3D建模辅助非规则弧形结构施工技术

邢司艺

摘 要：球幕影院作为静态影院中最复杂少见的影院形式，目前已日趋普及，辽宁省沈阳市全运文化场馆工程中的省科学技术馆包含了东北最大的球幕影院，在建设过程中，我们针对球幕影院的非规则圆弧结构，着重利用3D建模辅助技术，在底板插筋、钢筋绑扎、墙体模板支设和混凝土浇筑过程中，摸索出了一套新型施工工艺。目前已凭借此项技术作为一项创新项获得了辽宁省科技示范工程。

关键词：3D；非规则；坐标；椭圆；23°

1 工程综述

辽宁省科技馆球幕影院是目前国内最先进的球幕影院之一，其内部均为钢筋混凝土结构，外部由两个不同直径的钢结构球壳网架拼装而成，球幕影院地下部分的弧形墙体一共分为四层，最外边是正圆砌筑墙，相当于整个球幕影院的内部围护结构，也是最外钢球外立面的基座，第二道钢筋混凝土剪力墙体结构也是正圆形，作为小钢球的基座，大球小球之间为观众入场环廊，又称“太空走道”，行走其中，如同漫步太空一般，第三道墙体是一个椭圆筒混凝土墙被一个23°角的平面切割而成，标高圆滑变化由高至低，这圈墙体主要作为球形屏幕生根的基座，他的精度要求是最高的，3D辅助的技术手段也基本都应用到这道墙上，最里侧的第四圈墙体主要是看台的围护结构，由三段非规则的曲线拼接而成，现场定位难度极大。

2 特点分析

非规则弧形结构现场测量放线难度极大，原始点（如圆心、弧顶等）大多情况下会被遮挡，或距离测量位置较远无法引至指定位置。此时采用简单的3D建模来辅助测量及各环节施工具有效率高、化繁为简、数据准确等明显优势。

利用GPS结合3D模型坐标，打点定位墙体钢筋的插筋位置，在精确定位的基础上，满足了施工工序，解决了复杂圆弧结构墙体钢筋无法在已经绑扎的底板钢筋网片上定位的难题。

非规则弧形墙段3D建模配合钢筋、模板放样，提高了钢筋模板尺寸的精确性，同时采用定型模具加工对墙体顶部压光收面，为高精设备安装创造了有利条件，减少了不必要的返工、或二次施工的浪费。

本工艺适用于各类非规则圆弧混凝土结构施工，如大型主题商场、特殊造型游乐及娱乐场所、体育场馆、球形及异形影剧院的内部钢筋混凝土结构施工等等，特别适用于球形银幕整体在斜切面弧形墙体之上生根的影院结构类型。

3 施工工艺流程及操作要点

3.1 工艺流程图解（见图1）

3.2 操作要点

（1）非规则弧形结构施工前最重要的工作就是创建等比例的3D模型，模型主要针对非规则弧形墙柱制作，细部节点可忽略，模型要求必须用正确坐标系的总平面图为绘制底稿，这样模型建成后便可将指定位置的平面坐标应用于前期的测量施工当中。

常规球幕影院以及球形娱乐场所的主要观众区及控制设备区都应该为地下结构部分，且弧形墙体一般可分为3到4层（如图2），最外层（蓝色）一般为用于外立面生根的正圆墙体，墙顶标高相同，大多为不连续弧线段；中间层（红色）一般为用于室内顶棚围护结构以及幕布等特殊结构生根的圆形或椭圆形墙体，墙顶一般为被一定角度的平面所切而成（如图4）；最内层（绿色）墙体一般为看台、观众席结构的维护，大多为不同圆心的弧段拼接而成，墙顶标高随看台踏步变化。如有第四层则在最外侧，为外球的钢结构生根所用。

（2）采用GPS定位插筋位置时，首先要考虑测量环境，避免风速、震动等干扰，在单位弧形段取尽量多的点位，以保证整体弧线准确，被测点位用提前加工好的简易标记工具（可用十字标记的白铁皮等）固定于底板钢筋网片之上，GPS定位结束后，整体采用经纬仪抽测复合。

（3）针对被斜面切割的弧形墙段，可以利用非规则曲面的展开面，来确定平面尺寸，从而对该段墙体的竖向钢筋及模板进行放样，在钢筋绑扎施工作业前，可根据放出的点位，现在底板平面制作弧度控制及竖向钢筋定距框和限位钢筋模具，再进行插筋，同时在模型中引测一定数量（每500～800mm一个）点位测出距地高度，并利用椭圆圆心的十字中轴线，找出引测点在实际中的位置（详见图5），在所有点位制作措施钢筋棍，采用拉通线的方式将实际位置连接，形成10～20cm高差参考线，从而控制钢筋绑扎高度和混凝土浇筑的标高，由于特别是球形银幕的安装需要有精确的底座作为保证，因此该环节的工作显得尤为重要。

（4）模板加工环节首先选取韧性较好的优质木竹胶板，严格按3D模型展开尺寸进行放样裁切，保证分格缝整齐美观（特别针对表面要求清水混凝土效果的弧形墙面）。模板次背楞选用50mm×100mm木方，主背楞选用直径20三级钢筋沿弧度弯曲定型，并用对拉螺杆卡具锁死。此方法充分利用了钢筋的韧性，使弧形墙体的浇筑效果更加美观。

同时，我们将提前预制的长度等同于墙厚的50mm×50mm的混凝土条，按一定间距沿直径方向放置于两层模板面板之间，互顶模板以保证弧度的准确。

针对圆弧墙体中的圆柱，加工定型半圆柱模板，与外表面模板形成连续整体。（如图7所示）

（5）一般情况下按设计要求，被斜面切割的弧形墙上部需埋设若干用于球形银幕底座的埋件，埋件在埋设前，由于墙顶混凝土完成面尚未形成，对于埋件的正确定位必须借助3D模型计算出埋件对角的坐标（这就要求3D模型必须在总坐标正确的平面图上绘制，且绘制过程中切忌随意移位），最后利用对角点坐标，采用GPS现场将埋件定位后稳固焊接在墙体的措施钢筋上，保证埋件定位的准确性。

（6）严格按照前期利用3D模型引测并标志在模板上的控制点，浇筑墙体混凝土至设计标高以下20mm。预留砂浆精确收面的可操作厚度。

（7）借助3D模型，制作定型模具，并采用定型Z字形模具（图9）收面，测试模具时，将模具卡在圆弧墙最低点与最高点，Z字形模具的中间表面应该紧贴墙面，严丝合缝，即证明模具制作的精确程度是否合格，随后沿中轴线的平行方向移动模具对墙顶进行高强砂浆的收面工作。举例说明：如被斜面切割的圆弧墙垂面与此斜面的夹角为67°，则Z型模具的夹角也应为67°。（如图10所示）

4 效益分析

（1）经济效益对比分析

（2）凭借本工艺的顺利执行，以及取得的良好施工效果，仅球幕影院部分在模板定制加工，二次植筋打孔，人工放样等多个方面共节约工期约30d，受到业主的嘉奖，为影院部分的钢结构施工更早的提供了作业面。

（3）同时凭借此工艺在内的新技术展示，辽宁省科技馆工程荣获了辽宁省科技示范工程的荣誉称号。为同类工程提供了更加合理简便的施工经验。

（4）簡易的模板体系，就地取材，为整体工程节约了大量的钢材、吊装设备、能源消耗，同时采用3D建模放样也能极大的节约施工用地。

（5）该体系也同样降低了施工过程中的噪声污染，避免的工厂加工材料的远途运输污染。

5 总 结

本工程球幕影院部分结构非常复杂，仅标高就有20余种，内中外三段弧形墙体结构不规则，施工难度超大，要求精度极高，工期短，体量大，此工艺经本工程实际应用效果显著，能充分利用有限的资源满足各项功能要求。

球幕影院利用3D技术辅助非规则弧形结构施工工艺的成功应用，确保了结构按期封顶，混凝土浇筑质量及需满足设备安装部位的尺寸完全符合设计及专业厂家要求。