BIM技術(shù)在超高層扭曲螺旋玻璃幕墻項目中的應(yīng)用
——以汕頭風(fēng)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(fù)雜空間的鋼結(jié)構(gòu)及幕墻結(jié)構(gòu)，施工技術(shù)人員必須通過優(yōu)化或者融合現(xiàn)有的施工技術(shù)進(jìn)行二次創(chuàng)新，才能滿足這日益變化的造型趨勢。現(xiàn)如今，BIM 施工技術(shù)的逐漸成熟為新型智能化施工技術(shù)帶來無限可能。

2 工程概況

南岸風(fēng)塔位于廣東省汕頭市濠江區(qū)南濱路。風(fēng)塔建筑面積248 m2，建筑高度60.1 m。主要結(jié)構(gòu)類型為鋼結(jié)構(gòu)與混凝土混合結(jié)構(gòu)。主體結(jié)構(gòu)設(shè)計使用年限100 a，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計使用年限50 a，幕墻設(shè)計使用年限25 a，抗震設(shè)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(biāo)準(zhǔn)層高3.1 m，每層逆時針旋轉(zhuǎn)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(fēng)塔幕墻效果圖

南岸風(fēng)塔主龍骨材料規(guī)格為120 mm×80 mm×5 mm 鋼方管，平面龍骨材料規(guī)格為80 mm×80 mm×6 mm 鋼方管，次龍骨規(guī)格為80 mm×80 mm×4 mm 鋼方管，單根主龍骨3.1 m，表面進(jìn)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(jié)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(xiàn)場進(jìn)行碰撞分析；BIM 技術(shù)輔助現(xiàn)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(xiàn)場所需施工數(shù)據(jù)導(dǎo)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(jù)最終施工圖以及實際地理位置，將模型與地理位置相結(jié)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(shè)計不合理之處，并及時與設(shè)計者溝通，將較大的不符合現(xiàn)實的施工問題進(jìn)行調(diào)整并針對現(xiàn)場實際情況做出合理改變[2]。以汕頭風(fēng)塔為例。初步設(shè)計時，整體南岸風(fēng)塔于12.4 m 以下存在一個附屬鋼結(jié)構(gòu)及幕墻構(gòu)件，通過使用Rhino軟件將模型與地形進(jìn)行1∶100 的有理化建模，搭設(shè)完成后發(fā)現(xiàn)南岸風(fēng)塔部分附屬結(jié)構(gòu)會占用海堤，經(jīng)多次討論分析，最終決定在保證風(fēng)塔結(jié)構(gòu)安全及整體景觀的基礎(chǔ)上，對南岸風(fēng)塔部分附屬結(jié)構(gòu)及幕墻構(gòu)件進(jìn)行設(shè)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(fēng)塔進(jìn)行施工模擬，并根據(jù)施工模擬情況合理進(jìn)行施工部署。針對重點分項進(jìn)行精細(xì)建模。通過使用Rhino 軟件實現(xiàn)對整個施工過程的精確把控，并對現(xiàn)實中無法提前預(yù)知的問題進(jìn)行預(yù)判，提前想好最優(yōu)的解決對策。

根據(jù)現(xiàn)場的材料堆放情況預(yù)設(shè)材料進(jìn)場計劃。并通過實際工期節(jié)點設(shè)定每日工作量，根據(jù)工作量召集其所對應(yīng)的施工隊伍，從而得到更為詳細(xì)、精準(zhǔn)的施工計劃。

材料進(jìn)場及運輸計劃：南塔玻璃共3 200 m2，根據(jù)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(jìn)場。本工程玻璃分格小，施工區(qū)域高，通過地面人員用掛籠運輸，掛籠外側(cè)設(shè)置1 根纜風(fēng)繩，纜風(fēng)繩系在掛籠下邊左右角鋼內(nèi)。1 名纜風(fēng)繩控制人員與卷揚機上升速度配合牽引，防止碰撞鋼結(jié)構(gòu)，將掛籠運送至永久平臺處，平臺內(nèi)兩名作業(yè)人員將玻璃搬運至平臺內(nèi)儲存，為提高工效，充分利用鋼構(gòu)平臺，將玻璃提前吊運至每4 層鋼構(gòu)中的永久平臺。安裝時，由平臺上兩名作業(yè)人員用安全繩配滑輪輔助吊籃平臺作業(yè)人員安裝，上下各覆蓋兩層。

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

3.3 BIM的施工模擬——施工措施部署

南岸風(fēng)塔為異形扭曲螺旋玻璃幕墻，施工難度之大。通過多次認(rèn)證發(fā)現(xiàn)，搭設(shè)腳手架的時間成本及經(jīng)濟(jì)成本過于巨大，進(jìn)而選擇使用吊籃作為主要施工設(shè)備。并通過Rhino 軟件進(jìn)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(jié)構(gòu)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(jìn)行角度調(diào)整。使其可以滿足施工需求。

通過多次的頭腦風(fēng)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(jié)構(gòu)相連接。將整體幕墻施工面分為3 段進(jìn)行施工，當(dāng)?shù)趸@位于第一段時，副臂安裝在第一段的頂部，運用副臂進(jìn)出前后關(guān)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(dāng)?shù)谝欢问┕ね瓿珊髮⒏北垡苿又恋诙雾敳坷^續(xù)進(jìn)行施工，當(dāng)?shù)诙问┕ね戤吅蠹纯蓪⒏北鄄鸪瑑H使用吊籃單獨上下運行即可。待所有施工已完成后，進(jìn)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(jìn)行精準(zhǔn)建模，并采用BIM 對其材料、造型、尺寸等進(jìn)行合理優(yōu)化。

原設(shè)計中：A 區(qū)4 個立面在水平方向按8 等分均分。對于B 區(qū)玻璃，面板在A 區(qū)8 等分的基礎(chǔ)上繼續(xù)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(biāo)準(zhǔn)單元內(nèi)的4 個三角面的折角做出拉直調(diào)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(xì)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(jìn)行模擬分析。在B 區(qū)面板分格細(xì)分的過程中，抬高了右側(cè)點位（為了適應(yīng)增加的拉直的龍骨）進(jìn)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(qū)間的B區(qū)，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(jìn)行調(diào)整。通過多次比對發(fā)現(xiàn)，調(diào)整玻璃分格后與原效果差距較大，因此，無法通過調(diào)整分格的形式解決翹角問題。

利用BIM 技術(shù)的優(yōu)勢以及在不改變玻璃幕墻外觀的情況下，通過調(diào)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(zhuǎn)折線之間、龍骨向外突出，玻璃面材安裝到此位置時會出現(xiàn)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(diào)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(qū)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(nèi)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(jié)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(nèi)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(shù)優(yōu)化扭轉(zhuǎn)立柱錯位現(xiàn)象

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

3.6 利用BIM技術(shù)優(yōu)化幕墻測量放線技術(shù)

一般測量放線是將BIM 導(dǎo)出的放線點位通過全站儀進(jìn)行各個點位測量放線，再進(jìn)行點位鋼架安裝。但由于該項目環(huán)境特殊，一面臨江，該面無法進(jìn)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(zhuǎn)換點位，此施工方法既無法滿足工期又會導(dǎo)致大量的成本支出。

因此，專門設(shè)計扭曲螺旋式玻璃幕墻精度控制施工技術(shù)——投影放線法。先將每層的標(biāo)高通過已知的1 m 標(biāo)高線全部都投放在混凝土塔身上，確定每層標(biāo)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(shù)據(jù)點位與兩陽角中點的數(shù)據(jù)點位在BIM 中進(jìn)行數(shù)據(jù)導(dǎo)出。測量放線時，輸入點位數(shù)據(jù)時暫時先不考慮該坐標(biāo)點位的高度，只考慮該坐標(biāo)點位的橫軸與縱軸數(shù)據(jù)，運用全站儀將該點位放樣至地面上，再通過使用鉛垂儀進(jìn)行紅外線激光引點至每層標(biāo)高位置處，再按照點位進(jìn)行點位鋼架安裝。

4 結(jié)語

該項目通過在開工前期模擬施工流程，提前預(yù)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(fā)現(xiàn)的問題提出相關(guān)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(jìn)度、質(zhì)量及安全。