既縮短了施工工期，又保證了模板的拼裝效果，減少了不必要的返工，實現了一定的社會與經濟效益。

5.7 混凝土澆筑

1）根據施工縫留置要求，在結構受剪力較小和便于施工的部位留置施工縫，合理安排環梁的施工順序。根據預先劃分的施工區域和現場實際情況安排大面上的整體施工順序；在同一澆筑區域內，為避免混凝土澆筑過程中因離析和坡度過大造成梁底蜂窩麻面等混凝土質量通病，優先選擇坡度變化較小的區域劃分為同一區段；對于坡度變化較大的區段，由最高處向兩側劃分施工區段，同時為減緩混凝土澆筑過程中的沖擊力，在環梁徑向設置垂直緩沖帶，緩沖帶由快易收口網、定位筋等構成，定位筋與縱向受力筋綁扎搭接，間距視結構坡度大小確定。

2）確定混凝土各項性能指標。根據設計圖紙及規范要求，環梁混凝土強度等級為C40，坍落度為（180±20）mm。

3）混凝土振搗。因環梁過高，環梁需分層澆筑，待第1層混凝土初凝前，進行二次澆筑成型，澆筑過程中合理安排施工順序，防止出現冷縫；且澆筑過程采用二次振搗的方式，振搗時按照相關規范要求，快插慢拔且必須插入下層混凝土中50 mm；對于鋼結構預埋件位置，因鋼筋密度過大，鋼筋間距過小，振搗時間應按照實際要求相應延長，以不產生混凝土離析為準，使上部懸浮骨料盡量下沉，保證埋件位置密實無空腔，必要時可先在梁底澆筑一層相同配合比的水泥砂漿；振搗過程中，振搗棒不得觸及鋼筋、模板、埋件等，以免發生移位，影響成型質量及后期幕墻結構的安裝。

5.8 混凝土收面

1）待環梁混凝土澆筑完畢后，安排專人及時用抹刀抹平，使梁表面無凸出的粗骨料。若梁表面有泌水，則應及時排除并重新抹平。

2）為防止環梁表面泌水現象，支設側模時在模板底部留孔用以排出氣泡和浮漿。

5.9 混凝土養護

環梁采用2種養護方式，其中環梁側面采用帶模養護方式，側面模板拆除時間需滿足相應規范規定的拆模強度要求，環梁表面面層采用覆蓋塑料薄膜養護的方法，當氣溫低于5 ℃時，加覆棉氈用以保溫。

5.10 架體監測

1）在環梁混凝土澆筑前測量一次，在混凝土澆筑后測量一次；同時在混凝土澆筑過程中每間隔一定的時間分別測量，實時關注支撐架體的變化情況；在混凝土終凝達到上人強度后復測一次，并與之前的測量數據對比。

2）對測量后的數據及時進行分析處理，查看混凝土澆筑前后架體高度方向的變化情況，根據收集的數據分析架體是否出現重大變形，發現數據異常變化時及時采取補救措施。

5.11 拆模

在混凝土澆筑過程中，按照試驗留樣要求隨機留置標養、同養及拆模試塊，待送檢的拆模試塊達到規定的強度后方可拆除相應部位的模板。

6 結語

通過建立BIM模型及相應空間放線定位措施，很好地實現了雙曲環梁的精確定位，同時由三維模型對模板進行分割和預拼裝，不僅保證了模板的精確加工，而且避免了不必要的返工，節約了工期；“以直代曲”思想的運用，不僅保證了施工的精度要求，而且一定程度上簡化了施工過程，取得了一定的經濟效益；坡向混凝土的合理分區、分段澆筑，保證環梁表面無裂縫產生，且架體監測措施到位，使環梁雖在高度方向存在小變形，但仍然滿足后期幕墻安裝的精度要求。

因此，該施工工藝無論是在技術上還是現場施工上均有一定的現實指導意義。