異形曲面單元體幕墻施工技術

洪巧良，劉 振，王芬奇，陳 井，崔 能

(云南建投第四建設有限公司，云南 昆明 650217)

1 工程概況

云報傳媒廣場建設項目總建筑面積 120 180m2，框架-剪力墻結構，外立面圍護為單元體幕墻結構，建筑1號樓東樓、西樓對稱向內收縮，形成聲波船體形狀，象征著信息的傳播。獨特的外觀設計成為昆明市區一地標性建筑。建筑地上23層，高度99.9m。工程單元體幕墻約3 500塊，其中標準層單元體3 100余塊，內凹面單元體322塊，由不同尺寸、不同規格的異形曲面單元體組成，單元體最大尺寸為3m×5.5m，最大質量為800kg。

本研究結合項目獨特的外形特點，針對幕墻內凹雙曲面施工難點進行分析，對內凹面幕墻施工技術進行研究。采用大樓BIM模型結合總圖布置模型對整個施工過程進行模擬，從而保證幕墻預埋件施工定位準確，提高幕墻構件的預埋準確度。選擇合適的吊裝方法，設計合適的吊裝設備、吊裝路線，最大限度滿足吊裝要求。

2 工藝原理

2.1 建立BIM模型，方案優化

采用Revit對幕墻進行建模，初期建立LOD300模型碰撞檢查、施工模擬等，施工階段創建LOD400模型用于施工構件加工、放樣及施工定位及指導。

2.2 單元體加工

BIM模型建立完成后，將三維模型中的玻璃幕墻構件劃分為若干單元，對構件進行編號，然后提取加工所需的信息，玻璃幕墻構件加工信息包含尺寸、角度、彎折值、材質、數量、質量等。將模型提取的加工數據導入數控機床進行加工。

2.3 單元體安裝

單元體幕墻按編號運輸至對應安裝位置，采用專用懸臂式起重機運至樓層并安裝。

3 異形曲面單元體幕墻施工

在傳統施工中，平面施工主要工序為：測量放線→轉接件安裝→鋁型材立柱安裝→鋁型材橫梁安裝→避雷連接→層間防火封堵→安裝玻璃→安裝橫(豎)向扣蓋→注膠及表面清洗。

在本研究中，外立面為異形曲面單元體玻璃幕墻采用BIM技術模擬施工，主要施工安裝流程為：單元體玻璃幕墻BIM模型建立→碰撞、檢測分析→測量放線、幕墻預埋件埋設→工程主體測量、模型深化→提料加工→轉接件安裝→單元體安裝。

3.1 模型建立

傳統CAD軟件建立異形建筑模型較為困難，本項目采用Revit對幕墻進行建模，項目初期建立LOD300模型碰撞檢查、施工模擬等，施工階段創建LOD400模型用于施工過程中各項應用(見圖1)。

圖1 幕墻模型

將內凹雙曲面玻璃幕墻二維圖紙導入Revit軟件，按建模規范建立玻璃幕墻模型，玻璃幕墻構件三維模型中包含玻璃構件的材質、規格、尺寸、標高、角度,如圖2所示。

圖2 玻璃幕墻構件模型

主樓每個樓層共有5～12種不同類型的板塊系統，利用Revit 軟件創建不同類型板塊的自適應點族文件，通過族文件內置參數的變化，在BIM 模型中可自動計算出板塊的尺寸變化，從而可自動調整板塊大小，隨著工程的進展，還可對不同族文件進行節點深化。這樣避免了由于現場情況帶來的模型誤差，以致造成后期幕墻加工、施工問題，從而保證幕墻造型符合建筑設計理念。

3.2 碰撞檢測、分析

施工過程中的軟碰撞(即間隙檢查)種類很多，通過BIM模型，可直觀分析出施工方法對空間的要求是否滿足。同時，碰撞報告中給出了間隙距離，通過對這些位置及數據的分析，可判定間隙是否在加工及安裝偏差允許的范圍內。本項目將單元體安裝偏差設定為3mm，檢測模型中<3mm的情況都可能產生碰撞。此外，軟碰撞還包括調節幕墻板塊時需要的操作空間等。在施工方案確定及施工前，應用BIM軟件進行碰撞分析，不斷發現問題并結合現場實際消除軟硬碰撞。

3.3 測量放樣

內凹雙曲面玻璃幕墻隨斜柱坐標在不同高度不斷變化，傳統的二維放樣方法費事費力，且難以保證測量精度，在模板架設過程中需反復測量才能保證空間位置準確。采用3D全站儀進行施工放樣，將幕墻BIM模型導入3D全站儀中，設置需放樣的點后自動放線，如圖3所示。

圖3 測量放樣

3.4 幕墻埋件施工

幕墻預埋件埋設前組織木工和電焊工進行技術交底，先封三面模板，后將埋件塞入，經位置調整后焊至柱筋上，若無可靠支撐點，可選擇廢料鋼筋作為過渡段，連接柱筋和錨筋。

預埋件焊至挑板鋼筋上，易在混凝土澆筑時由于振動集中而發生位移，為防止預埋件產生過大偏差，采用雙加固方案，將預埋件用鐵釘固定在模板上，再焊至板底筋上，拆模后，預埋件位置準確，幾乎無偏位。

3.5 實體模型建立、幕墻模型調整

3.5.1數據采集

樓層結構施工完成后，采用3D全站儀對預埋件進行測量，得到相應坐標。根據所得到的數據，建立實體玻璃幕墻模型。

3.5.2模型對比，深化細部節點

將實體模型與已建立的玻璃幕墻構件三維模型進行比對，得出玻璃幕墻構件實體的偏差值，若偏差值超出玻璃幕墻規范要求，則用Revit對玻璃幕墻構件信息進行調整，直至滿足玻璃幕墻規范要求。

對滿足規范要求的玻璃幕墻構件三維模型，在Revit中模擬雙曲面玻璃幕墻進行整體預拼裝，在預拼裝過程中觀察玻璃幕墻構件累積誤差，若累積誤差無法消除，則用Revit對出現誤差的玻璃幕墻構件信息進行調整，直至預拼裝的三維模型累積誤差消除，同時無軟硬碰撞。

3.6 單元體加工

BIM模型調整無誤后，將模型交由監理工程師審核，并進一步深化模型，主要是對模型中構件的信息及加工數據進行深化，增加幕墻開孔、端切等數據，完成LOD400模型的創建，進行幕墻加工。LOD400模型主要包含幕墻的加工數據信息。將玻璃幕墻構件三維模型中的玻璃幕墻構件劃分為若干單元，由Revit對玻璃幕墻構件進行編號，然后提取加工所需的信息。玻璃幕墻構件加工信息包含尺寸、角度、彎折值、材質、數量、質量等。將模型提取的加工數據導入數控機床進行加工。玻璃幕墻構件出廠配送到施工現場，按預拼裝的過程進行實體構件安裝，細部節點如圖4所示。

圖4 細部節點

3.7 單元體安裝

3.7.1構件運輸

構件從生產場地運輸到施工現場，存在出庫、運輸等不同環節人為因素的影響，要確保幕墻板塊的施工安裝質量，必須保證生產車間預拼裝的工序以及板塊位置。本工程在集成BIM模型數據、生產加工數據以及預拼裝數據的基礎上，將二維碼粘貼在相應的幕墻板塊上，現場施工人員通過掃描讀取二維碼數據，確保現場施工質量，也解決了生產車間到施工現場由于人為失誤導致的施工質量問題。

3.7.2單元體吊運

本項目單元體安裝面附近為2層裙房，裙房為1～2層，高5.4～10.9m，占地為大樓以外約15m，中間部分為網殼結構，整個內凹面單元體按常規吊裝方法，幾乎無吊裝工作面。圓弧部分單元體安裝與鋼結構施工在同一工作面上，玻璃幕墻安裝效率低，將影響鋼結構和室內裝飾的工期。內凹面單元體吊裝高度為13～103m。

經市場調查，無適合的懸臂式起重機適用于項目，只能根據項目實際情況自制樓層內可移動懸臂式起重機。自制可移動懸臂式起重機采用型鋼、滑輪、電動機、鋼絲繩、預制塊配重等材料現場加工而成，如圖5所示。

圖5 懸臂式起重機

大樓內凹面13層以下樓板逐層內收，13層以上逐層外挑，累計最大內收尺寸為6.006m，最大累計外挑尺寸為8.728m，懸臂式起重機不能大距離懸挑，在內凹面安裝工作面，懸臂式起重機不只進行一次安裝，單元體不能一次吊運到位，需進行兩次或多次吊運。BIM小組應用Navisworks軟件，模擬出以下內凹面單元體吊裝方案。

1)方案1 根據內凹面圓弧形狀，在4，3，19層及屋面層各安裝1臺懸臂式起重機，每棟樓共需設置4臺懸臂式起重機同時運行。從下往上安裝，每層留1塊單元體做吊裝工作面，4層以下用1臺懸臂式起重機直接吊裝；4～12層用2臺懸臂式起重機吊裝，先用4層懸臂式起重機吊至3層，再用13層懸臂式起重機吊裝；13～18層用3臺懸臂式起重機吊裝，先用4層懸臂式起重機吊至3層，再用13層懸臂式起重機吊至12層，再用19層懸臂式起重機吊裝；依此類推，19層及以上樓層用4臺懸臂式起重機吊裝，最后再封閉預留吊裝口。

2)方案2 單元體吊裝口不預留在內凹面，而是預留在大樓正面，方便單元體吊裝，在預留吊裝口處屋頂設置1臺懸臂式起重機，可從預留口處將單元體吊至各樓層。再用單元體推車將單元體水平運輸至安裝部位，使用安裝部位的懸臂式起重機吊裝，安裝4層以下時懸臂式起重機設置在4層；安裝4～12層時，將4層懸臂式起重機拆裝至13層；安裝13～18層時，將13層懸臂式起重機拆裝至19層；安裝19層至屋面時，將19層懸臂式起重機拆裝至屋面。內凹面幕墻施工段劃分如圖6所示。

圖6 內凹面幕墻施工段劃分

在大樓施工過程中，利用大樓Revit模型及總平面布置Fuzor模型對2種吊裝方案進行模擬，綜合考慮整個吊裝過程中可能出現的問題，若采用第2種方案，吊裝過程所經歷路徑在總圖模型中可明顯少于第1種吊裝方案，每棟只需2臺懸臂式起重機，每個樓層單元體安裝均只需吊運2次就能安裝完成，明顯節省安裝時間及操作工人，提高安裝效率。因此，項目采用方案2完成整個內凹面單元體吊裝。BIM技術模擬總平面如圖7所示。

圖7 BIM技術模擬總平面

4 使用效果

本工程通過幕墻模型與3D全站儀放線結合應用，提高了預埋件埋設位置的準確性。模型提取數據后進行幕墻構件加工，避免了人為導致的構件信息錯誤，保證了單元體組裝精度，減少了資源浪費。同時，通過自制懸臂式起重機進行單元體吊裝，利用BIM三維結構計算軟件對懸臂式起重機進行建模分析，提高計算效率，自制懸臂起重機巧妙采用螺栓連接、四角安裝滑輪的方式，方便設備移動、拆裝。

5 結語

圓弧異形單元體幕墻施工技術在云報傳媒廣場建設項目中的應用，使得內凹曲面單元體玻璃幕墻安裝效率有很大提升，比預計工期提前了9d，節約了人、材、機和現場管理費用。

應用BIM技術在異形幕墻施工前進行預拼裝，避免了在現場安裝時因誤差較大導致的返廠加工。玻璃幕墻通過模型直接提取數據，提高了生產效率，減少了資源浪費。同時，BIM模型施工放樣、單元體數字化加工、模擬安裝，對探索BIM技術在圓弧異形單元體幕墻施工中的應用做了大膽的嘗試和實踐，為云南地區圓弧異形單元體玻璃幕墻技術的發展和研究提供了參考。