BIM技術在旋轉鋼樓梯設計施工中的運用

(蘇州金螳螂建筑裝飾股份有限公司，蘇州 215000)

1 工程概況

本案例屬于辦公樓精裝修項目，項目地址位于上海虹橋的商務區核心地段內。工程范圍包括1-8層，其中一樓大堂位置，通向二樓的旋轉樓梯是本案例的主體。該旋轉樓梯的原始結構為鋼結構，樓梯踏面裝飾材料為石材，其他面層裝飾材質都是GRG(預鑄式玻璃纖維增強石膏制品，Glassfiber Reinforced Gypsum)。樓梯的平面圖為正橢圓，橢圓長軸長7.3m，短軸長5.4m，樓梯寬度為1.6m，凈高達5.6m，旋轉樓梯的旋轉角度超過360°。

圖1 設計效果圖

2 利用BIM技術的目的

項目經理部根據項目的實際情況分析出項目的設計深化難點。具體表現在以下幾個方面：

2.1 結構計算難度大

樓梯為雙曲面旋轉樓梯，為正橢圓形，旋轉樓梯設計結構采用鋼結構，重量達13.83t，然而鋼樓梯的支撐點只有兩處，一處是在一層的地面，一處在二層欄河處的結構梁，加上面層的GRG和石材，整個旋轉樓梯的重量超過20t，如此一來，旋轉樓梯的結構計算顯得尤為重要。

2.2 鋼結構的拼裝難

旋轉樓梯的鋼架基層整體造型也是弧形的，尤其是鋼樓梯的梯梁呈雙曲造型，橢圓長軸端部曲率較大，鋼結構的安裝方案為鋼板拼接，而不是成品鋼管安裝，要求準確加工鋼板并完整拼裝。

2.3 面層材料精確下單難

旋轉樓梯的踏面為石材，由于旋轉樓梯的投影為正橢圓，踏步石材的下單不能像正圓的樓梯踏步一樣標準化，而是要根據樓梯踏步中線的長度來下單，這樣將導致四分之一部分的樓梯踏步石材板不能標準化下單，對于GRG的下單也是如此，GRG開模的爬坡角度和彎曲曲率都需要精確控制。

2.4 旋轉樓梯安裝和檢驗難

旋轉樓梯的雙曲造型導致了其空間安裝點位的控制成為又一難點，不僅針對基層鋼結構，更加重要的是面層的安裝定位工作。完成安裝后的精度檢驗也至關重要，基層的安裝精度關系到面層安裝的控制，面層的安裝精度則直接反應旋轉樓梯的施工效果。傳統的安裝效果都是觀感上的判斷，無法滿足該項目的需求。

2.5 施工工期緊張

該旋轉樓梯從基層鋼架下單到面層GRG完成安裝僅有一個月的時間，施工周期短。現場施工條件嚴重不足。在鋼結構的施工策劃階段，大堂墻面的干掛石材已經開始大面積鋪貼，二樓GRG欄桿也同步安裝，現場布滿雙排腳手架，需要合理安排交叉工作，優化施工工期，已達到工期要求。

3 BIM技術應用情況說明3.1 三維激光掃描技術快速采集基層信息

圖2 BIM技術應用流程

三維激光掃描技術主要是利用激光測距原理獲取目標信息，利用三維激光掃描儀對現場施工作業基層進行全方位快速掃描，獲取基層空間點云信息，立體顯示基層輪廓，還原現場施工條件。同時，利用SCENE、Geomagic Qualify、RapidForm等點云處理軟件對點云進行逆向處理，可以提取點云特征、測量距離(水平、垂向兩點間、任意方向)，獲取施工現場更加直觀的三維信息[1]。

圖3 現場掃描

3.2 鋼結構設計和三維建模

鋼結構設計主要完成鋼結構構配件尺寸的選定、材料的選擇，以及各構配件的應力、應變分析，驗算是否滿足配件的強度、剛度、撓度、穩定性等要求[2]。

圖4 結構計算

旋轉樓梯鋼結構的設計采用專業鋼結構設計軟件CATIA，將AutoCAD DXF數據準確讀取到CATIA中進行三維實體快速建模，為后期的施工點位安裝等提供模型。模型完成后可以利用CATIA鋼結構荷載計算功能對鋼結構設計進行荷載分析，為結構設計提供依據，以滿足現場施工的要求。面層GRG三維模型采用犀牛軟件建立，犀牛軟件的NURBS曲線建模能極大的反映旋轉樓梯的雙曲造型，建模速度快，尺寸精度高。

圖5 三維建模

3.3 碰撞檢驗

利用軟件Navisworks檢驗不同材料模型間的碰撞，結合節點收口方案調整模型碰撞點，優化設計方案模型。三維可視化手段增強了碰撞的表達效果，直觀形象地反映碰撞的實際情況。

圖6 模型間碰撞檢驗

同時，為了優化模型使之便于在復雜的施工環境中順利安裝，項目經理部首先整合了設計方案三維模型和現場三維掃描點云模型，借助全站儀賦予點云模型新的空間坐標，使得三維激光掃描儀掃描的點云模型和設計方案的三維模型的坐標得到統一，同時為實現后期數字化安裝避免誤差提供條件。項目經理部根據兩個模型的碰撞檢查結果，修改碰撞點，綜合施工材料下單方案一并優化，調整獲得最終的模型。

圖7 模型和現場碰撞檢驗

3.4 虛擬建造

為了保證安裝過程能順利進行，就你可能避免工序之間的沖突和施工安全問題，在確定施工方案和進行施工交底時，采用3D Max、Navisworks等三維軟件，制作旋轉樓梯施工計劃，進行施工進度模擬，以便更好地優化施工方案以及指導現場施工。該方法具有表達直觀性、可重復性、多維性等特點，可以實現多施工方案的模擬選優以及技術交底的虛擬演示，在施工之前杜絕安全隱患，優化施工方法，從而實現施工過程的預先控制[3]。另一方面模擬旋轉樓梯現場安裝情況進行虛擬建造，可以調整旋轉樓梯安裝位置和尺寸，確定滿足現場實際施工條件的樓梯材料尺寸及材料下單的最優方案。

3.5 數控加工技術

本案例利用BIM模型無縫對接數控加工設備，將深化設計的鋼結構BIM模型輸出CNC文件，導入生產信息管理系統形成初步的系統加工清單和數控數據。根據導入系統的初始加工數據，在數控設備系統內對零件圖進行切割余量、孔位尺寸、坡口位置等進行編輯和標注，形成加工工藝數據和文件，完成鋼構件零件的數控加工[4]。面層GRG的下單，直接導入犀牛模型，利用Rhino CAM制作刀路輸出NC碼，導入到數控雕刻機，完成GRG生產模具的雕刻[5]。

圖8 現場數控加工

3.6 三維定位和安裝

碰撞檢驗前的空間坐標的統一，為安裝定位提供了坐標基礎。通過BIM模型的三維可視化原理，精確獲得安裝點位的三維空間坐標數據，應用全站儀等數字化設備進行三維點位的定位。通過全站儀進行取點、放點，實現三維模型中的點位坐標與施工現場的位置的精確轉換，達到BIM模型尺寸與現場的高度一致，為后期的精細化施工安裝打好基礎。

圖9 三維點定位

空間點定位可以采用定位平面點位置，加標記點高程的方法，也可以一步到位定位三維點位，利用臨時措施標記點位置，供安裝使用。三維定點快速準確，無需輔助線和現場清理，為交叉施工創造條件。面對現場操作面狹小，容易破壞已經完工的墻面石材的問題，鋼結構安裝先在工廠進行預拼裝，再將拼好的鋼結構拆分成4段鋼樓梯運到現場安裝，節省了施工周期，確保安裝精度。

圖10 鋼樓梯半成品

3.7 數字化檢驗

針對常規造型的驗收檢驗，通常采用靠尺檢驗平面平整度，造型的精準度一般都是通過觀感驗收，本案例利用三維激光掃描儀分別對加工完成的鋼結構、安裝完成的鋼結構旋轉樓梯、雕刻好的GRG模具、生產好的GRG構件和安裝好的旋轉樓梯GRG面層進行掃描，將掃描點云分別與對應的三維模型進行匹配檢驗精度。從過程中對構件的加工生產以及安裝精度進行控制，保障最終施工質量。

有別于傳統對復雜圖形的觀感驗收，數字化檢驗為設計美感提供了精確的施工定位和量化的驗收手段，讓此類工程的施工把控更加精準、驗收更加客觀。

3.8 生成物料表單

三維設計的另一個優勢體現在工程算量上，通過模型導出核量數據的速度要比CAD更加快捷，犀牛軟件可以快速計算任意造型構件的長度、面積、體積等幾何信息，生成準確的物料表，為核量提供直接的依據。由于極低的返工率，下單完成后可以快速獲得準確的主材結算數據，這為工程后期的決算工作提供了很大的便利，縮短了工程工期。

3.9 優化施工工序

下單模型改變了項目的信息傳遞方式，由分散的信息流轉變為信息集成。施工各方的相關工作通過模型緊密結合在一起，大大提升了信息傳輸和協作的效率。在施工策劃結束后，模型一旦完成即可進行材料下單，整個下單過程與放線和基層施工同步甚至提前，這為主材質量及成本的把控提供了充足的時間。

圖11 鋼結構下單檢驗

圖12 數字化過程檢驗流程

4 結束語

通過BIM技術在旋轉鋼樓梯設計施工中的應用，項目經理部利用1個月的時間，順利完成了旋轉鋼樓梯的現場掃描、三維設計建模、碰撞檢查模型優化、虛擬建造、數控加工、三維點位安裝等一系列的任務，在工程質量、工程進度和工程精細化管控等方面取得了很好的成果，得到了業主的認可，也為同類工程的設計施工開辟了一種新方法，積累了豐富的工程經驗。

圖14 施工工序對比

圖15 完工效果圖和設計效果圖對比

[1] 姚佩林.3D激光掃描技術在土木工程中的應用[J].科技展望， 2017(23)： 159.

[2] 劉亞楠. 基于BIM技術的鋼結構深化設計研究[J].價值工程， 2017(27)： 129-130.

[3] 杜康.BIM技術在裝配式建筑虛擬施工中的應用研究[D].山東聊城：聊城大學， 2017.

[4] 壯真才.BIM技術在鋼結構施工管理中的應用[].建筑技術， 2016(9)： 81-82.

[5] 奚國棟. 基于三維軟件建模技術的精雕機加工優化[J].家具， 2013(3)： 40-44.