建筑數字構建模擬技術在裝配式幕墻整體提升安裝中的應用*

佟克龍

(中鐵十四局集團建筑工程有限公司，山東 濟南 250100)

0 引言

傳統幕墻一般在現場加工，按照施工圖，遵循施工工藝安裝框材、面材、輔材，存在安裝精度低、安全系數低、整體效果差、施工周期長、措施費用高等缺點。新型裝配式幕墻是在加工場所生產組裝，在施工現場直接整體提升安裝在主體結構上，安裝精度高、安全系數高、整體效果好、施工周期短、措施費用低，具有安裝工序簡便、安裝工期較短、施工安全可靠、節省施工人力等優點，但加工組裝時需要一定空間場地，主要適用于超高、超大、大跨度及施工周期短的建筑幕墻場所。面對新型建筑幕墻特點，為滿足安全生產、快速施工、確保效果等功能需要，施工中，設計部與項目部針對此類幕墻施工特點，通過前期分析、制定方案、專家咨詢、團隊創新，開發BIM模型構建模擬施工技術、大板塊裝配式建筑幕墻生產組裝技術、裝配式建筑幕墻整體提升安裝系統施工技術，總結形成BIM構建模擬技術在裝配式幕墻整體提升安裝中的應用。

1 建筑數字構建模擬技術要點

1.1整體技術方案分析

通過整體技術方案分析，確定設計細化方向、設計深化方向及施工方案，利用BIM建模構建設計技術、BIM模擬施工技術和MATHCAD結構計算分析技術，在設計部內部形成模擬設計、模擬建造、整體組裝、整體吊裝綜合技術方案，即通過建模構建模擬設計與施工，形成設計、預生產、預裝配、預碰撞等技術可行性設計施工體系，真正實現設計技術支撐項目施工。

1.2 整體建設工程工期提升

BIM建模模擬設計與施工，代替傳統建筑幕墻樣本先行方案與傳統框架幕墻骨架安裝體系，在設計初期消除問題。整體提升安裝速度快，縮短建筑施工總工期率30%～50%，為加快樓層封閉、室內裝飾、安裝工程創造良好條件。

1.3 建筑幕墻施工

代替傳統滿堂腳手架架體支撐體系或吊籃施工工藝，減少支撐架體周轉料具投入。成功解決超高、超大、大跨度空間結構復雜條件下的建筑幕墻施工難題，以及勞動力匱乏、在緊急工程中無法按時完工的不足，且施工過程安全、安裝速度快，易保證施工質量，有效降低項目成本。

2 技術基本原理

采用BIM建模構建設計技術，代替傳統幕墻樣板施工。采用裝配式幕墻加工組裝工藝，將鋁單板裝配式幕墻框材、面材及轉接件等材料在加工場所內組裝完成，施工時將裝配式幕墻整體移動到位，再整體提升到安裝位置，調整誤差后通過連接螺栓固定裝配式幕墻與主體結構，代替傳統框架幕墻龍骨安裝體系，安全高效，減少措施費，成功解決超高、超大、大跨度空間結構復雜條件下的建筑幕墻施工難題，提高施工工效、保證安全、縮短工期。幕墻施工過程中，通過現場復核與模型比對，實現建筑實時精準控制。使設計與施工進度相對應，形成施工設施動態模擬管理。

3 整套技術系統操作流程

該技術系統操作流程如圖1所示。

圖1 系統操作流程

4 建筑數字構建模擬技術分析

4.1 裝配式幕墻BIM構建模擬設計技術

1)通過BIM軟件對建筑幕墻立面進行分格劃分，在滿足建筑設計理念的同時，使面板板塊符合規范要求，符合面板板塊受力計算及可加工性，同時空間立體反映建筑分格模數。

2)在BIM建模構建過程中，提前發現結構干涉、設計漏洞和設計缺陷，形成書面問題記錄，及時與建設單位、總承包單位、建筑設計單位、項目部保持聯系，以便及時解決問題，形成圖紙會審記錄，建模過程中為外幕墻工程施工提供技術保障。

3)BIM構建模擬模型可實現三維可視化溝通及技術交底，能直觀展示建筑形態和構造，有效縮短溝通時間，提高溝通效率。還可在移動端實時查看BIM模型，實時對比模型與實體，提高施工效率。如圖2所示，此施工設計技術方案可行。

圖2 裝配式幕墻BIM構建設計模型

4.2 裝配式幕墻MATHCAD建模結構分析技術

1)使用MATHCAD計算建模軟件構建整體單榀裝配式幕墻鋁板鋼桁架的結構受力模型。

2)使用結構計算有限元軟件對整體結構計算模型進行荷載施加及結構受力分析。

3)施加線荷載標準值和彎矩，并且輸出運行組合工況條件下的結構撓度模型圖。

4)輸出運行工況后，輸出此結構應力-強度比模型圖，根據計算結果導出支座反力，由計算模型圖可知模擬計算結果安全，故此裝配式幕墻結構體系安全，此方案在施工安全上可行。

4.3 主體結構測量放線及幕墻安裝件位置復核

1)測量放線(見圖3) 裝配式幕墻整體提升安裝工藝質量與主體結構質量具有很大關系，裝配式幕墻與主體結構緊密配合，裝配式幕墻建模設計時一定要考慮主體偏差，使其符合裝配式幕墻安裝檢驗標準。主體結構為鋼架混凝土結構與鋼結構體系，需及時檢驗裝配式幕墻安裝鋼結構位移偏差。利用測量儀器和工具測量建筑物平面位置與高程，并按施工圖放實樣、確定平面尺寸。復核土建提供標高與平面位置的正確性。以提供±0.000標高為基準，利用測量設備復核提供標高基準線的正確性。如發現提供標高不準確，應另作標記，并上報情況。標高基準復核時需注意樓體沉降導致標高不統一的情況，應制定相應方案確保樓體標高一致。

圖3 裝配式幕墻測量放線

2)裝配式幕墻安裝件位置復核 為減少現場施工焊接，裝配式幕墻安裝件在加工廠預先安裝于鋼結構件上，由于鋼結構施工存在一定誤差，因此裝配式幕墻整體吊裝前需進行復核與校準。以復核過的基準點、基準線為依據，做出幕墻施工所需的輔助測量線，如發現偏差超過允許范圍應及時上報，申請調整補救措施，以免影響裝配式幕墻整體吊裝進度。

4.4 BIM碰撞檢測及施工工藝流程模擬

1)根據現場測量放線及裝配式幕墻安裝件位置復核結果，利用BIM碰撞檢測功能檢測幕墻與主體結構間的干涉情況，校正BIM模型。利用BIM參數化設計下料導出板材、型材、鋼材等工程量，為材料招標、商務預算等提供依據，并將相應加工圖下發到配套廠家。

2)根據放線結果利用BIM建立三維模型，指導現場施工，預先演示施工工藝流程。傳統框架式幕墻一般在現場按框材、面材及附件順序進行，每道工序受上道工序制約。本工法根據測量結果，依據圖紙、BIM模型，可使各工序銜接緊密，類似平行施工工序，顯著提高工效。

3)每個構件按型號、尺寸及安裝部位進行編號，并將編號做成二維碼標簽粘貼于構件側面，按型材尺寸及安裝樓層部位分批進行包裝運輸。

4.5 幕墻整體提升安裝機的安裝

1)裝配式幕墻整體提升吊裝在主體鋼結構懸挑部位，結構探出屋面露臺外側5 650mm。由于施工現場無法搭設腳手架或采用汽車式起重機，現擬用鋼型材制作裝配式幕墻整體提升安裝機，放置在81.000m標高鋼結構梁預設行車軌道頂上，進行檐口位置裝配式幕墻試吊、縱向平移、橫向平移、豎直提升和緊固固定。

2)該提升安裝機構主體鋼結構梁頂敷設200mm×150mm×8mm×12mm鍍鋅H型鋼，作為裝配式幕墻整體提升安裝機的行車軌道，施工完成后可長期備用。

3)裝配式幕墻整體提升機中的行車主體擬采用150mm×150mm×10mm鍍鋅方鋼制作，整體尺寸為8 980mm×7 200m。行車上面設置2道間距4 200mm 的200mm×150mm×8mm×12mm鍍鋅H型鋼，作為裝配式幕墻提升轉換橫梁，并在上方設置6組縱向平移驅動電機，可沿南北縱向平行移動，轉換橫梁上設置6臺2t豎直提升電動葫蘆，以整體提升裝配式幕墻。行車下設4組橫向滾輪驅動電機，以驅動行車沿軌道方向移動，縱橫移動時均設置限位制動裝置。主體結構安裝橫向驅動電機如圖4所示。

圖4 主體結構安裝橫向驅動電機

4)安裝裝配式幕墻整體提升安裝機 根據整體提升機三維圖，在地面分段制作組裝。首先利用塔式起重機安裝H型鋼作為行車軌道，接著安裝行車軌道上的4組橫向滾輪驅動電機，再次利用塔式起重機安裝拼裝好的可移動行車，最后安裝轉換橫梁、6組縱向平移驅動電機和6臺2t豎直提升電動葫蘆。安裝平移行車與轉換橫梁如圖5所示。

4.6 幕墻桁架龍骨生產加工組裝

1) 鋼桁架構件制作 遵循BIM模擬→參數下料→切割加工→矯正型材→邊緣磨削→預拼安裝→構件組裝的加工順序，鋼桁架龍骨根據現場情況及圖紙要求，在加工場地完成型材下料、龍骨切削，下料時型材緊靠定位面，夾緊裝置夾正、夾緊型材，型材過長時需增加支撐，防止因重力產生變形，切割時注意保護鋼材裝飾面。

2)鋼桁架制作組裝 根據圖紙及BIM構建模擬模型，在擬安裝部位后端屋面拼裝裝配式幕墻鋼桁架。鋼型材運至現場后，采用塔式起重機運至屋面指定位置，分散放置在屋面。項目技術負責人按照設計人員構建的BIM模型和參數下料單向生產班組全員技術交底，生產加工班組根據技術要求在屋面加工裝配式幕墻單樘分格鋼龍骨，并且按照編號順序擺放。按照組裝工藝順序，生產組裝組在擬安裝位置女兒墻后端焊接拼裝鋼桁架龍骨單元，拼裝完成后的鋼桁架安裝在臨時腳手板上，并通過鋼絲繩吊裝連接固定轉換梁，整體龍骨組裝如圖6所示。

4.7 單榀幕墻鋁單板面板安裝及膠縫處理

按照BIM構建模擬模型、整體設計圖紙、板材，并進行編號，挑選已加工的裝飾面鋁單板，加工場所內按加工組裝工序依次安裝，直至所有鋁單板面板安裝完成后進行拼裝縫隙打膠作業，所有作業完成后進行裝配式幕墻吊裝前的檢查工作，合格后報監理工程師驗收。單榀幕墻安裝如圖7所示。

4.8 單榀幕墻整體試吊及平面移動

1)單榀幕墻長6.7m、高3.6m，每榀單重4 742.64kg， 擬采用裝配式幕墻整體提升安裝機起吊。單榀幕墻設4個受力吊點、2個安全輔助吊點，擬用6臺2t豎直提升電動葫蘆，確保同步提升作業。起吊設備提升能力為120kN，此方案滿足吊裝要求。

2)吊裝前預處理裝配式幕墻安裝范圍，按照前期設置吊裝裝飾輪廓線，清理安全操作區域，再次校核轉接件位置點，以控制安裝位置。

3)吊裝前將安裝好的整體裝配式幕墻移動至待安裝位置，準備吊裝專用鋼絲繩，吊裝鋼絲繩的一端采用專用防脫掛鉤及卡扣，與裝配式幕墻轉接橫梁相連。

4)按照裝配式幕墻吊裝順序，復核擬安裝裝配式幕墻軸線和進出位置。啟動裝配式幕墻，使用整體提升安裝機的6臺2t豎直提升電動葫蘆，進行第1次試吊。垂直起吊裝配式幕墻底部，距屋面女兒墻頂200mm，檢查各指標符合吊裝預案。

5)在安裝裝配式幕墻的樓層內，需由4名工人控制幕墻板塊吊裝姿態，防止起吊板塊碰撞室內物體。在需安裝幕墻的上層，由2名工人觀察板塊起吊高度、穩定性、輔助吊裝、對接及板塊固定，由1名工人電動操縱裝配式幕墻，使用整體提升安裝機，根據指令控制板塊吊裝高度，1名工人起安全輔助作用。整個過程由專人通過對講機統一指揮上下安裝人員操作，保持協調性、安全性。

6)啟動整體提升安裝機上的6組2t豎直提升電動葫蘆，使裝配式幕墻由內側平移到外側軌道，整體提升幕墻。

7)啟動整體提升安裝機上的4組橫向滾輪驅動電機，使幕墻在橫向滾輪驅動電機作用下東西橫向移動，移到女兒墻外側預設位置。

8)參照6)的操作流程，使幕墻由外側平移到內側軌道，然后提升到指定安裝位置，完成裝配式幕墻整體平移提升作業。整體試吊平移提升吊裝裝配式幕墻操作流程如圖8～10所示。

圖8 整體提升安裝機試吊一定高度

圖9 向內側縱向平移并豎直提升到指定位置

圖10 單榀裝配式幕墻安裝平面流程

4.9 幕墻安裝固定及間隔位置封修處理

1)裝配式幕墻整體提升安裝機上6臺2t豎直提升電動葫蘆整體提升到位，并與吊裝轉換梁可靠連接后拉緊。經過精確調整校正后，進行懸挑外鋼梁與裝配式幕墻鋼桁架連接件連接固定。

2)連接件安裝完成后，報項目部和監理檢查驗收，放松6個2t電動葫蘆，卸掉鋼橫梁和鋼桁架的連接螺栓，使整體提升安裝機沿軌道平移到下個待安裝區域。

3)整體吊裝裝配式幕墻符合要求后，在轉接件處緊固螺栓，完成板塊固定。剩余板塊按以上施工流程依次吊裝，最終在無吊籃情況下安裝裝配式幕墻。

4)采用整體提升安裝機依次完成間隔位置，安裝屋面位置的鋁單板，然后清潔板材間縫隙，打注硅酮耐候密封膠，最終完成整體裝配式幕墻施工，交付驗收使用，如圖11所示。

圖11 屋面位置鋁板封修及打膠完成

5)如有必要可導出漫游動畫，進行4D模擬施工與動畫演示。

4.10 裝配式幕墻安裝監測及施工合規驗收

1)施工過程中，選取典型位置監測結構內力及變形、吊繩拉力、橫梁撓度、行車變形量等。

2)采用計算機連續采集數據，及時掌握結構受力及變形情況，保證吊裝過程結構安全。

3)委托具有資質的單位進行監測，根據裝配式幕墻用計算書提供監測數據的預警值及報警值。

4)應確保施工完每道工序后進行項目自檢，合格后報項目進行單項驗收。經監理驗收合格后，方可進行下步工序，依次完成所有工序。

5)從裝配式幕墻建筑模擬技術在安裝流程中可以看出，各專業信息不斷加入BIM中，可實現各專業協同工作。

5 結語

建筑數字構建模擬技術在裝配式幕墻整體提升安裝中的應用，有效提高裝配式幕墻模擬設計技術、結構受力分析技術，加工組裝模式階段、現場提升安裝階段及整體外觀效果的質量控制水平，保證設計施工符合整體要求，杜絕返工調整等影響工程質量的隱患，攻克多個傳統做法難以避免的質量、安全控制難點，順利指導高空裝配式幕墻整體提升工作。

為適應國家戰略形勢，配合地區新舊動能轉換，促進構建技術升級，推動建筑行業快速發展，相關從業人員要積極推廣建筑BIM參數化技術，把BIM參數化技術更多應用于復雜工程中，實現模擬設計與智能生產無縫對接，提高幕墻設計、施工及各種材料構配件生產效率和整體質量，最終實現完美的建筑幕墻產品。