塑石假山三維鋼筋網(wǎng)片數(shù)字化施工技術(shù)

王 賀 史 琦 于 波 劉志紅

中國建筑第二工程局有限公司華東公司 上海 200135

1 工程概況

北京某在建主題樂園建筑面積4.8萬 m2，占地面積10.7萬 m2，主要結(jié)構(gòu)形式為樁承臺基礎、鋼框架、鋼支撐。園區(qū)內(nèi)部有一座最高建筑物塑石假山，是基于電影《侏羅紀公園》中群山環(huán)繞的場景而制作的假山造景。

塑石假山山體高度約49.6 m、縱向投影長度約90 m、深度約50 m，表面積約12 691.26 m2，總質(zhì)量約2 500 t，由3座山峰、3座瀑布、9 400余根鋼構(gòu)件組成，假山的造型復雜、規(guī)模宏大均為國內(nèi)罕見。山體表皮采用鋼筋塑形網(wǎng)片＋主題雕刻TCP＋主題上色制作而成（圖1）。

圖1 塑石假山現(xiàn)場施工

2 工藝原理

如何利用圖紙準確表述塑石假山造型并指導施工是假山建造過程中的難題，本工程利用塑石假山三維鋼筋網(wǎng)片數(shù)字化施工技術(shù)，通過3D掃描將實體模型轉(zhuǎn)化為數(shù)字模型，再應用BIM技術(shù)進行塑石假山的結(jié)構(gòu)設計。假山每片鋼筋網(wǎng)片及每根配筋設計完畢后分配獨立二維碼，便于后期快速組裝。通過在電腦中提前設定的程序，使鋼筋自動彎曲機根據(jù)每根鋼筋的設計加工圖，完成鋼筋的雙向彎曲成形，使用投影儀在地面按1∶1的比例投影鋼筋加工圖進行實物比對，完成每根鋼筋的誤差校正。利用三維空間支架將一根根獨立的鋼筋焊接成三維鋼筋網(wǎng)片。

3 技術(shù)特點

1）對假山實體模型進行3D掃描，生成三維數(shù)字模型，實現(xiàn)了由一張設計效果圖到三維數(shù)字模型的轉(zhuǎn)化，并通過BIM技術(shù)，保證了數(shù)字模型與假山創(chuàng)意造型的一致性。

2）使用BIM技術(shù)可以實現(xiàn)假山模型整體的網(wǎng)片分割，便于假山結(jié)構(gòu)設計與網(wǎng)片配筋的單獨設計。

3）自主編寫鋼筋自動彎曲機作業(yè)程序，可完成鋼筋的雙向彎曲，實現(xiàn)了網(wǎng)片鋼筋生產(chǎn)的全自動化。

4）假山的每片三維鋼筋網(wǎng)片，以及網(wǎng)片上的每根鋼筋都分配有獨立的二維碼，便于快速識別安裝位置。

5）自主創(chuàng)新鋼筋校正技術(shù)。使用投影儀在地面上進行1∶1等比例鋼筋放樣，可快速完成每根鋼筋的校正。

6）通過三維空間支架制作鋼筋網(wǎng)片，該支架含有多個三維控制點，保證了鋼筋網(wǎng)片成形效果的精度，使整個假山網(wǎng)片之間能更好地吻合，避免產(chǎn)生返工，經(jīng)濟效益顯著。

4 工藝流程

創(chuàng)建空間模型→制作實體比例模型→3D掃描生成數(shù)字模型→繪制假山結(jié)構(gòu)設計施工圖→對鋼筋網(wǎng)片與鋼筋進行二維碼分配→生成二維加工圖→鋼筋塑形→鋼筋誤差校正→焊接鋼筋網(wǎng)片→金屬馬凳安裝→覆網(wǎng)→驗收入庫→投入使用

5 施工工藝

5.1 創(chuàng)建空間模型

根據(jù)效果圖使用SketchUp創(chuàng)建假山空間模型。

5.2 實體模型制作

根據(jù)空間模型，按照假山的體積及要求肌理的精細程度確定假山模型的比例為1∶50、1∶100。模型制作工序為：確定模型制作比例→打印模型定位的平面圖→搭設模型骨架→涂覆雕刻油泥→創(chuàng)意雕刻→FRP翻模→上色驗收。

5.3 3D掃描生成數(shù)字模型

假山實體模型油泥雕刻完成，整體造型通過驗收后，進行3D掃描，再次轉(zhuǎn)化為三維數(shù)字模型。

5.4 應用BIM技術(shù)對數(shù)據(jù)模型進行網(wǎng)片分割與配筋設計

設計人員在接收到假山的數(shù)據(jù)模型后，應用BIM軟件（3DMax、犀牛、MAYA、ZBRA等）對假山表皮進行切片，一般使用等分線切割成投影面積為2 m×2 m的網(wǎng)片，此分割線作為假山網(wǎng)片的邊筋設計依據(jù)。再使用等分線，按照設計鋼筋的間距將網(wǎng)片進行第2次分割，此分割線作為網(wǎng)片分布筋的設計依據(jù)，一般網(wǎng)片分布筋為單層雙向，間距為150 mm×150 mm。邊筋作為網(wǎng)片的固定筋，為φ10 mm圓鋼，分布筋為網(wǎng)片的塑形鋼筋，為φ6 mm圓鋼。

鋼筋網(wǎng)片切分完畢后，為每個網(wǎng)片分配獨立的二維碼，便于后期現(xiàn)場安裝時可以通過二維碼快速找到安裝位置。每個網(wǎng)片均通過BIM技術(shù)生成二維加工圖，并詳細標記每根分布筋在x、y、z這3個方向的形狀，同時為每根分布筋分配二維碼，二維碼包括該根鋼筋的詳細尺寸信息，便于加工機器快速讀取數(shù)據(jù)進行加工。

5.5 鋼筋塑形

假山網(wǎng)片的鋼筋為滿足造型要求多為雙向彎曲，國內(nèi)生產(chǎn)的自動彎箍機一般沒有這個功能，需要對彎曲機的彎曲部件與作業(yè)程序代碼進行改良，使彎箍機能夠自動完成鋼筋的拉伸、調(diào)直、彎曲、切斷等工作。改裝完成的彎箍機需經(jīng)過不斷測試與調(diào)整，以滿足加工速度、精度偏差、故障率等要求，調(diào)整合格后方可投入生產(chǎn)。

通過設計圖導出二維碼，使用掃描槍逐一掃描至鋼筋塑形機中，鋼筋塑形機將盤筋先拉直，后彎折，以實現(xiàn)想要的形狀和結(jié)構(gòu)。每生產(chǎn)出一根鋼筋，便在指定位置貼上二維碼識別標簽。

5.6 鋼筋塑形后校對

由于受彎箍機加工時的慣性影響，鋼筋在彎曲過程中均會存在一定偏差，此偏差將會決定網(wǎng)片的整體形狀能否達到設計要求，從而增加后期成本投入。因此在鋼筋加工成形后，需及時對鋼筋的偏差進行校正。

在距地面4 m高處設置1臺投影儀，投影儀鏡頭朝下，通過光圈調(diào)整投影網(wǎng)，人工不斷檢測網(wǎng)格間距，保證網(wǎng)格間距為150 mm×150 mm。每根鋼筋有1張投影圖，通過調(diào)試好的投影裝置，將每根鋼筋的形狀按1∶1的比例投至地面，再將塑形完成的鋼筋置于投影處對比，若有誤差，通過自制夾具和鉗子進行人工微調(diào)，保證塑形鋼筋的精確度。

5.7 整理打包

經(jīng)過校對無誤的塑形鋼筋按每片鋼筋網(wǎng)分批進行打包整理，每包鋼筋附有獨立二維碼，二維碼中含有此片鋼筋網(wǎng)片的所有相關信息，隨后移交下一道工序進行焊接。

5.8 網(wǎng)片制作加工

鋼筋網(wǎng)片成形效果能否滿足設計要求，不僅取決于鋼筋加工的精確度，還取決于鋼筋在焊接過程中是否準確。通過現(xiàn)場制作的三維空間鋼筋網(wǎng)片焊接支架可以解決這一問題。在三維空間鋼筋網(wǎng)片焊接支架四周需留有操作空間，按圖紙設置16個控制點，保證網(wǎng)片焊接時造型的準確度。

三維空間鋼筋網(wǎng)片焊接支架，包含鍍鋅圓鋼、鍍鋅角鋼、鍍鋅方鋼和夾具（圖2）。鍍鋅角鋼（規(guī)格為50 mm×5 mm）焊接形成方形體框架，作為加工架主框架龍骨使用；鍍鋅圓鋼直徑為10 mm，縱橫150 mm間距布置，與鍍鋅角鋼焊接，鍍鋅圓鋼交叉位置作為控制點使用；鍍鋅方管（規(guī)格為50 mm×50 mm×5 mm）插入方形體框架中；夾具為U形鋼帶螺母的材料，安置于鍍鋅方鋼上，可來回滑移（圖3）。

圖2 三維加工示意

圖3 鋼筋夾具控制點示意

主要加工方法為：將制作好的鋼筋點焊在長方體鋼筋籠的一面位置，通過方形體內(nèi)設置的控制點進行定位；放置與這個面垂直向的鋼筋，兩面進行固定；再放置與第1個鋼筋面平行方向的鋼筋，逐步形成1個三維鋼筋網(wǎng)面，內(nèi)置方鋼上的夾具作為內(nèi)側(cè)空間定位點，按設計圖定位進行滑移固定及定位中間區(qū)域的鋼筋，使之能精確達到圖紙使用要求；定位好的鋼筋之間使用點焊固定，形成整個異形鋼筋網(wǎng)片的加工過程。

5.9 金屬馬凳焊接

將“幾”字形馬凳間隔一段距離焊接到已成形的鋼筋網(wǎng)板上。焊點配置應滿足認可后的施工深化圖上的細部要求。金屬馬凳采用40 mm高度。

5.10 覆網(wǎng)

鋼筋網(wǎng)板上需綁扎2層鍍鋅金屬網(wǎng)，背面采用5 mm×7 mm四角鍍鋅金屬網(wǎng)，噴漿面采用25 mm×25 mm鍍鋅六角網(wǎng)，采用鍍鋅扎絲或C型槍進行綁扎固定。

5.11 驗收、入庫

一旦鋼筋網(wǎng)板生產(chǎn)完成，在轉(zhuǎn)移前請業(yè)主方驗收。驗收通過后，將面板從生產(chǎn)區(qū)移至現(xiàn)場堆放區(qū)進行存儲。面板應按順序擺放，根據(jù)安裝進度按批次傳送，采用防火油布進行包裹。

5.12 投入使用

根據(jù)施工計劃分批次使用貨車，將成品網(wǎng)片從加工廠運輸至現(xiàn)場指定位置，通過手機掃描網(wǎng)片上的二維碼來確定網(wǎng)片安裝位置。

6 結(jié)語

塑石假山主要通過鋼筋骨架塑形、表面雕刻砂漿等逼真的雕刻手法與上色來達到樂園場景和藝術(shù)創(chuàng)作的要求[1]。塑石假山三維鋼筋網(wǎng)片數(shù)字化施工技術(shù)是大型復雜假山建造的關鍵技術(shù)。三維網(wǎng)片的設計、生產(chǎn)和拼裝技術(shù)，是建造大型假山，實現(xiàn)假山山皮復雜效果的基礎。該項技術(shù)同時解決了機械彎曲鋼筋加工偏差大、鋼筋組裝定位不準確、網(wǎng)片造型還原度差等難題，并實現(xiàn)了鋼筋數(shù)字化生產(chǎn)、快速校正、精準焊接與組裝，達到了行業(yè)內(nèi)的領先水平，具有極大的推廣應用價值。