鄒欣韜 華兵兵 張漢泉

(1.中建海峽建設發(fā)展有限公司 福建福州 350015; 2.中國建筑裝飾集團有限公司 安徽合肥 230011)

0 引言

近年來，伴隨著建筑業(yè)快速不斷地發(fā)展，越來越多的新材料、新工藝、新技術涌入到建筑和設計行業(yè)。傳統的施工方法已經滿足不了現代化建設的需要，更多科技創(chuàng)新的施工技術也在推動著建筑施工的發(fā)展。文章以福州海峽文化藝術中心曲線展廊無規(guī)則三維曲面骨架為研究對象，通過3D掃描技術、BIM施工技術在項目的實際運用[1-2]，結合機器人放樣技術，提高骨架定位精準度，解決了曲線展廊空間高、跨度大、無規(guī)則曲面骨架施工難題。

1 項目特點及施工難點

福州海峽文化藝術中心曲線展廊是每個場館室內特有的公共空間，該工程曲線展廊主立面由長1800mm，高120mm，厚40mm的實竹方通和鋁板面覆竹皮方通自下而上拼接而成，立面及頂面為同一展開面，面積約為29 000m2，工期緊張。其中5個場館中曲線展廊面積最大的為B館歌劇院，從建筑物的西南方沿伸至東北方周長約190m，其中彎曲的最高點位約26m，如圖1所示。

圖1 曲線展廊實景

曲線展廊主立面采用的是基層骨架+黑色穿孔鋁板及羊毛吸聲絕熱氈+面板調節(jié)件+面板完成整個面板施工流程。面板長度為1800mm，每一根面板由立面底部出風口位置以上開始拼接，面板拼接縱向間距為10mm，橫向間距為30mm。因整個曲線展廊骨架呈無規(guī)則三維曲面，骨架安裝偏差影響面板安裝接縫、平整、不順暢等施工質量問題，所以骨架施工精準度顯得尤為重要。

圖2 曲線展廊不同位置剖切面

無規(guī)則三維曲面骨架是由各剖切面不同弧長及高度組成的三維曲面，如圖2所示。因骨架的剖切面不同弧長及高度不同，傳統CAD施工圖已經遠遠表達不了設計師的要求。而且,施工現場很難找到骨架施工的起始點位，骨架的不同弧度采用現場加工的施工方法，難以控制骨架安裝精準度，所以大大增加骨架施工難度。

2 骨架工藝分析

無規(guī)則三維曲面骨架施工，主要通過3D實景掃描并逆向建模，根據所建立的結構模型與設計的模型碰撞比擬，有助于設計各方達成共識。通過曲線展廊表皮模型施工模擬，對骨架進行深度優(yōu)化，一方面用于工廠對曲面骨架編號、加工，另一方面將骨架優(yōu)化點位的X-Y-Z坐標數據進行分解，憑借機器人放樣技術精確定位墻面豎向豎龍骨、頂面熱鍍鋅方管加固的“抱箍”及轉換層施工坐標，完成墻面豎向主龍骨、“抱箍”點及轉換層施工，實現曲面骨架加工與曲面骨架的基層骨架現場同步生產。結合工廠對曲面骨架加工、編號，通過坐標數據并結合機器人放樣，再次對工廠加工成型的曲面骨架進行定位，采用熱鍍鋅方管吊桿進行調節(jié)、固定，并依次進行安裝,形成無規(guī)則三維曲面，如圖3所示。

1-原建筑鋼結構；2-鋼結構“抱箍”點；3-轉換層；4-鍍鋅方管加固、調節(jié)層；5-無規(guī)則三維曲面骨架；6-墻面豎向主龍骨；7-原建筑墻面；8-面板。圖3 曲線展廊骨架安裝示意圖

3 方案實施

3.1 3D掃描技術運用

技術人員采用3D激光掃描技術(又稱實景復制技術)，通過對施工現場激光掃描測量，獲取施工現場三維坐標數據[3]。在施工現場采集空間點位信息，采集的數據上傳至云端后，云端后臺根據空間數據精確地建立三維影像模型，實現逆向建模還原現場實際結構。

完成逆向建模，技術人員通過Revit軟件再將設計建立模型與實際模型進行對比分析,有助于設計師更好地確立設計方案實施，也將各專業(yè)的隱蔽碰撞通過模型展示出來，碰撞分析更好地將施工現場與設計相沖突的位置能在施工前期與各方達成共識，如圖4所示。

圖4 掃描后逆向建模對比

3.2 骨架模型優(yōu)化

曲線展廊主立面設計師要求采用1800mm長方通面板，在滿足設計師理念下，技術人員憑借Rhion軟件將方通面板分割導入至模型中，實現了無規(guī)則三維曲面空間面板安裝可視化。

根據無規(guī)則三維曲面空間面板安裝可視化，將每塊1800mm長面板分割及組成通過模型展示，技術人員清晰地將面板骨架“勾勒”出來。通過骨架模型與面板模型的施工模擬對比，發(fā)現曲線展廊實際展開面為扇形，技術人員再次將面板模型與骨架模型進行偏差對比，為了提高骨架安裝精準度，技術人員再次對面板模型對骨架進行優(yōu)化。在對曲面骨架進行最終確認后，從不知所措到曲面骨架劃分，已經邁出了很大一步,如圖5所示。

圖5 曲面骨架調節(jié)前后對比

曲面骨架確立完成，技術人員對每根曲面骨架結構進行編號以每根骨架為一個單元，將骨架數據進行分解，這樣“骨架化雙曲為單曲”形式，一方面用于工廠對曲面骨架加工，另一方面將曲面骨架外邊緣點基準點坐標分解，通過機器人放樣技術完成坐標點放樣、定位，并做好編號標記。

因工期緊張，為了進一步加快骨架施工進度，技術人員查詢各種相關資料及文件，對鋼結構安裝骨架荷載進行計算、分析，得到鋼結構實際安裝荷載，技術人員并通過BIM模型模擬計算荷載，并確立“抱箍”點、轉換層施工方案。采用100×50×3mm熱鍍鋅方管加工成“回”字形構件，以“抱箍”的方式固定于原建筑鋼結構上方。每個“抱箍”點位間距3m，通過加工成型的“回”字形構件安裝用于轉換層施工，檢查“抱箍”點及轉換層施工焊接牢固性，并進行焊渣清除，做好防銹處理，如圖6所示。

1-原建筑鋼結構；2-“回”字形抱箍點；3-轉換層；4-鍍鋅方管加固、調節(jié)層；5-40×40×3mm曲面骨架。圖6 “抱箍”點及轉換層安裝示意圖

3.3 豎向主龍骨施工

(1)施工前做好各項技術交底工作，核對施工現場。根據土建、鋼結構等現場實際進度，參照放樣坐標，采用水平紅外線儀器(水平靠尺)，進行豎向主龍骨及墻面預埋件施工。地面埋件施工參照放樣坐標，并預留曲面骨架的施工位置。

(2)預埋件與豎向主龍骨采用熱鍍鋅方管相連接，安裝須與國家現行的有關規(guī)定及設計要求相符，檢查埋件及豎向主龍骨安裝牢固性、準確性等,進行焊渣清除，做好防銹處理。

(3)將一層水平標高，引至墻面豎向主龍骨上端，并檢測水平標高偏差值，作為水平參考線。

3.4 曲面骨架施工

(1)工廠根據每段曲面骨架的半徑、長度等數據進行綜合加工，將每根鋼材進行拉彎、編號。每根鋼材常規(guī)長度為6m，工廠對每段曲面骨架分解、拉彎過程中，出現BIM模型優(yōu)化的加工長度會大于常規(guī)鋼材長度，技術人員根據相接近數據對鋼材進行加工及鋼材備用，或者在數據中出現相鄰骨架半徑值相同及接近的數據進行加工，可以減少鋼材的損耗。

(2)曲面骨架加工材料進場，施工班組參照骨架編號和放樣坐標進行堆放，減少材料二次周轉，便于曲面骨架的安裝。

(3)參照水平標高線，專業(yè)的焊接技術人員會通過測量曲面骨架最低標高點位，通過40mm×40mm×3mm鍍鋅方管作為標記點位，因豎向主龍骨安裝會有一定的偏差，采用鋼絲吊線方法與曲面骨架外邊緣點基準點坐標相結合，控制最低曲面骨架安裝垂直度。通過模型可以發(fā)現面板表皮模型展開面呈扇形，為了保證每塊面板安裝能精準曲面骨架上。技術人員對整個模型展開面進行分析，找到面板安裝中心點，根據模型測量的尺寸，這樣以中心點骨架向兩端定位曲面骨架距離，確保面板安裝的精準度，如圖7所示。

圖7 曲線展廊表皮展開示意圖

(4)曲面骨架安裝過程中，從中心點位兩端骨架逐漸向中心點骨架傾斜呈放射狀，為了控制曲面骨架安裝水平高度，通過Revit軟件將每根曲面骨架坐標進行測量分解，加工曲面骨架連接件，獲取連接件點位坐標值結合機器人放樣精準定位。參照水平標高線，通過采用鋼絲吊線方法(水平紅外線儀器)，對骨架的高度進行復查，確認無誤焊接曲面骨架連接件。并按此方法依次安裝每段曲面骨架，形成無規(guī)則三維曲面造型。

(5)曲面骨架施工完成進行骨架的整體檢查，確保骨架整體牢固性，對焊接點位做防銹處理，完成骨架隱蔽驗收。

4 效益成效

通過對雙曲面骨架施工過程的實踐，從傳統的骨架施工工藝到新科技運用，解決了雙曲面骨架造型定位難、加工周期長等施工問題，其帶來主要效益：

(1)通過3D掃描技術、BIM技術運用于建筑施工，能夠將精細節(jié)點、復雜的曲面展示出來，能夠將施工與設計搭建良好的平臺，確保項目快速的工作流程；

(2)通過BIM技術指導、運用，實現墻面豎向主龍骨、鋼結構“抱箍”點、曲面骨架加工同步生產，縮短生產周期，有效降低施工成本；

(3)通過BIM模型優(yōu)化，對曲面骨架編號、生產，一方面減少鋼材的損耗以及加工曲面骨架能充分利用，另一方面對加工曲面骨架進行編號減少材料二次周轉，大大降低施工成本；

(4)通過機器人放樣技術，使曲面骨架安裝一次成型，減少不必要的返工，提高骨架安裝精準度，提高工程質量。

5 結語

通過3D實景掃描技術+BIM技術+機器人放樣技術，攻克了曲線展廊骨架加工、放樣、定位的施工難題，提高工程質量。新技術的應用幫助項目實現了綠色化生產，不但減少材料的浪費，同時也減少對環(huán)境的污染。促進建筑施工的可持續(xù)發(fā)展，也為類似復雜的曲面骨架施工提供借鑒。