基于BIM技術的滑動式開閉合采光屋頂施工

李倩倩，欒 光，吳 迪，焦金松，蔣東艷

(中建六局建設發展有限公司 天津300451)

0 引 言

近幾年，BIM 技術在建筑業中應用越來越多，很多的施工難題通過BIM技術得以解決。BIM技術輔助滑動式開閉合采光屋頂施工是某風洞試驗項目BIM 技術落地的真實應用案例。由于滑動天窗的行走裝置采用了多種機械傳動與控制技術，對于施工人員對建筑、結構、機械、自動化控制等領域的知識掌握也提出了更高的要求。在此背景下，采用 BIM 技術對此立項進行技術攻關，經過工程實踐，成功解決了以上施工技術難題。

1 工程簡介

工程項目位于天津東麗區，建筑面積 38418m2，為國內在建的最大實車風洞試驗室，內部設有氣動聲學風洞(AAWT)和環境風洞(CWT)，開合天窗施工復雜，屋頂遮蓋洞口面積為624.25m2，在狹窄的空間內集合了多種設備，涉及鋼結構施工、玻璃施工、開閉頂設備安裝等多道工序，安裝完畢后，可根據使用功能要求實現全部閉合或開啟。屋頂結構采用主鋼梁+玻璃龍骨的結構形式(圖1)，采用兩根軌道及專用行走臺車系統和量測同步驅動的原理，由驅動裝置輸送動力給齒條，實現屋頂的開啟和關閉(圖2)。

圖1 開合屋蓋安裝總示意圖Fig.1 General installation diagram of movable roof

圖2 開合屋蓋完成效果Fig.2 Finished rendering of movable roof

2 BIM在深化設計階段的應用

2.1 預埋件深化設計

在主體結構施工前，使用Autodesk Revit軟件對天窗系統預埋件進行建模(圖3)，依據預埋件設計圖紙建立對應 1∶1尺寸預埋件三維模型，確定天窗系統預埋件的位置，在主體項目模型中對預埋件局部區域進行模擬預埋，提前將預埋過程中可能出現的定位、碰撞、偏移等情況進行分析處理，導出深化后的CAD圖紙，減少環境對預埋過程產生的影響，確保預埋件尺寸標準、定位精準。

圖3 預埋件族Fig.3 Family of embedded parts

2.2 鋼龍骨二次深化設計

鋼結構主梁長度分別為 22.7、27.9m，不便于運輸及安裝，運用BIM技術對鋼結構進行受力分析，確保結構受力穩定的同時，選擇最簡便的方式安裝。通過計算決定取消復雜的胎架支撐，選擇使用自主設計的臨時支撐進行安裝，完成主梁800mm×400mm的拼接，為了防止主梁在焊接完成前產生不必要的變形，需及時加裝臨時支撐，臨時支撐方式如圖4所示，每根主梁安裝2個臨時支撐(方管)。

圖4 主梁臨時支撐示意圖Fig.4 Schematic diagram of temporary support for main beam

在鋼龍骨加工制作前，對已建主體結構的預埋件位置進行復測，復核完成后，通過BIM技術合理排布龍骨、圍板與驅動設備，包括主梁的組裝方式、焊接位置、與玻璃組合的分割排版，不僅消除構件之間的碰撞，同時對現場區域進行合理劃分，并確定龍骨的尺寸、編號、定位標高等信息。設計完成后導出鋼構件加工尺寸圖紙，發送給專業加工廠，根據鋼構件的尺寸進行加工，省去現場加工的施工工序，對現場環境起到了保護作用。

加工完成后，進行二維碼(圖5)編號粘貼工作，將各構件的專屬二維碼粘貼到構件表面醒目的位置上，便于施工人員查找掃碼。運輸到施工現場后，現場施工人員可掃描構件的二維碼信息來提取鋼構件的尺寸大小、安裝位置、固定方式、可視化交底等信息，達到精準安裝的目的，如表1所示。

在保證所有鋼構件安裝精度的同時生成工程量明細表，供材料部門作為進貨參考，工程量與商務結算量僅差 1%。工程量明細表及尺寸信息如圖6所示。

2.3 玻璃二次深化設計

利用 BIM 技術在玻璃安裝前進行分割排版，將原施工方案不同尺寸的玻璃優化為統一尺寸的玻璃，如圖7所示。組織施工單位、設計院、建設方、分包方共同商議排版的合理性，將 Revit模型展示給各方直觀瀏覽，對玻璃分割進行調整優化排版，多方協商共同給出調整意見，依據調整意見形成排版圖，并導出深化后的排版圖。排版圖需經設計方確認及建設單位同意后，發送給專業加工廠，根據每塊玻璃的尺寸進行加工。利用 BIM 技術進行玻璃分割排版不僅提高了排版效果，同時降低了施工難度和工程造價。

表1 鋼構件信息表Tab.1 Steel member information

圖5 二維碼信息Fig.5 QR code information

圖6 工程量明細表及尺寸信息Fig.6 Engineering quantity list and dimension information

玻璃加工完成后運輸到施工現場，施工人員按照安裝的順序合理安排堆放場地，在做好邊角保護措施的同時注意適當傾斜，以防止玻璃傾覆。

對排版后的玻璃進行初安裝，安裝時每組 5～6人，安裝步驟如下：確認玻璃信息；倒運玻璃；調整方向；將玻璃運至安裝位；清洗玻璃；將玻璃安裝至指定位置；膠縫施工；玻璃初裝完成后即進行板塊的調整，使其平整度、垂直度、誤差在允許的范圍內。室外調整完后還要進行室內的檢查，使各處尺寸達到設計要求。在玻璃調整完成后，將橡膠墊塊塞于框兩側，然后固定玻璃，保證玻璃不出現松動現象(圖8)。

打膠前充分清潔間隙，不應有油漬、水、灰塵等，同時在縫兩側貼保護紙，在粘結面干燥的情況下進行打膠，然后將膠縫表面抹平，去掉多余的膠并將保護紙撕掉(圖8)。

圖7 玻璃排版圖Fig.7 Layout diagram of glass

圖8 玻璃安裝剖面圖Fig.8 Profile of glass installation

3 設備模型及構件族庫的建立

項目根據開閉屋頂模擬建造的實際需求，建立了多套高精度模型，采用Autodesk Revit結合平面施工圖紙進行三維建模，采用 SolidWorks軟件對驅動設備進行精細化建模，并生成預制加工圖紙及構件明細表(表2)。

在此次項目工作中不斷創建和收集各類 BIM族，整理形成了一整套天窗系統 BIM 技術應用相關綜合資源庫。資源庫包含設備類型多、模型精度高，項目 BIM 成員不間斷地完善和更新資源庫中的模型，并將資源庫報送給公司，公司審核后將BIM族庫面向全項目進行分享推廣(圖9)。

表2 驅動底座信息表Tab.2 Information table drive base

圖9 開閉屋頂構件庫Fig.9 Movable roof component library

4 設備安裝的可視化模擬

在施工中應遵循先安裝軌道后鋼結構，玻璃與設備同時安裝，最后鋁板安裝并調試的施工原則，充分使用 BIM 三維可視化技術輔助整體工程有序施工，要做好各工序之間的銜接及穿插工作。采用可視化模擬技術用以指導施工，不僅提高管理人員對施工過程的控制能力，同時實現了建筑項目的精細化建造，尤其對各設備間配合聯動的工程難點提供了有效的技術支持。

根據施工圖紙對各個設備進行建模，對開閉合屋頂進行整體施工動態模擬，對設備體系進行合理劃分，對本工程的施工方案進行真實模擬，對關鍵施工技術及難以理解的施工過程，利用 Autodesk 3dmax和 Navisworks軟件進行三維模擬施工，從中找出工藝及質量控制要點中的不足，及時對其進行修改。編制基于 BIM 技術的施工專項方案，對施工人員進行可視化方案交底，確定各設備的安裝順序及對施工重點、難點進行詳細說明，確保設計與施工位置一致，提高施工進度和質量(圖10—圖12)。

圖10 驅動設備構造示意圖Fig.10 Schematic diagram of drive equipment

圖11 齒條梁示意圖Fig.11 Schematic diagram of rack beam

圖12 車檔安裝位置圖Fig.12 Gear installation location diagram

5 三維掃描預拼裝

針對本項目開閉屋頂系統包含軌道安裝，被動輪箱安裝，驅動設備安裝，車擋撞塊安裝，齒條梁安裝，電氣系統安裝，機械、電氣系統聯合調試等多道工序，且設備構造復雜，各構件精密配合度要求高，施工難度大，決定采用三維掃描技術指導施工。第一步先對施工場地和拼裝設備進行三維掃描，并將生成點云數據導入到電腦里，進行預拼裝。預拼裝完成后與之前在 Autodesk Revit創建的全三維仿真模型進行比對，核對現場設備的安裝誤差，及時采取相應的糾正措施，使各設備在安裝時 X、Y、Z單個方向上的誤差在±2mm 以內。安裝完成后，對設備裝置的位置進行復測，設備的精平和幾何精度經檢驗合格。聯合調試運行過程中，各轉動和移動部分運行靈活，均無卡滯現象，順利完成了設備節點的安裝。

6 綜合效益

6.1 經濟效益

滑動式采光天窗相比傳統的采光屋頂，鋼結構和玻璃可提前在工廠加工，在結構達到強度后即可運至現場安裝。采用 BIM 技術排版及精準下料，減少返工，不需要在施工現場加工，減少揚塵，降低成本約61150元。

6.2 社會效益

滑動式采光天窗作為一種較為新穎的建筑形式，也是本公司首例實施項目，它打破了傳統室內空間與室外空間的界限，可以根據天氣情況與使用功能在室內環境與室外環境之間進行轉換，很好地滿足了全天候的使用要求，而且由于采光性能非常好，對于建筑節能減排方面產生良好的社會效益。同時采用的鋼化中空夾膠玻璃，可以隔離超過 30dB的噪聲，營造良好的辦公環境。另外運用 BIM 技術助推技術發展，提升精細化管理水平，為公司企業的科技發展奠定了基礎，切實提高了施工企業技術水平和科技形象。

7 結 語

通過某風洞實驗室項目施工，總結了整套開閉屋頂的 BIM 技術，得到結論如下：①將 BIM 排版技術運用到鋼構件及玻璃的分割排版上，模型的排版圖在經設計和技術負責人審核通過后導出，以三維可視化的 REVIT模型為載體，在明細表中提取鋼構件及玻璃的規格等信息生成料單，不僅減少了工程量計算的時間，同時節約了施工材料。②針對該項目工程設備系統，本文采用了一種參數化建模的方法，不僅提高了各設備的安裝精度，同時提高了工作效率。③三維掃描技術的應用將施工現場設備轉換為計算機可處理的數字點云模型，將Autodesk Revit模型與點云模型進行三維比對，并生成檢測報告，用以調整設備模型安裝出現的偏差，能夠精準還原施工現場的實際尺寸，嚴格控制現場的完成面位置與模型中的位置一致，保障了工程質量和安裝精度要求。