基于BIM 技術的雙曲面鋁板金屬幕墻模塊化施工工藝

陳 浩 楊 蒙 王 躍 畢研超 丁玉濤 呂家玉 楊佳昊

中建八局第二建設有限公司 山東 濟南 250014

1 工程概況

安徽省阜陽市科技文化中心外幕墻為穿孔鋁單板幕墻，整個建筑由5條曲率不同的腰線進行分割，水平方向有內弧和外弧。

鋁板板塊為不規則的平行四邊形，各板塊尺寸均不一致，其支撐體系的基層鋼骨架尺寸和角度也各不相同。豎向鋼龍骨317根，平均長49.63 m；橫向鋼龍骨113根，平均長507.00 m。鋼骨架需采用連接件準確定位于環形鋼梁上，保證面層穿孔鋁板位置準確。本工程幕墻結構為外懸挑的雙曲面造型，施工難度相當高（圖1）。

2 工程主要特難點

圖1 阜陽市科技文化中心效果圖

1）本工程為外傾斜、懸挑、弧面結構，外圈基層全部為鋼龍骨基層，豎向鋼管尺寸為150 mm×80 mm，橫向鋼管尺寸為80 mm×80 mm。高空作業焊接量大，空中焊接誤差以及焊接質量控制困難，施工過程中容易造成返工延誤工期，同時對環境存在污染。

2）每一塊板塊的造型均不相同且存在曲率變化，基層鋼骨架加工無法進行批量生產，同時，穿孔鋁單板幕墻的最高高度為32.41 m，高空施工安全性要求較高。材料運輸及施工也存在諸多不便，工人需要站在腳手架上徒手對材料進行定位，無法使用機械設備輔助施工，因而增加了施工難度。

3）工程采用滿堂腳手架施工，前期需搭設基層龍骨腳手架，進行基層龍骨施工（約113 768.83 m3）。待基層龍骨施工完畢后，需要拆除內側腳手架并對架體進行調整，其中，拆除架體約40 000 m3，重新搭設架體約8 000 m3，剩余架體約80 690.59 m3，待面層鋁板施工完畢后再進行拆除。腳手架施工周期較長，從經濟成本考慮，發生的費用較高。

4）工程的外觀造型復雜新穎，內部空間結構多變，異形結構想象困難，傳統測量放線技術無法滿足施工要求。腳手架的施工及放線會發生遮擋關系，部分點位存在無法標記的問題；搭設的腳手架架體與龍骨的位置沖突，存在部分無法施工的問題。項目的現場施工及質檢管理，因遮擋關系也無法進行全數檢查，存在質量隱患。

5）基層鋼骨架通過轉接件與主體外圍環形梁相連接，其施工三維定位及施工順序難度大，骨架制作對技術人員素質要求較高。每個班組均需配置全站儀及技術員，技術人員要對該片區的所有施工作業人員進行管理。每個工人都要根據所在點位進行施工，每個交接點位均要進行坐標定位，點位較多且檢查困難，增大了管理難度[1-8]。

3 BIM的相關應用

3.1 Rhino & Grasshopper介紹

Rhino軟件的中文名稱為“犀牛”，是一款優秀的三維建模軟件，包含了所有的NURBS建模功能，可以把復雜的模型轉換為基本的點、線、面等要素，從而更方便地實現對建筑物的分析、優化處理。

Grasshopper是一款內置于Rhino軟件中，采用程序算法生成模型的參數化建模插件。與傳統建模方式相比，Grasshopper類似于計算機編程，可以運行高級復雜的邏輯性建模指令，從而使計算機根據擬定的算法自動生成相應的模型。Grasshopper還可以對模型進行批量的邏輯性分析。

3.2 Rhino & Grasshopper在施工中的應用

Rhino & Grasshopper可以根據表皮模型，結合現場的實際情況對建筑物所需要的構件進行制作及優化，對所用材料的加工、下單起到指導性作用。軟件可以提取模型中精準的坐標點，提高現場施工放線的準確程度。

4 主要技術創新

4.1 基于BIM技術的鋼骨架加工制作

通過Rhino軟件對原雙曲面鋁單板進行細微調整，在不改變外形效果的情況下將復雜的雙曲面（變曲率）鋁單板分割調整為簡單的、易操作的多平面結構；通過Grasshopper提取坐標點結合全站儀現場配合，進行雙曲面（變曲率）鋁單板龍骨的精準放樣；通過Rhino的曲面造型優勢對雙曲面幕墻鋼骨架進行單元板塊劃分，實現雙曲面鋁板幕墻模塊化制作。

4.2 基于BIM 技術的幕墻模塊化施工

本外幕墻裝飾體系選用措施方案為雙曲面鋁板幕墻模塊化施工吊裝方案，運用BIM技術建立龍骨體系模型，對龍骨體系模型進行單元分割，根據導出的數據坐標對每個單元模塊進行加工制作；現場結合全站儀、水平儀等進行三維坐標空間定位，使用起重設備將單元模塊安裝至既定坐標點，實現幕墻模塊化吊裝施工。

遵照按區域、施工段劃分檢驗批的原則，采用“由低到高，區域施工”的基本思路，避免由于結構變形、標高不規則變化等諸多因素引起的質量問題。

5 工藝流程

本工程雙曲面鋁板金屬幕墻的施工工藝流程為：深化設計→建立BIM模型→提取三維坐標點→主體結構偏差復核→BIM技術參數化提取→模塊化施工拆圖→模塊化鋼骨架的加工制作→鋼骨架的吊裝及轉接件定位焊接→伸縮鋼橫梁安裝→結構復測與模型調整→面層鋁板加工→鋁板安裝。

6 操作要點

6.1 基于BIM技術的模型深化參數化數據提取

雙曲面鋁板幕墻龍骨通過設置連接件的方式進行固定，骨架單元板塊較大，需提前考慮滿足后期鋁板幕墻的安裝及成形觀感要求，并且避免因受力造成龍骨變形過大。而在設計之初，設計院只出具建筑外造型表皮模型，二維圖紙不具有參考價值，給后期施工帶來了極大難度，且常規的放線方式無法滿足測量定位的準確要求。故借助Rhino軟件建立三維的建筑信息模型對二維圖紙進行深化設計，預先發現圖紙中與土建結構或鋼結構之間的碰撞等問題。

6.1.1 深化設計、建立BIM模型

幕墻深化設計通常采用Rhino軟件。Rhino軟件在曲面幕墻建模上具有較大的優勢，主要包括以下幾方面：能夠方便地分割幕墻曲面，分割后的幕墻曲面基本無誤差，可以很好地標注曲面的展開邊，并且可以很好地與其他工程軟件相兼容；可以把建筑各專業的實體模型進行信息導入，對于看不懂其他專業圖紙的工程人員來說，也可以很直觀地發現是否存在問題，為后續的施工起到指導作用；在后期階段，隨著工程的順利開展，各家的細節深化及圖紙繪制也可以隨時進行更新，提高了工作效率，節省了時間成本。

針對已完成的土建模型、鋼結構模型、設計院提供的外表皮模型（圖2），先選定同一個坐標系原點，然后導入Rhino軟件中。對模型進行龍骨深化制作，及時發現施工過程中可能存在的碰撞問題，及時聯系建設方和設計方進行解決，為后期的實體施工做好技術準備工作。

圖2 阜陽市科技文化中心外表皮模型

6.1.2 提取三維坐標點

使用Rhino中的Grasshopper插件，對已經檢測過無碰撞的幕墻骨架進行參數化分析，提取轉接件及鋼龍骨的定位點，用于指導實際施工（圖3）。

圖3 帶坐標的豎龍骨模型

建立該建筑的特征控制點，本工程的特征控制點是指三維建筑空間腰線位置的各個突變曲面的位置交點。通過對特征點的控制，再對各個軸線進行細化分割，由整體到局部，并對特征坐標點進行醒目標識。

對轉接件位置及單元模塊龍骨的主要點位進行提取，提取的點位數據用于后續吊裝工作的三維坐標定位。

6.1.3 放線定位

為了減少主體結構施工偏差對幕墻安裝精度的影響，需要在理論模型建立后對主體結構進行復測。復測內容包括層高、主體鋼結構邊梁水平進出尺寸、球形網架施工偏差等。

1）為保證工程的施工準確，在現場放線前將所用到的全站儀、水平儀、鋼卷尺等測量工具送至相應的儀器檢測機構進行全面的檢查和校正，使儀器的各項性能指標均滿足相應的精度要求。

2）復測土建提供的原始坐標及標高，檢查是否存在沉降或施工偏差等問題，發現問題及時與相關單位進行溝通解決。

3）根據土建提供的基準坐標，先使用水平儀對場區施工范圍進行水平放線定位，確定準確無誤后進行彈線及水平坐標點的繪制工作。此階段主要是為后續的縱向坐標提供支撐體系。

4）以主體鋼結構模型為基礎，從模型中選取部分特征點為目標，特別是腰線位置定位點，通過全站儀對主體結構進行復測并統計各特征點的主體結構數據，復測完成后在主體鋼結構邊梁上通過焊接角鋼定位點進行點位固定（圖4）。

圖4 幕墻定位點（懸挑角鋼）

6.2 基于BIM技術的雙曲面金屬幕墻模塊化鋼骨架的加工制作

每個分割好的模型又是一個單獨的框架，根據單個框架提取的三維坐標系制作相應的單元骨架。

6.2.1 模塊化施工拆圖

根據建筑物的特征控制點，使用Grasshopper對317根框架豎龍骨進行分割提取，從整體到部分將整個框架進行分割。分割標準為以每5根豎龍骨為1個板塊（圖5）。

每根豎龍骨的剖面均制作加工圖，確定每根豎龍骨的切角角度及橫龍骨相對應的位置（圖6），提高龍骨的安裝精度，確保龍骨的制作誤差不會影響面層幕墻的精度控制。每個單元板塊高度不超過10 m，這樣分割可以有效地控制單個板塊的質量，避免龍骨單元模塊吊裝成形后，因板塊過大造成應力變形不可控。單元板塊與板塊之間伸縮橫龍骨使用登高車進行安裝，將分割好的單元板塊統一整理，通過Rhino的曲面造型優勢進行異形龍骨及鋁板的材料計劃編制。

圖5 單元板塊分割

圖6 龍骨相對位置及角度

利用BIM建模技術，對本工程外幕墻進行模塊化施工，將整體幕墻分為若干模塊，解決了高空施工因遮擋關系造成的定位難題，減少了技術人員投入。帶編號的單元板塊能更加直觀地反映進度和質量的管理工作。

6.2.2 模塊化鋼骨架的加工制作

根據每個單元模塊的模型，對橫豎龍骨的坐標點位進行分析，得出每個坐標點的相對位置和角度。根據提取數據的相對位置及角度切割制作相應龍骨，并標注編號位置。

制作完畢后根據模型對制作好的龍骨進行拼裝焊接（圖7），對制作完畢的模塊化鋼骨架進行統一整理堆放，避免占地過大，影響其他專業的施工。模塊化鋼骨架的加工制作解決了高空焊接量大且焊接質量控制困難的難題，降低了作業難度，減少了作業成本支出，避免了高空焊接引發的火災隱患。

6.3 基于BIM技術的雙曲面金屬幕墻模塊化施工

6.3.1 模塊化鋼骨架的吊裝及轉接件的定位焊接

按照單元模塊編號，根據模型提取的轉接件及單元模塊絕對位置數據，使用塔吊或汽車吊將該單元吊至相應位置，校核數據無誤后將框架使用連接件進行固定（圖8）。

圖7 單元模塊加工制作

圖8 單元模塊鋼骨架吊裝

吊裝采用先下后上、從左到右的原則，將所有的單元板塊固定到其相應的位置。

外立面幕墻均為內傾和外傾的剖面形式。對于外傾斜處幕墻，吊裝時需先將組裝好的幕墻鋼骨架垂直起吊，將鋼骨架吊裝至相應位置，然后通過手動葫蘆將鋼骨架底側向室內側方向拉，使鋼骨架緩緩下降，保證幕墻鋼立柱與下層鋼立柱的頂端對齊，然后通過外接鋼插芯進行臨時固定。待復核每根立柱定位點之后，再將幕墻鋼立柱頂端的10#槽鋼轉接件與橫向300 mm×200 mm的鋼方管弧形梁進行焊接，然后逐層向上安裝，從而實現構件式幕墻單元化的安裝方式。此種施工方法既可提高安裝速度，也可以保證幕墻龍骨的定位精度。單元式金屬板龍骨吊裝完成后，每塊龍骨單元式板塊利用小型電動滑索進行單獨施工微調，減少因拼裝精度導致表面鋁單板誤差過大的問題。模塊化吊裝方案的實施有效解決了常規工人高空作業定位的難題，既保證了施工精度，又提高了施工過程的靈活性。

6.3.2 雙曲面金屬幕墻鋼骨架伸縮鋼橫梁安裝

單元板塊吊裝完畢后使用全站儀對其進行校驗，校驗無誤后根據校驗數據補齊板塊與板塊之間預留的伸縮橫龍骨。

6.3.3 結構復測與模型調整

鋼龍骨框架施工完畢后，對整體框架進行校核，將現場與模型進行比對校驗并反映到模型中，根據現場對模型進行據實調整。

6.3.4 雙曲面金屬幕墻面層鋁板加工

模型制作完畢并檢查無誤后，根據提取的數據尺寸對面層鋁板進行加工制作。

6.3.5 雙曲面金屬幕墻面層鋁板安裝

鋁板到場后，使用高空車根據單片鋁板的絕對坐標點進行安裝。安裝過程中注意成品保護，對局部龍骨變形位置進行栓接調整。

7 結語

本文以阜陽市科技文化中心項目為背景工程，分析研究了雙曲面鋁板金屬幕墻的施工難點。通過對雙曲面幕墻鋼骨架進行單元板塊劃分，實現雙曲面鋁板幕墻模塊化，利用平地焊接逐塊吊裝的方法，解決了施工技術難題，有效控制了施工質量，降低了作業成本，縮短了工期，保證了安全。本工程的雙曲面鋁板金屬幕墻模塊化施工工藝在實際工程中得到了成功應用，總結的相關施工經驗可供類似工程借鑒。