基于BIM技术的双曲面混凝土环梁施工工艺

吕家玉 侯庆达 孔 强 盛福衡 孙锡强 刘海营 李志文

中建八局第二建设有限公司 山东 济南 250013

1 工程概况

安徽省阜阳市大剧院外幕墙为单元式玻璃幕墙，其标准板块为平行四边形，幕墙外立面呈内倾或外倾的造型，各板块尺寸不一致、质量较大；其支撑体系为钢结构（图1），为满足钢结构支撑要求，在结构外围设置双曲面钢筋混凝土环梁，总长度426 m。此双曲面混凝土环梁功能为外幕墙钢结构体系支撑结构，共承载2 700 t钢结构。此结构从主体外圈框架柱通过设置牛腿的方式外悬挑0.57～2.92 m，竖直标高由±0～15.717 m平滑过渡。钢结构预埋件共计244个，分布于双曲面钢筋混凝土环梁顶面，且梁截面分为矩形截面和梯形截面2种，其中梯形截面梁长度88 m，矩形截面梁长度338 m。

本工程幕墙支撑用双曲面混凝土环梁，其造型复杂，主要难点如下：

1）空间曲率及坡度变化较大，传统的测量放线技术无法满足施工精度要求。

图1 外围幕墙钢结构BIM模型

2）模板体系选型需综合考虑，兼顾模板的重复利用性及模板支设的可实施性。

3）环梁最高高度为15.717 m，其模板支撑为高支模体系，安全性要求较高。

4）环梁通过钢筋混凝土牛腿与主楼外围框架柱相连接，其施工缝划分及施工顺序难度大。

2 主要技术创新

1）BIM是以三维数字技术为基础，集成了建筑工程项目设计、建造、管理、运营等各种相关信息的工程数据模型，是对工程项目相关信息的详尽表达。BIM技术在建筑领域，已趋于成熟并得到广泛应用。通过三维数字技术模拟建筑物所具有的真实信息，为工程设计和施工提供相互协调、内部一致的信息模型，使该模型达到设计施工的一体化，各专业协同工作。本工程将采用包括但不限于Autodesk Revit、Rhinoceros、Grasshopper、Navisworks、Catia等软件，创建BIM模型，并通过建立的三维立体模型，解决环梁空间测量定位，与主楼节点碰撞、支撑体系搭设等关键技术难点。

2）本环梁模板体系主要考虑2种方案：一是直接加工定型化弧形模板；二是通过平面模板代替圆弧模板的方案，“以直代曲”进行施工。由于本环梁标高变化较大，且曲率不一、细部曲率较小，定型化模板在不同的位置及标高处需分别配置，无法实现模板的周转使用，故选用第2种方案，通过“以直代曲”的模板体系，在满足后期幕墙施工精度要求的前提下，实现环梁的浇筑成型。

3）遵照按楼层、施工段、伸缩缝划分检验批的原则，采用“由低到高、分层浇筑”的混凝土施工顺序，避免由于结构变形、标高不规则变化等可能引起的质量通病。

3 工艺概况

双曲面混凝土环梁施工运用BIM技术建立三维立体模型，由相关软件导出环梁的三维定位坐标，现场结合全站仪、水准仪等进行三维坐标的空间定位；采用承插型盘扣式钢管支架体系，实现支撑架体的快速搭设，既可缩短工期，又可保证施工的安全；施工时按楼层、分区的顺序分段施工，本施工工艺重点在于空间测量定位及模板支设，在保证其施工功能的前提下，减少混凝土的质量通病。

4 工艺流程

幕墙设计深化→建立BIM模型→三维坐标提取→架体测量放线→架体搭设→双曲面环梁初步空间定位→环梁底模支设→精确测量定位→环梁底模微调及侧模放线定位→环梁钢筋绑扎→钢结构预埋件定位安装→环梁侧模支设及加固→复核验收→混凝土浇筑→收面→养护→拆模

5 操作要点

5.1 基于BIM技术的空间测量定位

双曲环梁通过设置牛腿的方式外悬挑，竖直标高跨度过大，为满足后期幕墙安装及成型观感要求，不同标高的环梁间采用平滑过渡的方式，而在设计之初，设计院只能出具建筑外造型表皮模型，二维图纸出具后，不具有参考价值，给后期施工带来了极大难度，且传统的放线方式，无法满足测量定位的精度要求。故借助Rhinoceros及Revit建立三维的建筑信息模型对二维图纸进行深化设计，同时预先发现图纸及结构间碰撞等问题。

5.1.1 深化设计

将幕墙的深化设计工作前置，此阶段主要运用2种三维建模软件：Rhinoceros和Revit。以往的实践发现[1]，犀牛软件在曲面幕墙建模上具有较大的优势，如：强大的曲面建模功能，能够方便地分割幕墙曲面，分割后的幕墙曲面误差较小或者无误差，可很好地标注曲面的展开边，并且可以很好地与其他工程软件相兼容；而Revit强于建筑设计推敲和机电优化，可建立建筑各专业的实体模型，很好地解决各专业间的碰撞问题，而且各种建筑信息均可导入，平面生成得也很精准，参数设定好后还可以导出粗略的节点图；在后期阶段，当设计已经定型时，利用Revit可以进行细节深化以及图纸绘制，所有东西自动更新，非常方便，极大地提高了效率，也节省了时间成本。

因此，该工程深化设计时决定采用2种软件分别建立三维模型，即先选定同一坐标原点，再运用Rhinoceros建立双曲梁及外幕墙结构的三维立体模型（图2），同时运用Revit软件建立主体结构的三维模型（图3）；待模型建立后，将Rhinoceros模型导入Revit中，及时发现施工过程中可能导致的碰撞问题，并联系建设及设计方及时解决，为后期的实体放线做好前期的技术准备。

图2 双曲梁及外幕墙结构三维立体模型

图3 主体结构的三维模型

5.1.2 提取三维坐标点

在实际建造过程中，针对不同曲率半径加工不同的模板，费时费力，且无法实现模板的高周转，因此考虑运用由多个短直线组成的多段线替代一段较长曲线的方法，在组成同等长度多段线的直线越多的情况下，由直线组成的多段线就越接近弧线，即“以弦代弧、以直代曲”[2]，此方法不仅解决了模板加工困难的问题，也方便了现场的施工，同时可满足后期幕墙安装的精度要求。

针对外装饰幕墙的深化设计图纸，在建立好的三维立体模型上，每小于等于2 m提取一个三维坐标点（图4），并将选好的点通过Rhinoceros软件导出，以用于现场放线。

5.1.3 放线定位

1）为保证放样精度，在现场放线前将所用全站仪、水准仪、钢尺等送至相关仪器检测单位进行了全面的检查和校正，使仪器的各项性能满足放线的精度要求。

2）复核测绘院给定的原始坐标及标高，如原始坐标出现问题，及时与建设方沟通解决。

3）在现场选定4个坐标控制点，并将复核无误的原始坐标及标高引至场内。

4）根据所提取的三维坐标点在施工现场平面进行定位工作，此阶段主要应用于支撑体系搭设定位。

5）待支撑体系搭设完成后，支设环梁底模。

6）通过全站仪进行第2次测量定位，此阶段主要应用于梁底模微调及梁侧放线（图5），定位过程如下：待梁底模板加固完成后，用全站仪在底部模板上进行平面坐标的精确定位并做相应的标记；对已经定位在模板上的坐标点，用水准仪进行复测，将不符合精度要求的坐标点进行标记，并调整相应模板的标高；在完成标高调整的梁底模板上用全站仪再次进行平面坐标的放样调整，如此往复，直至坐标点的平面坐标及标高均满足施工要求为止。

图4 双曲环梁提取的坐标点

图5 双曲环梁定位放线

7）待环梁钢筋绑扎完成后，进行第3次测量定位，此阶段主要应用于钢结构预埋件安装定位及环梁复核。

8）待梁侧模加固完成后，进行第4次测量复核，此阶段主要应用于复核验收。

5.2 架体搭设

为实现支撑架体的快速搭设，缩短工期，保证施工的安全，本工程拟采用承插型盘扣式钢管支架体系，可适应多种工程情况的需求，结构受力合理，连接安全可靠。

1）根据立杆及横杆的设计组合，搭设900 mm×900 mm的承插型盘扣式支架，并使用经纬仪控制立杆的垂直度，严格控制水平及竖向剪刀撑搭设，以满足剪刀撑的加设要求，对于高支模区域必须在下层施工时设置连接件，用于保证架体整体稳固性。

2）支撑架体搭设完成后，对其平面位置、顶部各点标高、U形托长度及整体受力性进行复核。

5.3 梁底支模

铺设环梁底模时，模板边缘大于结构尺寸20 cm左右，待第2次放线定位后，通过调整支撑架体的U形托，进行微调底模高度，待高度调整后再次调整坐标位置点，如此循环往复，直至三维坐标位置满足精度要求为止。

5.4 钢筋绑扎

根据环梁定位坐标将环梁结构内圆、外圆水平投影线放出，以内圆模板位置为起始点布设结构径向第1层钢筋，钢筋长度按照该跨放线确定，梁柱节点需达到规范设计的锚固长度的要求，钢筋连接采用直螺纹套筒连接技术，减少下料误差。以外圆模板位置为起始点布设径向第2层钢筋。钢筋下料长度同理。随后布设环梁箍筋，箍筋间距以内圆径向间距为设计要求控制。

5.5 钢结构预埋及安装

根据BIM模型导出预埋件位置的数据，运用全站仪进行幕墙钢结构预埋件的定位，待环梁钢筋绑扎完成后，利用塔吊将预埋件吊装至准确位置进行安装、复核及固定。

5.6 环梁侧模支设

利用建立好的BIM模型及提取的三维坐标点将梁侧模进行切割划分，对不同段的模板分别进行编号，同时导出模板的加工数据，在后台提前对模板进行精细化加工，对于拼缝处的模板，运用BIM技术进行模板的预拼装，预先检验模板的拼装效果，实现模板施工的“零返工”。

对已经编号的侧模，在底模三维放线定位时做出标记，待底模加固后按照编号直接进行环梁侧模的支设，既缩短了施工工期，又保证了模板的拼装效果，减少了不必要的返工，实现了一定的社会与经济效益。

5.7 混凝土浇筑

1）根据施工缝留置要求，在结构受剪力较小和便于施工的部位留置施工缝，合理安排环梁的施工顺序。根据预先划分的施工区域和现场实际情况安排大面上的整体施工顺序；在同一浇筑区域内，为避免混凝土浇筑过程中因离析和坡度过大造成梁底蜂窝麻面等混凝土质量通病，优先选择坡度变化较小的区域划分为同一区段；对于坡度变化较大的区段，由最高处向两侧划分施工区段，同时为减缓混凝土浇筑过程中的冲击力，在环梁径向设置垂直缓冲带，缓冲带由快易收口网、定位筋等构成，定位筋与纵向受力筋绑扎搭接，间距视结构坡度大小确定。

2）确定混凝土各项性能指标。根据设计图纸及规范要求，环梁混凝土强度等级为C40，坍落度为（180±20）mm。

3）混凝土振捣。因环梁过高，环梁需分层浇筑，待第1层混凝土初凝前，进行二次浇筑成型，浇筑过程中合理安排施工顺序，防止出现冷缝；且浇筑过程采用二次振捣的方式，振捣时按照相关规范要求，快插慢拔且必须插入下层混凝土中50 mm；对于钢结构预埋件位置，因钢筋密度过大，钢筋间距过小，振捣时间应按照实际要求相应延长，以不产生混凝土离析为准，使上部悬浮骨料尽量下沉，保证埋件位置密实无空腔，必要时可先在梁底浇筑一层相同配合比的水泥砂浆；振捣过程中，振捣棒不得触及钢筋、模板、埋件等，以免发生移位，影响成型质量及后期幕墙结构的安装。

5.8 混凝土收面

1）待环梁混凝土浇筑完毕后，安排专人及时用抹刀抹平，使梁表面无凸出的粗骨料。若梁表面有泌水，则应及时排除并重新抹平。

2）为防止环梁表面泌水现象，支设侧模时在模板底部留孔用以排出气泡和浮浆。

5.9 混凝土养护

环梁采用2种养护方式，其中环梁侧面采用带模养护方式，侧面模板拆除时间需满足相应规范规定的拆模强度要求，环梁表面面层采用覆盖塑料薄膜养护的方法，当气温低于5 ℃时，加覆棉毡用以保温。

5.10 架体监测

1）在环梁混凝土浇筑前测量一次，在混凝土浇筑后测量一次；同时在混凝土浇筑过程中每间隔一定的时间分别测量，实时关注支撑架体的变化情况；在混凝土终凝达到上人强度后复测一次，并与之前的测量数据对比。

2）对测量后的数据及时进行分析处理，查看混凝土浇筑前后架体高度方向的变化情况，根据收集的数据分析架体是否出现重大变形，发现数据异常变化时及时采取补救措施。

5.11 拆模

在混凝土浇筑过程中，按照试验留样要求随机留置标养、同养及拆模试块，待送检的拆模试块达到规定的强度后方可拆除相应部位的模板。

6 结语

通过建立BIM模型及相应空间放线定位措施，很好地实现了双曲环梁的精确定位，同时由三维模型对模板进行分割和预拼装，不仅保证了模板的精确加工，而且避免了不必要的返工，节约了工期；“以直代曲”思想的运用，不仅保证了施工的精度要求，而且一定程度上简化了施工过程，取得了一定的经济效益；坡向混凝土的合理分区、分段浇筑，保证环梁表面无裂缝产生，且架体监测措施到位，使环梁虽在高度方向存在小变形，但仍然满足后期幕墙安装的精度要求。

因此，该施工工艺无论是在技术上还是现场施工上均有一定的现实指导意义。