BIM技術在超高層扭曲螺旋玻璃幕墻項目中的應用
——以汕頭風塔項目為例

陳富鵬

（中建二局裝飾工程有限公司，廣東 深圳 518118）

1 引言

異形的大型公共建筑，均采用多曲面、大跨度、復雜空間的鋼結構及幕墻結構，施工技術人員必須通過優化或者融合現有的施工技術進行二次創新，才能滿足這日益變化的造型趨勢。現如今，BIM 施工技術的逐漸成熟為新型智能化施工技術帶來無限可能。

2 工程概況

南岸風塔位于廣東省汕頭市濠江區南濱路。風塔建筑面積248 m2，建筑高度60.1 m。主要結構類型為鋼結構與混凝土混合結構。主體結構設計使用年限100 a，鋼結構設計使用年限50 a，幕墻設計使用年限25 a，抗震設防8 度。建筑類別3類，耐火等級一級，屋面防水等級為I 級。

南塔4 個立面均為螺旋扭曲面，平面尺寸為13.00 m×13.00 m，建筑幕墻高度為64.30 m，標準層高3.1 m，每層逆時針旋轉4.5°。建筑外立面幕墻為豎明橫隱玻璃幕墻，包含玻璃幕墻、百葉，幕墻面積約3 200 m2（見圖1）。

圖1 南岸風塔幕墻效果圖

南岸風塔主龍骨材料規格為120 mm×80 mm×5 mm 鋼方管，平面龍骨材料規格為80 mm×80 mm×6 mm 鋼方管，次龍骨規格為80 mm×80 mm×4 mm 鋼方管，單根主龍骨3.1 m，表面進行氟碳噴涂防腐處理，幕墻板塊尺寸由兩塊三角、兩塊平行四邊形玻璃組成1 626 mm×1 550 mm 幕墻單元塊。玻璃為6+1.52PVB+6 鋼化夾膠玻璃。

3 施工工藝流程及重難點解析

結合工程重難點，采取異形扭曲螺旋上升玻璃幕墻有理化建模，BIM 操作步驟如下：采取BIM 的施工模擬—虛擬建造；采取BIM 輔助現場進行碰撞分析；BIM 技術輔助現場施工[1]。

正常施工流程：

測量放線—龍骨安裝—龍骨滿焊—氟碳噴涂—玻璃底座安裝—玻璃安裝—通常壓塊安裝—玻璃扣蓋安裝—玻璃打膠。

采用BIM 后的施工流程：

BIM 建模—施工演示—BIM 問題解決—現場所需施工數據導出—測量放線—龍骨安裝—龍骨滿焊—氟碳噴涂—玻璃底座安裝—玻璃安裝—通常壓塊安裝—玻璃扣蓋安裝—玻璃打膠。

3.1 異形扭曲螺旋上升玻璃幕墻有理化建模

根據最終施工圖以及實際地理位置，將模型與地理位置相結合，通過Rhino 軟件將模型完整地展示于眼前，并通過初步有理化建模，找尋設計不合理之處，并及時與設計者溝通，將較大的不符合現實的施工問題進行調整并針對現場實際情況做出合理改變[2]。以汕頭風塔為例。初步設計時，整體南岸風塔于12.4 m 以下存在一個附屬鋼結構及幕墻構件，通過使用Rhino軟件將模型與地形進行1∶100 的有理化建模，搭設完成后發現南岸風塔部分附屬結構會占用海堤，經多次討論分析，最終決定在保證風塔結構安全及整體景觀的基礎上，對南岸風塔部分附屬結構及幕墻構件進行設計更改。

3.2 采取BIM的施工模擬——虛擬建造

通過使用Rhino 軟件將南岸風塔進行施工模擬，并根據施工模擬情況合理進行施工部署。針對重點分項進行精細建模。通過使用Rhino 軟件實現對整個施工過程的精確把控，并對現實中無法提前預知的問題進行預判，提前想好最優的解決對策。

根據現場的材料堆放情況預設材料進場計劃。并通過實際工期節點設定每日工作量，根據工作量召集其所對應的施工隊伍，從而得到更為詳細、精準的施工計劃。

材料進場及運輸計劃：南塔玻璃共3 200 m2，根據施工場地存放能力，施工安裝時間，計劃每5 層一個批次下單、進場。本工程玻璃分格小，施工區域高，通過地面人員用掛籠運輸，掛籠外側設置1 根纜風繩，纜風繩系在掛籠下邊左右角鋼內。1 名纜風繩控制人員與卷揚機上升速度配合牽引，防止碰撞鋼結構，將掛籠運送至永久平臺處，平臺內兩名作業人員將玻璃搬運至平臺內儲存，為提高工效，充分利用鋼構平臺，將玻璃提前吊運至每4 層鋼構中的永久平臺。安裝時，由平臺上兩名作業人員用安全繩配滑輪輔助吊籃平臺作業人員安裝，上下各覆蓋兩層。

通過Rhino 軟件模擬設備使用情況，提前編排并通知安排大型設備進場，將所需資料提前報驗，減少因設備不到位而導致施工進度滯后的問題。將南岸風塔整體分為4 個階段，每個階段分別使用不同的機械進行作業。通過預先的模擬設備使用情況來證實內心的猜想是否可達成施工目標。

3.3 BIM的施工模擬——施工措施部署

南岸風塔為異形扭曲螺旋玻璃幕墻，施工難度之大。通過多次認證發現，搭設腳手架的時間成本及經濟成本過于巨大，進而選擇使用吊籃作為主要施工設備。并通過Rhino 軟件進行吊籃使用的演示，從而找尋更為適合本項目的施工方法。

本項目因存在較大的扭曲角度，南塔結構中間突起部分使得吊籃無法正常垂直運行，因此，需通過外部措施對吊籃進行角度調整。使其可以滿足施工需求。

通過多次的頭腦風暴、軟件模擬及其他類似項目施工措施參考借鑒，最終確定了如下吊籃施工方法：南塔外立面呈扭曲狀，南塔頂部四面分別布置3 臺吊籃，共計布置12 臺吊籃（見圖2），將吊籃主體與副臂運用抱箍的形式與鋼結構相連接。將整體幕墻施工面分為3 段進行施工，當吊籃位于第一段時，副臂安裝在第一段的頂部，運用副臂進出前后關系控制吊籃始終平行于幕墻施工面，并使吊籃與幕墻施工面的距離始終保持一定值。當第一段施工完成后將副臂移動至第二段頂部繼續進行施工，當第二段施工完畢后即可將副臂拆除，僅使用吊籃單獨上下運行即可。待所有施工已完成后，進行吊籃拆除工作。

圖2 吊籃施工BIM軟件模擬圖

3.4 BIM軟件——碰撞分析

將扭曲螺旋上升玻璃幕墻進行精準建模，并采用BIM 對其材料、造型、尺寸等進行合理優化。

原設計中：A 區4 個立面在水平方向按8 等分均分。對于B 區玻璃，面板在A 區8 等分的基礎上繼續增加了一個豎向分縫，即增加了一個豎向立柱分格。如立柱為直線安裝，將對原每層標準單元內的4 個三角面的折角做出拉直調整，使得原4 個三角面玻璃均變成非共面面板。因此，在面板細分的過程中若有四邊形，即存在非共面的四邊形。因此，需對此非共面的四邊形進行模擬分析。在B 區面板分格細分的過程中，抬高了右側點位（為了適應增加的拉直的龍骨）進而形成了不共面的四邊形。此四邊形主要位于在外立面20～46 m 區間的B區，所形成翹角高約15 mm（見圖3）。

圖3 翹角示意圖（單位：mm）

為消除因非平面四邊形的影響，采用BIM 軟件對外立面玻璃分格進行調整。通過多次比對發現，調整玻璃分格后與原效果差距較大，因此，無法通過調整分格的形式解決翹角問題。

利用BIM 技術的優勢以及在不改變玻璃幕墻外觀的情況下，通過調整立柱、橫梁以及玻璃面材的施工順序，解決了雙扭曲螺旋式玻璃幕墻在施工時，局部玻璃面材的豎向分格縫位置處在兩條轉折線之間、龍骨向外突出，玻璃面材安裝到此位置時會出現翹角的問題。

具體操作辦法如下：利用BIM 多次模擬建模，最終決定在不改變外觀分格的前提下，調整施工順序。按序號順序安裝立柱1，橫梁2 后，下一步先裝斜向橫梁3（見圖4），自然形成4 個大的三角形平板面，同A 區域做法，隨之安裝剩余的豎向及斜向，也即中間的豎向立柱改為次梁做法。在三角形平板面ABC 內去增加分縫，形成的三角形或四邊形均為平板面，不存在翹曲效果。

圖4 龍骨安裝示意圖

結果影響：（1）為吻合立柱固定玻璃，鋁型材底座及裝飾蓋會沿著玻璃面在兩面夾角位置斷開。（2）如裝飾立柱3.1 m層間內為直線，將在3 個折角位置形成9 mm 寬縫隙。

3.5 利用BIM技術優化扭轉立柱錯位現象

因豎向龍骨于層高內是直線分布的，但經過BIM 測試，在立柱連接處，經分析存在一定程度的錯位，如按照原方案施工，會導致立柱之間無法銜接。經項目部多次討論分析得出，需將上側的豎向龍骨于底部進行端板加小插芯的連接方式和下發進行連接，下側立柱上端仍采取原伸縮縫焊接做法進行焊接，此法可在不改變外觀要求的前提下進行立柱焊接作業。

3.6 利用BIM技術優化幕墻測量放線技術

一般測量放線是將BIM 導出的放線點位通過全站儀進行各個點位測量放線，再進行點位鋼架安裝。但由于該項目環境特殊，一面臨江，該面無法進行測量，并且該項目是扭曲螺旋式玻璃幕墻，若需將所有全站儀點位測量放線至塔身上，全站儀需多次轉換點位，此施工方法既無法滿足工期又會導致大量的成本支出。

因此，專門設計扭曲螺旋式玻璃幕墻精度控制施工技術——投影放線法。先將每層的標高通過已知的1 m 標高線全部都投放在混凝土塔身上，確定每層標高線。將每一層的大陽角與兩陽角之間的中點位置作為重點控制點，將每層的大陽角的數據點位與兩陽角中點的數據點位在BIM 中進行數據導出。測量放線時，輸入點位數據時暫時先不考慮該坐標點位的高度，只考慮該坐標點位的橫軸與縱軸數據，運用全站儀將該點位放樣至地面上，再通過使用鉛垂儀進行紅外線激光引點至每層標高位置處，再按照點位進行點位鋼架安裝。

4 結語

該項目通過在開工前期模擬施工流程，提前預知了如玻璃翹角、立柱錯位和幕墻吊籃措施無法正常運行等問題，于項目初期就對已發現的問題提出相關解決方案并合理解決，將問題解決于搖籃中，極大地提高了扭曲螺旋玻璃幕墻的整體施工速率，最大限度地保證了工程的施工進度、質量及安全。