李倩倩，欒 光，吳 迪，焦金松，蔣東艷

(中建六局建設(shè)發(fā)展有限公司 天津300451)

0 引 言

近幾年，BIM 技術(shù)在建筑業(yè)中應(yīng)用越來(lái)越多，很多的施工難題通過(guò)BIM技術(shù)得以解決。BIM技術(shù)輔助滑動(dòng)式開(kāi)閉合采光屋頂施工是某風(fēng)洞試驗(yàn)項(xiàng)目BIM 技術(shù)落地的真實(shí)應(yīng)用案例。由于滑動(dòng)天窗的行走裝置采用了多種機(jī)械傳動(dòng)與控制技術(shù)，對(duì)于施工人員對(duì)建筑、結(jié)構(gòu)、機(jī)械、自動(dòng)化控制等領(lǐng)域的知識(shí)掌握也提出了更高的要求。在此背景下，采用 BIM 技術(shù)對(duì)此立項(xiàng)進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)，經(jīng)過(guò)工程實(shí)踐，成功解決了以上施工技術(shù)難題。

1 工程簡(jiǎn)介

工程項(xiàng)目位于天津東麗區(qū)，建筑面積 38418m2，為國(guó)內(nèi)在建的最大實(shí)車風(fēng)洞試驗(yàn)室，內(nèi)部設(shè)有氣動(dòng)聲學(xué)風(fēng)洞(AAWT)和環(huán)境風(fēng)洞(CWT)，開(kāi)合天窗施工復(fù)雜，屋頂遮蓋洞口面積為624.25m2，在狹窄的空間內(nèi)集合了多種設(shè)備，涉及鋼結(jié)構(gòu)施工、玻璃施工、開(kāi)閉頂設(shè)備安裝等多道工序，安裝完畢后，可根據(jù)使用功能要求實(shí)現(xiàn)全部閉合或開(kāi)啟。屋頂結(jié)構(gòu)采用主鋼梁+玻璃龍骨的結(jié)構(gòu)形式(圖1)，采用兩根軌道及專用行走臺(tái)車系統(tǒng)和量測(cè)同步驅(qū)動(dòng)的原理，由驅(qū)動(dòng)裝置輸送動(dòng)力給齒條，實(shí)現(xiàn)屋頂?shù)拈_(kāi)啟和關(guān)閉(圖2)。

圖1 開(kāi)合屋蓋安裝總示意圖Fig.1 General installation diagram of movable roof

圖2 開(kāi)合屋蓋完成效果Fig.2 Finished rendering of movable roof

2 BIM在深化設(shè)計(jì)階段的應(yīng)用

2.1 預(yù)埋件深化設(shè)計(jì)

在主體結(jié)構(gòu)施工前，使用Autodesk Revit軟件對(duì)天窗系統(tǒng)預(yù)埋件進(jìn)行建模(圖3)，依據(jù)預(yù)埋件設(shè)計(jì)圖紙建立對(duì)應(yīng) 1∶1尺寸預(yù)埋件三維模型，確定天窗系統(tǒng)預(yù)埋件的位置，在主體項(xiàng)目模型中對(duì)預(yù)埋件局部區(qū)域進(jìn)行模擬預(yù)埋，提前將預(yù)埋過(guò)程中可能出現(xiàn)的定位、碰撞、偏移等情況進(jìn)行分析處理，導(dǎo)出深化后的CAD圖紙，減少環(huán)境對(duì)預(yù)埋過(guò)程產(chǎn)生的影響，確保預(yù)埋件尺寸標(biāo)準(zhǔn)、定位精準(zhǔn)。

圖3 預(yù)埋件族Fig.3 Family of embedded parts

2.2 鋼龍骨二次深化設(shè)計(jì)

鋼結(jié)構(gòu)主梁長(zhǎng)度分別為 22.7、27.9m，不便于運(yùn)輸及安裝，運(yùn)用BIM技術(shù)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析，確保結(jié)構(gòu)受力穩(wěn)定的同時(shí)，選擇最簡(jiǎn)便的方式安裝。通過(guò)計(jì)算決定取消復(fù)雜的胎架支撐，選擇使用自主設(shè)計(jì)的臨時(shí)支撐進(jìn)行安裝，完成主梁800mm×400mm的拼接，為了防止主梁在焊接完成前產(chǎn)生不必要的變形，需及時(shí)加裝臨時(shí)支撐，臨時(shí)支撐方式如圖4所示，每根主梁安裝2個(gè)臨時(shí)支撐(方管)。

圖4 主梁臨時(shí)支撐示意圖Fig.4 Schematic diagram of temporary support for main beam

在鋼龍骨加工制作前，對(duì)已建主體結(jié)構(gòu)的預(yù)埋件位置進(jìn)行復(fù)測(cè)，復(fù)核完成后，通過(guò)BIM技術(shù)合理排布龍骨、圍板與驅(qū)動(dòng)設(shè)備，包括主梁的組裝方式、焊接位置、與玻璃組合的分割排版，不僅消除構(gòu)件之間的碰撞，同時(shí)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)區(qū)域進(jìn)行合理劃分，并確定龍骨的尺寸、編號(hào)、定位標(biāo)高等信息。設(shè)計(jì)完成后導(dǎo)出鋼構(gòu)件加工尺寸圖紙，發(fā)送給專業(yè)加工廠，根據(jù)鋼構(gòu)件的尺寸進(jìn)行加工，省去現(xiàn)場(chǎng)加工的施工工序，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境起到了保護(hù)作用。

加工完成后，進(jìn)行二維碼(圖5)編號(hào)粘貼工作，將各構(gòu)件的專屬二維碼粘貼到構(gòu)件表面醒目的位置上，便于施工人員查找掃碼。運(yùn)輸?shù)绞┕がF(xiàn)場(chǎng)后，現(xiàn)場(chǎng)施工人員可掃描構(gòu)件的二維碼信息來(lái)提取鋼構(gòu)件的尺寸大小、安裝位置、固定方式、可視化交底等信息，達(dá)到精準(zhǔn)安裝的目的，如表1所示。

在保證所有鋼構(gòu)件安裝精度的同時(shí)生成工程量明細(xì)表，供材料部門作為進(jìn)貨參考，工程量與商務(wù)結(jié)算量?jī)H差 1%。工程量明細(xì)表及尺寸信息如圖6所示。

2.3 玻璃二次深化設(shè)計(jì)

利用 BIM 技術(shù)在玻璃安裝前進(jìn)行分割排版，將原施工方案不同尺寸的玻璃優(yōu)化為統(tǒng)一尺寸的玻璃，如圖7所示。組織施工單位、設(shè)計(jì)院、建設(shè)方、分包方共同商議排版的合理性，將 Revit模型展示給各方直觀瀏覽，對(duì)玻璃分割進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化排版，多方協(xié)商共同給出調(diào)整意見(jiàn)，依據(jù)調(diào)整意見(jiàn)形成排版圖，并導(dǎo)出深化后的排版圖。排版圖需經(jīng)設(shè)計(jì)方確認(rèn)及建設(shè)單位同意后，發(fā)送給專業(yè)加工廠，根據(jù)每塊玻璃的尺寸進(jìn)行加工。利用 BIM 技術(shù)進(jìn)行玻璃分割排版不僅提高了排版效果，同時(shí)降低了施工難度和工程造價(jià)。

表1 鋼構(gòu)件信息表Tab.1 Steel member information

圖5 二維碼信息Fig.5 QR code information

圖6 工程量明細(xì)表及尺寸信息Fig.6 Engineering quantity list and dimension information

玻璃加工完成后運(yùn)輸?shù)绞┕がF(xiàn)場(chǎng)，施工人員按照安裝的順序合理安排堆放場(chǎng)地，在做好邊角保護(hù)措施的同時(shí)注意適當(dāng)傾斜，以防止玻璃傾覆。

對(duì)排版后的玻璃進(jìn)行初安裝，安裝時(shí)每組 5～6人，安裝步驟如下：確認(rèn)玻璃信息；倒運(yùn)玻璃；調(diào)整方向；將玻璃運(yùn)至安裝位；清洗玻璃；將玻璃安裝至指定位置；膠縫施工；玻璃初裝完成后即進(jìn)行板塊的調(diào)整，使其平整度、垂直度、誤差在允許的范圍內(nèi)。室外調(diào)整完后還要進(jìn)行室內(nèi)的檢查，使各處尺寸達(dá)到設(shè)計(jì)要求。在玻璃調(diào)整完成后，將橡膠墊塊塞于框兩側(cè)，然后固定玻璃，保證玻璃不出現(xiàn)松動(dòng)現(xiàn)象(圖8)。

打膠前充分清潔間隙，不應(yīng)有油漬、水、灰塵等，同時(shí)在縫兩側(cè)貼保護(hù)紙，在粘結(jié)面干燥的情況下進(jìn)行打膠，然后將膠縫表面抹平，去掉多余的膠并將保護(hù)紙撕掉(圖8)。

圖7 玻璃排版圖Fig.7 Layout diagram of glass

圖8 玻璃安裝剖面圖Fig.8 Profile of glass installation

3 設(shè)備模型及構(gòu)件族庫(kù)的建立

項(xiàng)目根據(jù)開(kāi)閉屋頂模擬建造的實(shí)際需求，建立了多套高精度模型，采用Autodesk Revit結(jié)合平面施工圖紙進(jìn)行三維建模，采用 SolidWorks軟件對(duì)驅(qū)動(dòng)設(shè)備進(jìn)行精細(xì)化建模，并生成預(yù)制加工圖紙及構(gòu)件明細(xì)表(表2)。

在此次項(xiàng)目工作中不斷創(chuàng)建和收集各類 BIM族，整理形成了一整套天窗系統(tǒng) BIM 技術(shù)應(yīng)用相關(guān)綜合資源庫(kù)。資源庫(kù)包含設(shè)備類型多、模型精度高，項(xiàng)目 BIM 成員不間斷地完善和更新資源庫(kù)中的模型，并將資源庫(kù)報(bào)送給公司，公司審核后將BIM族庫(kù)面向全項(xiàng)目進(jìn)行分享推廣(圖9)。

表2 驅(qū)動(dòng)底座信息表Tab.2 Information table drive base

圖9 開(kāi)閉屋頂構(gòu)件庫(kù)Fig.9 Movable roof component library

4 設(shè)備安裝的可視化模擬

在施工中應(yīng)遵循先安裝軌道后鋼結(jié)構(gòu)，玻璃與設(shè)備同時(shí)安裝，最后鋁板安裝并調(diào)試的施工原則，充分使用 BIM 三維可視化技術(shù)輔助整體工程有序施工，要做好各工序之間的銜接及穿插工作。采用可視化模擬技術(shù)用以指導(dǎo)施工，不僅提高管理人員對(duì)施工過(guò)程的控制能力，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了建筑項(xiàng)目的精細(xì)化建造，尤其對(duì)各設(shè)備間配合聯(lián)動(dòng)的工程難點(diǎn)提供了有效的技術(shù)支持。

根據(jù)施工圖紙對(duì)各個(gè)設(shè)備進(jìn)行建模，對(duì)開(kāi)閉合屋頂進(jìn)行整體施工動(dòng)態(tài)模擬，對(duì)設(shè)備體系進(jìn)行合理劃分，對(duì)本工程的施工方案進(jìn)行真實(shí)模擬，對(duì)關(guān)鍵施工技術(shù)及難以理解的施工過(guò)程，利用 Autodesk 3dmax和 Navisworks軟件進(jìn)行三維模擬施工，從中找出工藝及質(zhì)量控制要點(diǎn)中的不足，及時(shí)對(duì)其進(jìn)行修改。編制基于 BIM 技術(shù)的施工專項(xiàng)方案，對(duì)施工人員進(jìn)行可視化方案交底，確定各設(shè)備的安裝順序及對(duì)施工重點(diǎn)、難點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明，確保設(shè)計(jì)與施工位置一致，提高施工進(jìn)度和質(zhì)量(圖10—圖12)。

圖10 驅(qū)動(dòng)設(shè)備構(gòu)造示意圖Fig.10 Schematic diagram of drive equipment

圖11 齒條梁示意圖Fig.11 Schematic diagram of rack beam

圖12 車檔安裝位置圖Fig.12 Gear installation location diagram

5 三維掃描預(yù)拼裝

針對(duì)本項(xiàng)目開(kāi)閉屋頂系統(tǒng)包含軌道安裝，被動(dòng)輪箱安裝，驅(qū)動(dòng)設(shè)備安裝，車擋撞塊安裝，齒條梁安裝，電氣系統(tǒng)安裝，機(jī)械、電氣系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)試等多道工序，且設(shè)備構(gòu)造復(fù)雜，各構(gòu)件精密配合度要求高，施工難度大，決定采用三維掃描技術(shù)指導(dǎo)施工。第一步先對(duì)施工場(chǎng)地和拼裝設(shè)備進(jìn)行三維掃描，并將生成點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入到電腦里，進(jìn)行預(yù)拼裝。預(yù)拼裝完成后與之前在 Autodesk Revit創(chuàng)建的全三維仿真模型進(jìn)行比對(duì)，核對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的安裝誤差，及時(shí)采取相應(yīng)的糾正措施，使各設(shè)備在安裝時(shí) X、Y、Z單個(gè)方向上的誤差在±2mm 以內(nèi)。安裝完成后，對(duì)設(shè)備裝置的位置進(jìn)行復(fù)測(cè)，設(shè)備的精平和幾何精度經(jīng)檢驗(yàn)合格。聯(lián)合調(diào)試運(yùn)行過(guò)程中，各轉(zhuǎn)動(dòng)和移動(dòng)部分運(yùn)行靈活，均無(wú)卡滯現(xiàn)象，順利完成了設(shè)備節(jié)點(diǎn)的安裝。

6 綜合效益

6.1 經(jīng)濟(jì)效益

滑動(dòng)式采光天窗相比傳統(tǒng)的采光屋頂，鋼結(jié)構(gòu)和玻璃可提前在工廠加工，在結(jié)構(gòu)達(dá)到強(qiáng)度后即可運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)安裝。采用 BIM 技術(shù)排版及精準(zhǔn)下料，減少返工，不需要在施工現(xiàn)場(chǎng)加工，減少揚(yáng)塵，降低成本約61150元。

6.2 社會(huì)效益

滑動(dòng)式采光天窗作為一種較為新穎的建筑形式，也是本公司首例實(shí)施項(xiàng)目，它打破了傳統(tǒng)室內(nèi)空間與室外空間的界限，可以根據(jù)天氣情況與使用功能在室內(nèi)環(huán)境與室外環(huán)境之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換，很好地滿足了全天候的使用要求，而且由于采光性能非常好，對(duì)于建筑節(jié)能減排方面產(chǎn)生良好的社會(huì)效益。同時(shí)采用的鋼化中空夾膠玻璃，可以隔離超過(guò) 30dB的噪聲，營(yíng)造良好的辦公環(huán)境。另外運(yùn)用 BIM 技術(shù)助推技術(shù)發(fā)展，提升精細(xì)化管理水平，為公司企業(yè)的科技發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，切實(shí)提高了施工企業(yè)技術(shù)水平和科技形象。

7 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)某風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目施工，總結(jié)了整套開(kāi)閉屋頂?shù)?BIM 技術(shù)，得到結(jié)論如下：①將 BIM 排版技術(shù)運(yùn)用到鋼構(gòu)件及玻璃的分割排版上，模型的排版圖在經(jīng)設(shè)計(jì)和技術(shù)負(fù)責(zé)人審核通過(guò)后導(dǎo)出，以三維可視化的 REVIT模型為載體，在明細(xì)表中提取鋼構(gòu)件及玻璃的規(guī)格等信息生成料單，不僅減少了工程量計(jì)算的時(shí)間，同時(shí)節(jié)約了施工材料。②針對(duì)該項(xiàng)目工程設(shè)備系統(tǒng)，本文采用了一種參數(shù)化建模的方法，不僅提高了各設(shè)備的安裝精度，同時(shí)提高了工作效率。③三維掃描技術(shù)的應(yīng)用將施工現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)可處理的數(shù)字點(diǎn)云模型，將Autodesk Revit模型與點(diǎn)云模型進(jìn)行三維比對(duì)，并生成檢測(cè)報(bào)告，用以調(diào)整設(shè)備模型安裝出現(xiàn)的偏差，能夠精準(zhǔn)還原施工現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際尺寸，嚴(yán)格控制現(xiàn)場(chǎng)的完成面位置與模型中的位置一致，保障了工程質(zhì)量和安裝精度要求。