智慧停車項目幕墻和鋼結構BIM聯合深化技術的探索與研究

雷 華 徐 吉 趙 武 李 翠

中國建筑第八工程局有限公司 上海 201204

鋼結構和幕墻專業一般來說均需要進行專業深化設計后，才能加工生產和安裝。深化設計是指在業主或設計師提供的條件圖或原理圖的基礎上，結合施工現場實際情況，為了滿足加工和現場安裝的需要，對圖紙進行細化、補充和完善[1]。對于建設工程來說，空間和時間是非常寶貴、有限的建設資源，相關研究指出，空間是造成建造生產力損失的主要原因之一，由于空間交叉造成的施工成本增加高達65%，由于施工道路阻礙造成的施工成本損失接近58%。空間沖突除了會影響施工進度與施工效率，從而造成工期延長外，對于安全施工也有較大隱患。一直以來由于輔助管理者的工具欠缺，往往不能進行較為科學的分析，隨著計算機技術的迅速發展，這些問題得以解決。針對如何高效利用空間資源，國內外工程界各方人士進行了很多的探索研究。張建平等[3]研究了城市建筑施工場地狹小而引起的現場管理復雜等問題，提出了運用BP神經網絡對施工現場設施進行定位布置決策。王霄燕等[4]對施工流程進行研究，提出了BIM與采購等方面的相關流程。李恒等[5]研究運用遺傳算法解決施工場地布置中存在的多目標優化問題。Osman等[6]研究了基于Autodesk CAD和遺傳算法的施工現場場地布置優化程序，能夠自動偵測空間范圍以及計算臨時設施費用，并根據其他臨時設施布置的要求，通過遺傳算法對臨時設施布置方案進行優化。吳力平等[7]針對完成的場地布置方案，采用層次分析法建立了描述和評估方案的數學模型，同時定性和定量地對施工場地布置方案進行分析評選。本文針對位于杭州的某場地非常狹小的社會停車樓項目，通過采用Revit軟件優化利用空間資源分配，并利用Revit軟件中的衍生式設計，分析出若干種空間資源的分配方式，探索在面臨狹小場地時，如何高效、安全地使用空間場地資源，如何使用BIM模型對單葉雙曲面鋼結構和幕墻進行聯合深化及受力計算分析。

1 工程概況

本工程為智能化社會停車樓項目，總占地面積6 122.18 m2，地下4層混凝土結構、地上2層為鋼結構，由10個相互獨立的單葉雙曲塔筒組成，幕墻鋁板系統，并結合智能停車系統。項目涉及專業有24 m超深基坑施工、單葉雙曲大弧管鋼結構、單葉雙曲面鋁板幕墻、機電安裝、智能機器人停車系統、園林景觀等，而作業面積不足一個足球場面積。項目施工面臨眾多問題：

1）地上鋼結構施工后面臨大面積幕墻支撐焊接施工，作業面非常狹小，且施工必須采用登高車進行作業。在登高車上的工人拿取安裝鋁板，并保證登高車行進的安全與施工效率，對施工場地安排提出挑戰。

2）單葉雙曲造型鋼結構95%以上為焊接剛性連接，幕墻板條定位難度大；總承包方利用Revit軟件將場地模型與設計模型整合，管理各專項工程深化設計單位，進行整體深化設計，根據施工進度計劃，增加三維模型時間節點，進行施工總體部署和分析，建立不同階段項目空間分析模型，并考量現場生產的沖突影響，搭建三維模型，利用三維可視化模型對場地進行全面規劃，如圖1、圖2所示。

圖1 幕墻模型與鋼結構模型整合

圖2 鋼結構BIM模型

2 幕墻與鋼結構聯合深化概述

2.1 幕墻和鋼結構專項工程介紹

1）本項目地下4層為鋼筋混凝土結構，包括TRD工法樁加地下連續墻施工。地上采用鋼梁鋼柱和局部鋼斜撐組成的鋼框架-支撐結構，構成10個相互獨立的塔筒，其中鋼梁采用箱形梁、H型鋼、鋼柱，支撐采用圓鋼管。樓板采用鋼筋桁架組合樓板，梁上設栓釘。商業層標高為17.20 m，屋面層標高為21.71 m，在商業層4個中心塔筒采用連廊連為一體，屋面層整體連通。幕墻形式為10個單葉雙曲率鋁板塔筒，其中幕墻龍骨焊接到雙曲弧管鋼結構上，龍骨連接為耳板焊接直徑為15 cm的小弧管，每段弧管按初步設計中的表皮內收24 cm作為幕墻骨架，通過抱箍連接件支撐鋁板面板。其中，幕墻龍骨深化時需根據鋼結構的深化模型與實體掃描RCP模型及管道BIM模型綜合考慮完成深化設計工作，考慮鋼結構的變形影響與屋頂虹吸式150 mm直徑的排水管，將龍骨在排水管處截斷、加強。

2）幕墻龍骨定位：本工程由10個造型各異的塔筒組成，根據建筑幕墻造型反推龍骨中心線位置，每個塔筒通過69個直徑不同的同心圓構成，深化設計通過鋼結構弧管提供的支撐點焊接耳板，將每圈同心圓固定，為幕墻面板提供支撐點。69個同心圓組成的龍骨共計690圈，每一圈都需要上下邊的半徑作為造型的約束條件，共計需要控制1 380個半徑值。保證眾多半徑控制的曲面光順流暢是本次生產的控制重點。弧形面板經多次對拼焊接后，焊接造成的應力使得板件發生較大變形，為檢核形變數值，保證板面曲面準確性，在焊接后增加弧形板曲面校核流程，利用鋁板裁出的靠模對其弧形面進行校驗，因此需要針對不同半徑制作不同的靠模進行比對校驗，如果發現偏差過大，將進行曲面修正，直至曲面符合標準，如圖3、圖4所示。

圖3 幕墻龍骨現場照片

圖4 幕墻鋁板安裝現場照片

3）耳板定位：本工程鋁板板塊數量共計約20 000個，對應約7 000個耳板點位，由于主體鋼結構誤差造成耳板進出位尺寸眾多，每個點位均為一個獨立的空間三維坐標，無重復性和規律性，造成定位時間長，也造成耳板加工尺寸眾多。利用激光掃描儀對主體鋼結構進行整體掃描，將掃描數據返回后對模型進行調整，測量后對調整數據進行復核，給出耳板進出位尺寸，如圖5、圖6所示。

圖5 幕墻耳板BIM模型

圖6 現場環形耳板照片

2.2 專項工程BIM聯合深化步驟與要點

幕墻專項和鋼結構專項工程分屬不同設計部門，因此其深化流程和內部深化節奏有很大差異，幕墻和鋼構件中所有構件均在各自加工廠加工，而后分批次入場測量安裝，且其專業內部在安裝時存在構件安裝和堆放的邏輯順序，由于專業性較強，對總承包方的深化設計管理能力提出較高要求。總承包方利用設計BIM模型明確深化責任，細化深化設計要求，包括交叉連接點、收口處做法等。劃分鋼結構和幕墻專業界面邊界及互相提資時限，建立項目深化設計例會制度，及時組織各專項工程的條件提資與深化模型評審，避免幕墻與鋼結構及其他專項工程因入場時間不同而造成后進場專業配合困難和相互扯皮的情況。

二次合模深化流程：為保證建筑最終的設計造型效果，鋼結構專業與幕墻專業需要配合完成整體面板曲率的安裝，鋼結構作為整體骨架支座，通過大量不規則弧管提供給10個造型各異塔筒的框架整體單葉雙曲造型，但由于鋼結構95%以上為剛性焊接，從主體鋼結構到鋁板面層連接節點也基本為硬性連接，主體結構誤差再加上鋁板安裝誤差累積，對產品加工精度及安裝精度要求大大提高。需要對鋼結構與幕墻進行二次合模。第1次為鋼結構深化Tekla模型與建筑幕墻表皮設計偏差碰撞復核，調整鋼構件與幕墻表皮相互匹配，第2次為鋼結構安裝完成后，進行現場實體模型掃描，核對偏差，幕墻龍骨根據實際掃描出來的模型，在深化表皮上做收進，完成龍骨生根定位深化設計。在鋼結構吊裝作業時，需要綜合考慮構件運輸與吊裝安全，地下室頂板的受力開裂風險，計算復核地下室頂板在基本組合中的正常使用極限狀態下的裂縫限值。

2.3 構件安裝時進行衍生式計算分析堆場

鋼結構作為地上主體結構，10個單體鋼結構構件分批次進行安裝，每批多個單體實行多工作面同時施工，且構件連接90%為剛性連接，由于本項目場地太過狹小，鋼結構中的所有鋼構件按照深化模型的編號，根據現場安裝總規劃分批次入場，卸載到指定位置，構件堆放應避免受壓和受拉等變形損壞。總承包方需與鋼結構專項分包單位在BIM場地模型中共同對每一批次入場的深化構件的堆放區域進行分析管控，在整體場布模型中模擬不同時段中鋼構件的入場數量與堆放位置，采用衍生式設計模擬現場用于吊裝安裝的升降車數量與吊裝焊接工人的操作時間，近似計算安裝時間，找到最優解。幕墻構件相對于鋼構件，體積小，較為輕便，使用小型登高車進行安裝，幕墻鋼龍骨與鋁板同樣采用在場外加工后運至現場進行安裝。但是，幕墻龍骨與板材相比鋼構件數量多，型號更加繁雜，工人拿取構件進行安裝時較為不便，總承包方與幕墻專業深化單位共同針對工人拿取單元板時的便捷程度與單元板的進場堆放區域，進行衍生式設計分析，尋求安裝時材料堆放場布的最優解法。利用Revit 2022版中Dynamo程序與衍生式計算功能進行分析得出方案，選取相對的最優解。

2.4 總承包方安全管理

當進行地上鋼結構吊裝時，塔吊已經拆除，故鋼結構吊裝作業時全部采用重型吊車。10個不同造型的單葉雙曲塔筒由3輛重型吊車作用于地下室頂板進行吊裝作業。總承包方需要根據吊車載重，全面計算分析地下室頂板的承載力是否能夠承擔重型吊車的荷載，保證鋼結構吊裝作業時滿足已完成地下室結構的安全性與適用性的規范要求，需要保證地下室框架的承載力與地下室頂板裂縫的規范要求。總承包方技術部采用Autodesk Revit 2022版本的土建深化模型，對地下室混凝土結構構件輸入結構分析參數，將模型中的梁、板、柱轉化為分析模型，對構件輸入混凝土參數與配筋參數后，將分析模型導入Autodesk Robot Structural Analysis Professional 2022版計算分析軟件中進行運算。根據GB 50010—2010《混凝土結構設計規范》（2015年版）中承載能力極限狀態和正常使用極限狀態規范具體規定，分別選取相關計算公式和參數，計算行車區域內梁、板、柱的承載力，使用Autodesk Revit 2022版與Autodesk Robot Structural Analysis Professional 2022版的交互計算，如圖7所示。

圖7 Revit結構分析模型

由于Autodesk Robot Structural Analysis Professional 2022版使用的是歐洲標準的計算分析模式，需要將我國的分析參數重新輸入軟件進行受力計算。根據相關公式計算出的結果滿足國家規范要求，各個吊裝區域均滿足安全需求。針對裂縫較大區域加派小型吊車配合分擔載重，確保安全施工。

3 結語

首先，針對綜合深化，總承包管理人員在與專項分包進行對接時，需對各專業間存在的交叉面進行重點和精細化管控，尤其是幕墻以鋼結構為支撐主體，需要管控鋼結構安裝后的整體變形與局部變形，否則幕墻龍骨需花費較大成本來調整，以保證最終幕墻完成效果。特別對于汽車坡道入口處的混凝土上翻梁，將地下室三維BIM模型整合鋼結構模型、幕墻模型后，發現上翻梁與鋼結構無碰撞，卻與幕墻鋁板碰撞，此時，需要對幕墻龍骨進行調整。若沒有進行整體模型整合，在龍骨安裝后，安裝幕墻鋁板時會出現安裝不上的情況，造成一定的返工損失。因此，總承包管理人員需將所有專業模型進行整合和綜合審查，摒棄傳統深化模式，而采用BIM綜合模型深化模式。

其次，針對施工現場整體的空間與安全管理，總承包管理人員需統籌規劃施工現場內的空間資源進行合理分配，在充分發揮空間資源利用率的同時，確保現場施工安全。由于幕墻鋁板安裝需要工人消耗很多時間拿取板材，管理人員利用Dynamo編程對Revit模型進行參數化編程計算分析，針對構件吊裝效率與吊裝成本，進行衍生式設計分析，設置限制條件范圍，利用計算機衍生式計算得到最優解范圍，選取適合本工程的堆放區域。由于鋼結構吊裝設計重型車輛壓過地下室頂板，總承包管理人員需要對行駛路徑進行安全復核，管控地下室裂縫在允許范圍。分析人員安全施工、物料配給方案、道路擁堵等，不斷進行動態調整，采取糾偏措施，形成可信的工程數據。通過空間與時間上的相互配合，降低整個項目成本。

建設工程管理是非常龐大而復雜的工作，需要全面而綜合地考量與分析各種相關因素對工程項目推進的影響。本工程利用數據模型的擬合計算，理論結合實踐，實現了工作空間最佳化配置、道路規劃及資源配備合理等方面的探索應用。利用BIM軟件進行論證與實踐，綜合解決空間配置與安全問題。隨著軟件技術的進步，今后還需要嘗試采用更多的分析軟件，進行更加全面、綜合的論證分析及實踐經驗的總結，提高建筑施工行業的理論分析能力，實現建筑工業化。