基于BIM技術的復雜造型GRG安裝

郭躍驊 浙江亞廈裝飾股份有限公司 技術專員 一級建造師 高級工程師

1 前 言

BIM-建筑信息模型(Building Information Modeling)是以建筑工程項目的各項相關信息數據作為模型的基礎，進行建筑模型的建立，通過數字信息仿真模擬建筑物所具有的真實信息。住房城鄉建設部在十二五基本實現建筑企業信息系統普及應用規劃的基礎上,提出的全面提高建筑業信息化水平，著力增強BIM、大數據、智能化、移動通訊、云計算、物聯網等信息技術集成應用能力的十三五規劃,對建筑信息化的發展提出了更深遠的要求，并使建筑信息化開始得到大規模推行。

隨著現代化建筑裝飾的不斷發展，裝飾造型也越來越豐富、新穎和多樣化，裝飾造型改變了原來簡單劃一的格局，建筑設計出現了較過去更為美觀、更為復雜多樣的形狀，裝飾材料在外觀、性能和加工工藝等方面進行了快速發展。市場上針對不同需要，呈現出各種相關產品，同時隨著材料的不斷更新，針對其施工工藝的要求也日趨提高。其中GRG能適應復雜造型的要求在室內裝飾應用非常的廣泛。GRG全名為玻璃纖維增強石膏合成材料，是一種近年來國內外建筑與裝飾領域出現的新型材料，具有壁薄、質輕、強度高、不燃性、裝飾效果好等特點，能滿足任意造型、大規格及富有質感效果的要求。

通過BIM技術對裝飾復雜造型GRG建模，并結合建筑裝飾裝修現場施工數字信息為基礎的逆向模型，整合裝飾設計方案與現場施工情況，做到復雜造型GRG安裝的準確表達。減少了設計與施工的矛盾，提高了現場異形GRG放樣精度和放樣速度，確保放樣質量，從而達到提升工程質量、節約材料、節省成本的目的。在測量方法上改變傳統的測量方式，改用3D掃描，具有高精度、高數據化的特點，完全滿足異形GRG板塊工廠化生產、施工裝配化的精度要求。并可以通過GRG完成面3D掃描的分析數據進行GRG安裝偏差分析，進行復雜造型GRG質量控制，改變了傳統GRG板塊的質量驗收方法，通過對異形GRG飾面進行實景逆向模型與設計模型進行對比確定驗收合格率，使全數性質量驗收避免了傳統質量驗收抽查的不穩定性和主觀驗收的不確定性，特別適用于大空間、多曲面的復雜造型GRG的質量驗收。所以具有技術先進、經濟合理、質量可靠、科學適用的特點，符合國家提出的“大力發展裝配式建筑，推動建筑業轉型升級”戰略要求。適用于建筑室內的復雜造型GRG安裝，特別適用于建筑裝飾結構復雜、大空間、大跨度、多曲面的復雜異形的GRG安裝施工。

2 應用工程

在國家海洋博物館中應用了BIM技術對復雜造型的GRG進行了全程的質量控制，國家海洋博物館位于天津濱海新區。該博物館建在1平方公里左右的海洋文化公園內，總建筑面積8萬平方米，國家海洋博物館總投資28億元。造型形式為“四魚入海”，形似“大魚”在陸海之間展開身姿，一躍入海。（如圖1）

國家海洋博物館內部的主體鋼桁架結構就像魚骨一樣強有力地支撐起了各個館內高大寬闊的“魚腹”空間。為了更生動形象地向觀眾展示“魚骨”效果，建筑設計師在精裝修中為鋼桁架巧妙的包裝了一款十分有型的裝飾材料——“GRG”。由于主體鋼桁架結構的特殊形制，場館的包桁架GRG也隨之生成了馬鞍形雙曲面形式，GRG的加工和現場拼裝工藝完全不同于普通幾何曲面，是一種變截面的異形GRG結構。 (如圖2)

圖2 國家海洋博物館魚骨GRG造型

3 施工工藝

3.1 施工工藝流程

圖3 施工工藝流程圖

3.2 施工工藝介紹

3.2.1 GRG造型BIM信息化模型

對于復雜造型的GRG，通過BIM軟件，根據二維施工圖，以建筑工程項目的各項相關信息數據作為模型的基礎用數字信息仿真模擬建筑物所具有的真實信息，形成BIM設計模型。如圖4所示為國家海洋博物館GRG魚骨造型BIM 設計模型；屋面桁架結構共計137榀，其中門式桁架112榀，中央大廳魚腹式桁架25榀，每一榀桁架的規格尺寸、結構形式、安裝角度等均不一樣，都是各異化的，施工難度極大。

3.2.2 3D掃描建立逆向模型

圖4 國家海洋博物館內部GRG魚骨架BIM設計模型

采用3D激光掃描技術進行信息采集，將土建結構進行掃描，采集現場點的云數據。采用3D掃描技術進行現場數據采集完成后，可根據裝飾工程的復雜程度進行不同的數據處理實現實景逆向。下圖為國家海洋博物館的桁架GRG魚骨造型，利用現場掃描的點云，擬合現場的魚骨鋼結構模型，作為后期魚骨GRG包柱參考底模。

圖5 國家海洋博物館桁架逆向模型

3.2.3 沖突分析及設計方案調整

(1)沖突分析

用實景逆向3D模型與BIM設計模型進行疊加后，發現數據化的實際現場情況與設計模型的沖突點，為進行設計方案的調整提供依據。如圖6所示為國家海洋博物館內部GRG造型魚骨造型，而魚骨GRG模型設計必須參考魚骨內部的桁架結構的鋼結構系統，所以對現場桁鋼架結構進行偏差分析，通過分析，形成了表1魚骨鋼桁架逆向精度報告（3號單體魚骨），發現現場桁鋼架施工偏差較設計偏差較大，多數在5-10公分，最大30公分，遠超過生產加工和安裝的允許誤差，所以鋼結構設計模型不可用，必須重構現場模型。

圖6 GRG造型魚骨內部鋼桁架

表1 魚骨內部鋼桁架逆向精度報告

偏差分布：

檢測結果：

(2)設計方案調整

發現沖突后，需要在結構實景逆向3D模型的基礎上進行設計方案的調整，重新修改設計造型,修改后不再與原結構實景逆向3D模型沖突，以滿足實際現場的要求。針對魚骨造型GRG內部的鋼桁架精度偏差大的問題，設計師對其GRG包桁架造型進行了微調，特別是對截面包桁架的距離和角度進行了調整，使GRG造型與實景模型不再沖突。 （如圖7）

圖7 GRG包桁架設計調整

3.2.4 BIM深化設計

對復雜造型GRG的設計方案調整確定后，為了滿足施工要求還需要對GRG安裝進行深化設計，可直接在BIM設計模型和實景逆向3D模型上進行深化設計，使原設計更加合理和美觀。

(1)針對鋼桁架包GRG的鋼架轉換層進行了優化，根據桁架變化采用抱箍和焊接形式進行轉換層與鋼桁架的連接，并采用二次鋼架的概念對轉換層進行設計深化。（如圖8）

圖8 二次鋼架轉換層設計優化

(2)針對鋼桁架包GRG長度過長，對每一榀包桁架GRG設置兩道施工縫，設計寬度為10mm。（如圖9）

圖9 GRG留設施工縫

3.3.5 GRG板塊加工

根據BIM模型，通過參數化的設計軟件，對需要批量生產的GRG板塊進行加工圖紙的出圖，并委外進行GRG板塊的加工。針對鋼桁架GRG魚骨造型進行板塊劃分，BIM團隊根據廠家要求，進行GRG板塊分塊，為方便模板制作，分塊盡量用標準塊，通過標準塊生產，節省大量模板，并且有效縮短材料供應周期。由于包桁架GRG截面呈馬蹄形，對截面上一般分3塊和4塊，每塊GRG板塊需要設置有四個掛點，確保其安裝牢固性要求。（如圖10）

圖10 GRG分塊示意圖

3.3.6 3D施工放樣

利用調整完成的BIM設計模型中提取的準確定位數據，輸入放樣設備進行精準放樣，使傳統放樣作業的誤差從2-10CM降低到5MM以內，大大提高放樣質量。國家海洋博物館鋼桁架包GRG控制點進行放樣過程中，我們通過BIM模型，設置和選取GRG安裝控制點，按照控制點用全站儀進行放樣。

3.2.7 鋼架/轉換層施工

由于復雜造型的GRG飾面的安裝要求，對GRG內部轉換鋼架或者內部安裝鋼架進行加工安裝，其安裝精度要求極高，可采用二次鋼架轉換層的方法進行精度控制。GRG內部鋼架采用二次鋼架形式，一次轉換層采用抱箍、焊接形式與桁架結構進行連接，二次鋼架根據放樣控制點進行精確安裝，控制轉換鋼架的偏差在5mm的以內。

3.2.8 GRG板塊安裝

為確保復雜造型的GRG安裝的牢固性和美觀性，采用以下技術進行施工：

(1)定點塢綁鎖緊技術

為保證GRG異形板塊之間安裝的牢固度和精度要求，不僅僅使用M8螺栓進行鎖緊，同時采用定點塢綁鎖緊技術。塢綁位置在GRG板板的接縫處，長度不小于200mm，寬度不小于100mm，厚度不小于20mm，抗拉強度達到500MPa以上，涂抹點至少兩處。

(2)GRG復合接縫連接技術

為保證復雜造型GRG的接縫平整性和順直度，采用復合接縫結構層，采用玻璃纖維與GRG高強度粘合劑交替填充于兩塊GRG板的縫隙處，提升接縫強度及穩定性，可承受GRG板伸縮及不均勻沉降帶來的變形，提升GRG飾面的裝飾效果。（如圖11）

圖11 復合接縫結構層示意圖和完成勾縫GRG面層

3.2.9 面層涂料

(1)待GRG安裝和縫隙填平后進行批膩子工序，批灰膩子三遍。（如圖12）

圖12 GRG批膩子工序完成照片

(2)涂料面層施工以噴涂方式為主。

3.2.1 0 BIM施工結算和質量驗收

(1)GRG工程統計結算，用實際加工BIM模型,對GRG工程量進行結算。GRG包柱竣工后，通過實際加工模型，利用CATIA軟件進行表皮算量，通過對每一單體（魚骨）GRG算量完成后，與廠家進行核對協調，從而解決項目部與GRG生產廠家關于工程料單的決算問題。（如圖13）

圖13 GRG工程量統計

(2)復雜造型GRG質量驗收

對于大空間大跨度的復雜造型GRG的驗收是很難實現人工的精確量化的質量驗收的。我們通過BIM技術，將GRG裝飾面層的二次實景逆向3D信息模型與3D設計模型進行重疊比對，通過軟件就可以進行比對，按照建設單位要求對精度進行調控，按照色標進行精度分類，從而發現偏差點，可以通過軟件設置控制偏差點的精度要求，對超過規范要求的偏差點進行微調，保證二次實景逆向3D信息模型與3D設計模型相符。

國家海洋博物館鋼桁架包GRG魚骨造型完成面（如圖14）的逆向的模型作為參照，點云作為測量對象，與BIM設計模型進行對比分析偏差。（如圖15）

圖14 GRG魚骨造型完成照片

偏差情況 偏差百分比（%）10mm以上 5.5 5mm～10mm 16.4

圖15 GRG魚骨造型對比偏差圖

經過對比對其偏差進行統計，統計表如下：

表2 GRG造型偏差統計表

4 效益分析

全國各地相繼興建了許多規模宏大的公共建筑，在這些大空間公共建筑中都有復雜造型的設計，為了保證造型實現，設計師往往會選擇采用GRG，利用BIM技術對該類工程復雜造型GRG安裝中進行應用，具有較大的借鑒意義和指導作用，有很高的應用推廣價值。推動了GRG板塊工廠化生產、裝配化施工，減少施工噪音，并由于GRG板塊的定制化，實現了現場材料的零損耗，達到了綠色環保施工。建立GRG的BIM模型完全貼合實際現場情況，對施工成本控制以及后期的施工結算、決算、維修提供依據。現場應用了BIM技術，加之定制化的材料供貨模式，實現了施工材料的零損耗，并利用BIM技術對GRG安裝節點進行便捷的安裝形式設計，使得現場安裝更加簡易，可以大量節約人工，極大的減少了人工成本，具有很高的經濟效益。