基于BIM技術的大扭轉雙向曲面玻璃幕墻設計與施工

李 宇 嘉特納幕墻(上海)有限公司程師

大扭轉雙向曲面玻璃幕墻不同于普通幕墻，為了營造出其特有的藝術效果，在設計過程中必須在確保幕墻結構穩定性的同時實現多角度旋轉[1]。大扭轉雙向曲面玻璃幕墻在本質上屬于不規則結構，設計難度更大。在我國，以往針對大扭轉雙向曲面玻璃幕墻的設計，主要將注意力集中在幕墻截面尺寸上，,但在曲線曲率方面未進行深入研究，導致設計的幕墻無法體現出多角度旋轉的美感[2]。而建筑信息模型能完整地表達出大扭轉雙向曲面玻璃幕墻的曲面層疊組合。因此，本文將BIM 技術應用在大扭轉雙向曲面玻璃幕墻設計中，實現大扭轉雙向曲面玻璃幕墻設計與施工。

1 BIM技術

BIM 技術，主要用于表達建筑施工中難以直觀表示的三位立體圖像與導向類建筑物[3]。通過BIM 技術進行大扭轉雙向曲面玻璃幕墻的設計與施工是本文研究的重點內容。

2 基于BIM技術的大扭轉雙向曲面玻璃幕墻設計

2.1 劃分扭轉雙向曲面玻璃幕墻表皮分格

在大扭轉雙向曲面玻璃幕墻設計過程中，必須預先基于BIM 技術劃分扭轉雙向曲面玻璃幕墻表皮分格。本文基于BIM 技術中Rhino 參數化設計，首先在BIM 模型中設置2 根基準線，作為大扭轉雙向曲面玻璃幕墻設計的輪廓控制線。然后基于BIM技術的GH 參數化劃分扭轉雙向曲面玻璃幕墻表皮分格，針對表皮分格的劃分數量可依據大扭轉雙向曲面玻璃幕墻設計板塊的模數。最后通過多次調整劃分扭轉雙向曲面玻璃幕墻表皮分格，為大扭轉雙向曲面玻璃幕墻設計奠定基礎。

2.2 基于BIM技術分析大扭轉雙向曲面玻璃幕墻曲率

分析大扭轉雙向曲面玻璃幕墻曲率，進而體現出大扭轉雙向曲面玻璃幕墻多角度旋轉的美感。首先，確定大扭轉雙向曲面玻璃幕墻設計中自由面的個數；然后，針對每個自由面的曲率進行歷史擬合，必須保證大扭轉雙向曲面玻璃幕墻每個自由面的曲率都能達到平滑標準；最后，基于BIM 技術確定大扭轉雙向曲面玻璃幕墻龍骨的自由扭曲曲線。本文依據美學要求，將大扭轉雙向曲面玻璃幕墻龍骨的自由扭曲曲線的曲率最小值視為最優曲率。曲率越小，表明大扭轉雙向曲面玻璃幕墻的多角度旋轉平滑度更高，能在空間中帶來的美感也就越多，符合美學要求。

2.3 確定大扭轉雙向曲面玻璃幕墻結構

在基于BIM 技術得出大扭轉雙向曲面玻璃幕墻曲率的基礎上，就能確定大扭轉雙向曲面玻璃幕墻結構。考慮到大扭轉雙向曲面玻璃幕墻屬于復式結構，其結構具備一定的復雜性，因此，本文利用BIM 技術對扭轉雙向曲面玻璃幕墻進行3D 建模，輸入相關大扭轉雙向曲面玻璃幕墻結構參數，得到初始化的大扭轉雙向曲面玻璃幕墻。

2.4 完成大扭轉雙向曲面玻璃幕墻設計

確定扭轉雙向曲面玻璃幕墻的結構后，需要采用BIM 技術對其曲面造型進行初始化，本文采用BIM 技術對大扭轉雙向曲面玻璃幕墻節點進行空間定位。由于大扭轉雙向曲面玻璃幕墻屬于曲面層疊組合，傳統的二維定位模式無法適用于大扭轉雙向曲面玻璃幕墻設計，需要通過BIM 技術可視化模擬大扭轉雙向曲面玻璃幕墻節點，在保證大扭轉雙向曲面玻璃幕墻美觀性的同時，不能影響其力學穩定性能。在通過該安裝模擬的基礎上，可以得出大扭轉雙向曲面玻璃幕墻調整后結構，至此完成基于BIM 技術的大扭轉雙向曲面玻璃幕墻設計。

3 基于BIM技術的大扭轉雙向曲面玻璃幕墻施工

完成基于BIM 技術的大扭轉雙向曲面玻璃幕墻設計后，必須明確大扭轉雙向曲面玻璃幕墻施工流程。

3.1 放樣吊線

在大扭轉雙向曲面玻璃幕墻施工過程中，完成現場測量后，需要進行放樣吊線。在鋼結構吊運時，必須根據塔吊位置，將結構平面上鋼構件合理分配，以由遠到近的吊運原則進行鋼結構吊運。遵循相關施工原則，先放水平線，鋼結構外框架后跟進，兩者保持一定的節拍組織。外框鋼柱根據截面和塔吊性能以1 ～3 層一節進行劃分，內框鋼柱與外框鋼柱分段相同，在保證吊線完全垂直的情況下放線。在放樣吊線施工過程中，一定要注意做好相應的記錄工作，為后續施工提供基礎數據。

3.2 安裝鋼結構

完成上部操作后，安裝鋼結構。在鋼結構吊裝施工過程中，由于每個施工步驟荷載的不斷增加，必然會出現鋼柱與地面接觸處垂直偏差的現象，對連接部分結構帶來較為不利的影響，降低鋼結構吊裝施工的穩定性。本文通過計算鋼柱垂直度的方式，為校正鋼柱的垂直度提供基礎數據。首先，應確定鋼結構吊裝施工中的基礎垂直偏差范圍，依照其垂直偏差規律，計算鋼柱垂直度。設鋼柱垂直度為S，則有公式（1）：

式（1）中，i指的是鋼柱與地面接觸處垂直偏差取值范圍，通常以1 個單位為標準；n指的是鋼柱垂直偏差中的分層數量；h指的是鋼結構吊裝施工中鋼柱的豎向剛度；e指的是鋼結構吊裝施工中鋼柱的軸向剛度。結合上述計算公式，可得出鋼柱垂直度。以垂直90°為標準，對出現鋼柱與地面接觸處垂直偏差的鋼柱進行校正，保證鋼柱與地面呈現90°垂直，進而確保鋼柱在大扭轉雙向曲面玻璃幕墻施工中能起到對大扭轉雙向曲面玻璃幕墻穩定支撐的作用。在保證鋼柱與地面呈現90°垂直的前提下，完成鋼結構安裝。

3.3 安裝大扭轉雙向曲面玻璃幕墻龍骨

大扭轉雙向曲面玻璃幕墻施工中的核心部分是大扭轉雙向曲面玻璃幕墻龍骨安裝，本文基于BIM 技術對大扭轉雙向曲面玻璃幕墻龍骨安裝前進行碰撞檢查，保證無任何可能沖突的情況下安裝大扭轉雙向曲面玻璃幕墻龍骨。利用基礎板鋼筋（2根，直徑不小于25mm）焊接成接地網；采用φ12 鋼筋分別與上下兩層的梁主筋進行跨接，跨接長度為其直徑的6 倍以上（100mm）。鉆孔終孔后下入直縫焊管，工作管與外壁之間用水泥漿進行固井；終孔后提供準確的孔底坐標，位移偏差不大于2.5m；套管接口處進行焊接，加焊加強筋，保證大扭轉雙向曲面玻璃幕墻龍骨密封性；工作管及護壁管的選擇及安裝必須滿足質量要求。焊接幕墻龍骨鋼梁和鋼柱位置栓釘焊接規范參考值，如表1 所示。

第一步，使用校準設備對待拼接的幕墻龍骨鋼梁和鋼柱實施校準處理，做起頂支墩，采用萬能桿件沿墻軸線拼裝。用130t汽車吊機拼裝節間大扭轉雙向曲面玻璃幕墻龍骨鋼梁，一經發現不滿足檢測要求的施工區域，應快速做出反應，避免對后期施工造成連續影響。

第二步，按拼裝吊機走行的要求，使用2 輛或4 輛運輸梁板平車以均勻速度移動大扭轉雙向曲面玻璃幕墻龍骨鋼梁（將移動速度調整在7.5 ～9.5m/s），當前段運輸車到達起重機端時，使用前吊車的鋼絲繩環調前梁端，等待大扭轉雙向曲面玻璃幕墻龍骨鋼梁和鋼柱吊裝施工穩定，此時后平車以4.55 ～4.65m/s 的速度勻速向前運行，當其達到起重機后端時，使用相同方法吊起鋼梁后端，反復循環上述操作，進行精準對位，直至連接大扭轉雙向曲面玻璃幕墻龍骨鋼梁和鋼柱施工架設完成。

第三步，待大扭轉雙向曲面玻璃幕墻龍骨鋼梁和鋼柱整體架設完成后，鋼梁實際的允許承載力需要調查核實，要求滿足130 t 重型汽車及吊機通過的需要。確保大扭轉雙向曲面玻璃幕墻龍骨鋼梁連接部分可有效銜接，并設定7d 與14d 養護時間，保證整體大扭轉雙向曲面玻璃幕墻龍骨施工工程的穩定性，完成大扭轉雙向曲面玻璃幕墻龍骨安裝。

3.4 外墻打膠

由于大扭轉雙向曲面玻璃幕墻還有很多曲面結構，因此，在外墻打膠的施工過程中，采用單支式大扭轉雙向曲面玻璃幕墻填縫密封，選用硅酮結構密封膠進行外墻打膠，保證大扭轉雙向曲面玻璃幕墻粘結質量，并通過后續相應的清洗工作。竣工驗收后，完成大扭轉雙向曲面玻璃幕墻施工。

4 結語

通過基于BIM 技術的大扭轉雙向曲面玻璃幕墻設計與施工研究，能取得一定的研究成果，解決傳統大扭轉雙向曲面玻璃幕墻設計與施工中存在的問題。由此可見，本文設計的大扭轉雙向曲面玻璃幕墻是具有現實意義的。在后期的發展中，應加大本文設計大扭轉雙向曲面玻璃幕墻在現實中的應用力度。在日后的研究中還需要進一步對大扭轉雙向曲面玻璃幕墻的優化設計展開深入研究，為提高大扭轉雙向曲面玻璃幕墻的綜合性能提供參考。

表1 焊接幕墻龍骨鋼梁和鋼柱位置栓釘焊接規范參考值