BIM技術在世界杯主場館幕墻連接件施工定位中的應用

丁瑞

（中國鐵建國際集團有限公司，北京 100039）

1 引言

長期以來，幕墻系統的施工定位一直是大型體育場館建設的重難點[1]。世界杯體育場往往規模巨大、造型多變、結構復雜，幕墻體系的施工定位難度遠高于普通房建類項目[2]。在實際施工中，雖然能通過可調裝置彌補部分施工誤差，但仍經常由于幕墻連接件的施工偏差導致幕墻無法安裝的情況出現，因此，幕墻連接件的施工定位精度將直接決定整個幕墻體系的施工質量[3]。目前，依靠傳統的方式已經很難滿足大型體育場對幕墻連接件施工定位質量和效率的需求，而BIM 的發展為解決該難題提供了新的技術方案[4]。在世界杯體育場方面，由于我國還從未舉辦過世界杯，也從未有企業以總承包身份在海外完成過世界杯體育場館的建設，因此，我國目前對該領域的研究仍舊較為缺乏。

2 項目簡介

盧賽爾體育場位于卡塔爾首都多哈，是2022 年世界杯開閉幕式和決賽主場館。項目占地面積1×106m2，建筑面積1.8×105m2，觀眾容量92 500 人，由中國企業采用設計施工總承包模式承建，合同總額50 億元。該項目已成為中國企業在世界杯頂級體育場館建設領域打破西方壟斷的代表性工程，是中國企業首次承建的世界杯主場館，也是中國在海外承建的規模最大的專業足球場，為卡塔爾國家“1 號工程”。

3 幕墻系統與連接件結構體系分析

3.1 幕墻系統結構體系

本項目選用三角形單元鋁板幕墻結構體系，施工時首先在地面將單塊小三角幕墻拼接為大三角幕墻單元，再利用舉升車或履帶吊進行吊裝就位后與幕墻連接件進行螺栓固定。幕墻連接件的內側與體育場主體鋼結構焊接，外側采用螺栓連接相鄰的兩個幕墻單元。幕墻結構體系如圖1 所示。

圖1 盧賽爾體育場幕墻結構體系圖

3.2 幕墻連接件結構體系

本項目幕墻連接件主要由H 形公件、L 形母件、公件柱狀節點夾板、連接螺栓和墊片等構成，單個連接件質量達200～300 kg，結構體系如圖2 所示。

圖2 幕墻連接件結構體系

整個體育場的幕墻連接件共4 031 個，其中，上部受壓環梁處1 055 個，V 形鋼結構柱處624 個，V 柱間圓管桁架處2 352個。通過H 形公件上4 個擴大的螺栓孔，可對幕墻施工誤差在三維方向上進行60 mm 的任意調節，進而解決幕墻在加工和安裝過程中的偏差。幕墻單元在吊裝前，需首先將H 形公件焊接在體育場主體鋼結構上，將L 形母件預裝在幕墻單元框架上。由于體育場最高點達到74 m，實際施工中，H 形公件的高空施工定位成為一大難點，如果定位誤差超過幕墻連接件可調節的范圍，則將導致幕墻無法安裝。

4 幕墻連接件BIM 模型的建立

4.1 BIM 應用模式

本項目投入BIM 資金近1 億元，實現了100%正向設計，制定了明確的建模標準，由473 個分專業模型進行出圖、計量以及設計成果的交付和審查。在應用階段方面，涵蓋了規劃設計階段、施工建設階段、賽時運營階段、賽后改建和運維階段的項目全生命周期。在軟件平臺方面，本項目的BIM 軟件超過30 種，涵蓋國際主流建模軟件、專業分析軟件和BIM 平臺等。主要選用Autodesk 系列產品，標準建模軟件為Revit，鋼結構初始建模軟件為Midas 和Tekla。

4.2 BIM 模型坐標體系

創建各專業子模型前，指定統一的Revit 測量點和項目基準點。確定項目基準點為足球場中心，項目北與正北方向的夾角為77.997°，球場中心坐標為（227 613 003.0，407 486 601.3，5 000.0），單位為mm。

4.3 建模與格式轉化

利用鋼結構建模軟件Tekla 在統一坐標系中建立所有H形公件的BIM 模型，并分別導出為CAD 的.DWG 格式與Revit 的.RVT 格式的模型，再利用Revit 將.RVT 格式的模型轉化為.NWC 格式。由于體育場主體鋼結構與幕墻連接件接觸位置的結構形式各不相同，因此，L 形公件內側與主體鋼結構的連接方式會有所差異，當與圓管桁架連接時需增加抱箍結構。整個體育場H 形公件的模型如圖3 所示。

圖3 H 形公件BIM 模型

5 幕墻連接件施工坐標確定方法

5.1 主要流程

利用Autodesk CAD 在H 形公件的模型中繪制參照平面，輔助確定L 形公件高空焊接定位控制點的坐標。利用Navisworks 將.NWC 格式L 形公件的模型與帶有參照平面的.DWG 格式的模型進行附加，利用Navisworks 的插件Point Layout 放置并導出Excel 格式的定位控制點的準確坐標。最后，再利用全站儀將控制點的坐標進行測設，完成L 形公件的高空焊接。

5.2 參照平面的繪制

根據H 形公件與體育場主體結構不同的連接方式，確定V 柱處H 形公件的定位控制點為底部最外側4 個點，其他位置公件的定位控制點主要為翼板底部外側中心位置的2 個點。在繪制V 柱處H 形公件的參照平面時，以翼板底部最外側4 點為頂點，在CAD 中繪制矩形線框；在繪制其他位置H形公件的參照平面時，以翼板底部外側中心位置為頂點，在CAD 中繪制直線。之后，再利用拉伸功能將矩形線框或直線沿平行于翼板方向拉伸1 000 mm，此時拉伸后的矩形線框與V 柱的交點和直線與圓管桁架的交點即為施工控制點。繪制后的參照平面（深色部分）如圖4 所示。

圖4 參照平面繪制圖

5.3 定位控制點的放置與導出

在利用Point Layout 放置坐標點時，需要首先與現場施工人員確定控制點的具體位置，此控制點將作為現場安裝時全站儀的測設點，用來決定H 形公件的準確位置。放置點時，需準確選取參照平面與構件的相交處或構件的邊緣位置，并對坐標點按順序進行編號，避免錯亂。以V 柱間圓管桁架處為例，如H 形公件與圓管桁架形成偏心，則需在H 形公件的抱箍件放置4 個坐標點進行定位，為了保證公件不產生繞軸轉動，公件翼板上下兩端再放置2 個坐標點；如果H 形公件與圓管桁架無偏心，則公件底部只需放置2 個坐標點即可，并且只在翼板上端放置1 個坐標點，即可保證公件不產生繞軸轉動。放置后的坐標點（黑色）如圖5 所示。

圖5 坐標點放置示意圖

所有坐標點放置完成后，將坐標導出為Excel 格式。現場測量人員根據坐標值對控制點進行測設，完成H 形公件的高空焊接定位。部分控制點的坐標值見表1。

表1 控制點坐標示例列表 m

6 結語

論文基于盧賽爾體育場的實際案例，建立了1 套利用BIM 技術進行幕墻連接件施工定位的方法與流程，并在應用中進行了修正與檢驗。與傳統方式相比，該方法不僅可大大提高幕墻連接件的施工定位精度，更可以節約成本和提高施工效率。一方面有力保障了盧賽爾體育場項目的順利實施，另一方面更為今后同類項目的建設積累了寶貴經驗。