穹頂鋼結構及曲面玻璃幕墻依托BIM 技術平臺在建筑工程中的應用

左克松

（中鐵城建集團南昌建設有限公司,江西 南昌 330000）

BIM 技術作為國內新業態,可以為建筑工程中的各項施工提供服務,甚至于工程項目從開發到運營都可以進行全過程應用,相信BIM 技術在建筑工程領域以后的發展中會運用的越來越廣泛。

1 BIM 技術應用

1.1 部署準備

1.1.1 組織架構

本工程由項目經理總負責,項目技術負責人組織實施,配置專業BIM 工程師負責BIM 技術平臺運用,相關人員組成項目部BIM 技術小組。負責本工程穹頂鋼結構設計、施工以及移交后的運營維護等階段相關信息的搜集,運用BIM 技術軟件進行數據信息和電子文檔歸集,形成電子信息仿真模型進行項目技術管理工作,以提高工作效率,減少返工,保證工程順利實施。項目部工程部、安質部、成本計劃部以及物資設備部等部門按照工程工作量大小,安排熟悉本專業業務、了解BIM 技術建筑模型、理解模型信息的人員,配合項目部BIM 技術小組開展相關工作。

1.1.2 崗位職責

本項目BIM 技術小組主要職責：本工程BIM 模型相關的信息搜集,后續的模型創建、優化、維護；能夠保證設計圖、深化設計圖能夠清楚、形象且完整地體現在模型里；能夠及時發現圖紙問題并第一時間上報監理或業主單位,能夠完整地表達工程施工流程、施工工藝等,為優化施工方案、完善工作計劃提供科學有效的參考依據；進行動態仿真模擬施工,進一步優化工程施工進度計劃；為工程竣工后業主單位運營維護提供協助,提升業主價值感受。

1.1.3 運行環境

項目部與建設單位、設計單位、監理單位充分溝通,主要配置了Autodesk CAD、Revit、Navisworks 和PKPM等軟件,專業制圖電腦硬件,創造了各方接受的BIM 技術應用軟硬件環境。軟硬件滿足BIM 工作正常開展及各相關單位、部門的使用需要,打造一個在線可視的、安全的、可實現的BIM 技術運用平臺。

1.1.4 實施計劃

本工程根據項目總體工期要求,結合實際工作量及現場實際情況,制定BIM 技術實施專項計劃：

表1

1.2 BIM 技術應用

本項目在穹頂鋼結構和曲面玻璃幕墻深化設計中,采用全過程BIM 建造技術,為項目安全、質量和進度保駕護航。主要采用有以下三項技術路線應用：

1.2.1 信息模型

通過設計圖、深化設計圖等技術資料,項目BIM 技術小組進行模型構建。建模完成后,可以提前查看穹頂鋼結構建成后的3D 仿真效果圖,核查其構件尺寸、節點等細節以及不同專業的銜接、穿插是否滿足工程圖紙等相關技術資料要求,是否符合最初意向。還能運用相關數據信息對模型進行分析、優化,進一步提高實際施工精度,盡可能防范施工過程中可能發生的風險因素,確保施工質量。

圖1 穹頂鋼結構三維模型圖

1.2.2 施工模擬

通過BIM 技術平臺模擬現場施工,依據施工方案使施工過程進行場景運用。工程建設中涉及到的建筑、結構、給排水、電氣、通風以及臨時輔助設施等各專業進行仿真模擬穿插施工,排查施工過程中可能存在的問題,例如發現不同專業之間的作業碰撞檢查、管線布線路徑優化、施工流程的最優順序等。基于以上可能發現問題的部分,再對施工方案做進一步優化調整。

該技術路線可以根據實際需要,在BIM 技術平臺進行多次重復仿真模擬施工演示,立足工程項目本身,不斷地優化施工方案,盡可能滿足各參與方的相關需求,盡可能減少施工中不確定的影響因素,預防施工質量事故,降低施工成本,控制施工工期,提高項目組織管理和施工技術水平。

1.2.3 運維平臺

通過BIM 技術運維平臺,將工程竣工驗收實體信息形成BIM 竣工模型,項目一系列相關重要數據與業主單位運行維護管理系統進行集成,可將業主單位的運營維護工作效率大大的提高。如鋼結構形態、曲面玻璃幕墻狀態、照明效果以及電力部署以及屋面排水位置、接入點等,使用者只需了解BIM 技術模型應用程序,在軟件平臺上便可利用模型視圖直接獲取相關信息,自動生成運營（維修）工單。在工單執行前,系統信息可作為工作指導手冊來輔助技術工人進行實際運維操作。

1.3 BIM 技術應用成果

根據本工程穹頂鋼結構和曲面玻璃幕墻工程的BIM技術實際運用,結合歷年參建工程的實際經驗教訓總結,BIM 技術應用對項目部工程實施在質量、工期和成本等各方面都有不小的進步,有相當大的實際運用前景。以下為BIM 技術在應用前后管理流程和成果上的對比：

1.3.1 應用BIM 技術前后管理流程對比

表2

1.3.2 應用BIM 技術前后成果對比

表3

2 鋼結構焊接技術

建筑穹頂結構高度高,跨度大,現場施工環境復雜。鋼結構焊接施工前,滿堂腳手架（進行結構驗算）操作平臺搭設、施工測量以及鋼構件原材料采購、加工等工作均已完成。本次重點介紹鋼結構焊接技術的應用。

2.1 焊接工藝

焊接流程如圖2。

圖2

2.2 焊接一般要求的控制

2.2.1 當焊接作業區的相對濕度大于90%,或焊件表面潮濕、暴露于雨、冰、雪中,亦或焊接作業條件不符合《焊接安全作業技術規程》規定要求時,嚴禁焊接作業。

2.2.2 本工程主要采用焊條電弧焊和氣體保護電弧焊,主體構件焊接時優先考慮使用CO2氣體保護焊。焊接作業區最大風速不宜超過8m/s,進行氣體保護電弧焊時最大風速不宜超過2m/s,否則應采取有效措施以保障焊接作業時不受影響。

2.2.3 焊接前,待焊接構件應均勻、干凈,且無毛刺、裂紋和其他可能對焊縫質量有不利影響的缺陷。待焊接構件的表面及距焊接位置50mm 范圍內不得有影響正常焊接和焊縫質量的氧化物、銹蝕、油脂以及水等雜質。

2.2.4 臨時輔助焊接的鋼板等材料,應與擬焊接的材料相適應,且焊接施工完成后應對鋼板予以拆除,拆除時應保證焊接材料的質量。

2.2.5 焊工施焊作業時,應嚴格遵守焊接操作規程要求,不得在臨近鋼構件上引弧,焊縫收尾弧坑必須焊滿。

2.2.6 焊接材料熔敷金屬的力學性能應不低于相應焊接構件標準的下限值或應滿足設計文件要求。焊接材料應存放在通風良好且干燥的地方,安排專人進行管理,并有記錄可查。

2.2.7 焊接坡口尺寸以及部分構件組裝完成后的坡口尺寸允許偏差應符合規范要求,且禁止在坡口接頭間隙中填塞鐵塊或其他異物。

2.2.8 施工過程中的臨時焊縫在正式施焊后應清除或與正式焊縫相融合。

2.2.9 可能存在的對接焊縫應為完全熔透焊縫,為方便進行無損檢測,構件焊接完成后其焊接部位表面應進行處理。

2.2.10 對于不合格的、有缺陷的焊縫,根據分析其形成的原因,制定專門的返修工藝方案,經專業監理工程師同意后實施,返修后還應按規范規定的檢測方法和質量要求進行檢測驗收。

2.3 焊接質量控制和檢測評定

2.3.1 根據本工程穹頂鋼結構構件焊接施工的不同階段,其焊接質量的控制和檢驗包括焊前準備、焊中跟檢及焊后檢驗,具體包括以下規定：

表4

2.3.2 防止焊接變形和消除焊接應力的具體措施

在鋼結構焊接施工過程中,焊接構件的焊縫和熱影響區由于不斷受到焊接熱循環的作用,焊接構件內部會產生焊接應力和焊接變形。本工程穹頂鋼結構構件會根據尺寸要求形成閉環的結構體系,其每個鋼構件任何微小變形都可能影響安裝質量,此時采取合理有效措施防止鋼構件焊接變形也是必要的。

防止變形主要采取以下措施：

a.對稱焊接,同時焊接。b.選擇適合當前條件下的合理的施焊順序,如分中逐步退焊法、逆焊法等。c.采取臨時加固措施。d.采用反變形法施焊。

消除焊接應力主要采取以下措施：

a.采用小型電加熱器對焊接構件進行相應的局部加熱,以消除應力影響。b.采用錘擊法消除焊接構件焊接部位中間焊層應力。c.采用振動法消除應力。根據本工程穹頂鋼結構構件焊接施工時的場景、各鋼構件特點,選取對應適合的方法,下面就以穹頂鋼結構底部環梁和主桁架為例進行簡述。

a.鋼結構底部環梁焊接

鋼結構底部環梁為實腹工字鋼梁,與主體結構預埋件通過鋼板進行焊接固定。其主要變形方向為翼緣板向內翻轉以及沿鋼梁長度方向的彎曲,嚴重時可能發生扭曲變形。在正式施工前,先選取一段做相同材質的同截面變形試件,實測其變形值,確定其焊接各工藝參數,再根據實測值核定焊接效果,得出修正值,往復進行不斷修正,最終得出試驗參數,明確焊接工藝所需各項參數,最后再進行正式施焊。為防止鋼梁焊接變形,采用兩人同時以相同焊接工藝、相同電流、相同電壓、相同速度等進行同步焊接,鋼構件焊接時兩人的施焊順序采取分中逐步退焊法。結合BIM 技術模型下料構件尺寸,再使用以上方法進行底部環梁焊接,其變形量極少,絕大多數滿足要求,不需校正。

b.鋼結構主桁架焊接

本工程鋼結構主桁架采用鍍鋅鋼通施工,縱橫主桁架材料一致。為防止鋼結構主桁架焊接變形,采取以下措施：結合BIM 技術模型,對鋼結構縱橫主桁架進行預拼裝點焊,對部分節點用鋼板進行臨時固定,先從整體上避免鋼構件的變形。在主桁架細部節點進行施焊作業時,嚴格執行BIM 技術模型數據要求,對焊接構件進行對接校正,再進行雙人對稱焊接施工。施工時逐步融合點焊,拆除臨時固定措施,保證鋼結構主桁架結構穩定性、完整性。施工過程中可采用錘擊法對焊接構件進行焊接應力消除,方便、快捷、有效。結合BIM 技術模型下料構件尺寸,再使用以上方法進行主桁架施工,鋼構件焊接質量大大提升,結構焊接安裝精度高,確保的整體施工質量(圖3)。

圖3 穹頂鋼結構節點圖

2.3.3 焊縫檢測和評定的具體措施

本工程焊接檢測采用自檢和監檢。自檢是項目部在鋼結構構件制作、結構焊接安裝過程中進行檢驗,聘請有資質的專業檢測人員實施；監檢是由業主單位安排具有檢驗資質的第三方檢測機構選派具有檢測資質的人員進行專項檢驗。在焊縫施焊完24 小時后方進行外觀缺陷以及內部缺陷超聲波探傷檢測,焊縫缺陷偏差允許值應符合以下規定：焊縫外形尺寸允許偏差符合表6 規定。

表5

表6

3 曲面玻璃幕墻施工技術控制要點

3.1 利用前期BIM 技術模型,不斷優化動態優化,結構構件、龍骨均施工完成后,將實體精確測量數據與BIM模型進行對比,做到最優模型。

3.2 根據BIM 最優仿真模型,形成精細穹頂曲面玻璃幕墻尺寸,根據鋼構件節點數據及實測玻璃幕墻天窗數據布排編號,指導幕墻玻璃加工生產。

3.3 幕墻結構桿件和玻璃材料質量須符合設計及規范要求,進場前查驗相關合格證和檢驗資料等質量證明文件。

3.4 為保障高層穹頂玻璃幕墻施工的安全性,滿堂腳手架平臺在穹頂鋼結構工程施工完成后方可進行拆除。

3.5 檢查穹頂屋面電力照明等其他相關專業施工情況,避免交叉作業。

3.6 曲面玻璃幕墻天窗安裝前,最后一次核定尺寸數據,統一確定吊裝路徑,玻璃組件牢固且達到安裝要求。

3.7 曲面玻璃幕墻采用耐候硅酮膠施工,打膠密封嚴實,施工前應對擬作業區域進行清潔,需保證縫內無油漬、水漬、鐵銹、灰塵等雜物,堅決杜絕穹頂漏滲水。

3.8 重點加強與穹頂幕墻銜接的天溝、檐溝等細部結構的防水施工,力求排水暢通,無滲漏水。

3.9 施工中及施工完成后的穹頂玻璃幕墻應采用適當的措施加以保護,防止發生碰撞破壞或變形、構件污染或變色以及屋面排水系統堵塞等現象,發型類似問題須及時處理,保持幕墻及幕墻構件干凈、整潔。

結束語

本文通過對BIM 技術在穹頂鋼結構項目中的應用,為鋼結構和曲面玻璃幕墻工程的建模、深化設計、數據測量以及施工等方面提供便利,從而在項目管控上建立優勢,收獲了一定的效益。建筑鋼結構以及建筑曲面玻璃幕墻等正在不斷地被加大推廣和普及,它們以其實用、便捷、美觀的優勢,將建筑技術和建筑藝術完美融合,正在獲得越來越多的認可。