无规则三维曲面骨架施工技术研究

邹欣韬 华兵兵 张汉泉

(1.中建海峡建设发展有限公司 福建福州 350015; 2.中国建筑装饰集团有限公司 安徽合肥 230011)

0 引言

近年来，伴随着建筑业快速不断地发展，越来越多的新材料、新工艺、新技术涌入到建筑和设计行业。传统的施工方法已经满足不了现代化建设的需要，更多科技创新的施工技术也在推动着建筑施工的发展。文章以福州海峡文化艺术中心曲线展廊无规则三维曲面骨架为研究对象，通过3D扫描技术、BIM施工技术在项目的实际运用[1-2]，结合机器人放样技术，提高骨架定位精准度，解决了曲线展廊空间高、跨度大、无规则曲面骨架施工难题。

1 项目特点及施工难点

福州海峡文化艺术中心曲线展廊是每个场馆室内特有的公共空间，该工程曲线展廊主立面由长1800mm，高120mm，厚40mm的实竹方通和铝板面覆竹皮方通自下而上拼接而成，立面及顶面为同一展开面，面积约为29 000m2，工期紧张。其中5个场馆中曲线展廊面积最大的为B馆歌剧院，从建筑物的西南方沿伸至东北方周长约190m，其中弯曲的最高点位约26m，如图1所示。

图1 曲线展廊实景

曲线展廊主立面采用的是基层骨架+黑色穿孔铝板及羊毛吸声绝热毡+面板调节件+面板完成整个面板施工流程。面板长度为1800mm，每一根面板由立面底部出风口位置以上开始拼接，面板拼接纵向间距为10mm，横向间距为30mm。因整个曲线展廊骨架呈无规则三维曲面，骨架安装偏差影响面板安装接缝、平整、不顺畅等施工质量问题，所以骨架施工精准度显得尤为重要。

图2 曲线展廊不同位置剖切面

无规则三维曲面骨架是由各剖切面不同弧长及高度组成的三维曲面，如图2所示。因骨架的剖切面不同弧长及高度不同，传统CAD施工图已经远远表达不了设计师的要求。而且,施工现场很难找到骨架施工的起始点位，骨架的不同弧度采用现场加工的施工方法，难以控制骨架安装精准度，所以大大增加骨架施工难度。

2 骨架工艺分析

无规则三维曲面骨架施工，主要通过3D实景扫描并逆向建模，根据所建立的结构模型与设计的模型碰撞比拟，有助于设计各方达成共识。通过曲线展廊表皮模型施工模拟，对骨架进行深度优化，一方面用于工厂对曲面骨架编号、加工，另一方面将骨架优化点位的X-Y-Z坐标数据进行分解，凭借机器人放样技术精确定位墙面竖向竖龙骨、顶面热镀锌方管加固的“抱箍”及转换层施工坐标，完成墙面竖向主龙骨、“抱箍”点及转换层施工，实现曲面骨架加工与曲面骨架的基层骨架现场同步生产。结合工厂对曲面骨架加工、编号，通过坐标数据并结合机器人放样，再次对工厂加工成型的曲面骨架进行定位，采用热镀锌方管吊杆进行调节、固定，并依次进行安装,形成无规则三维曲面，如图3所示。

1-原建筑钢结构；2-钢结构“抱箍”点；3-转换层；4-镀锌方管加固、调节层；5-无规则三维曲面骨架；6-墙面竖向主龙骨；7-原建筑墙面；8-面板。图3 曲线展廊骨架安装示意图

3 方案实施

3.1 3D扫描技术运用

技术人员采用3D激光扫描技术(又称实景复制技术)，通过对施工现场激光扫描测量，获取施工现场三维坐标数据[3]。在施工现场采集空间点位信息，采集的数据上传至云端后，云端后台根据空间数据精确地建立三维影像模型，实现逆向建模还原现场实际结构。

完成逆向建模，技术人员通过Revit软件再将设计建立模型与实际模型进行对比分析,有助于设计师更好地确立设计方案实施，也将各专业的隐蔽碰撞通过模型展示出来，碰撞分析更好地将施工现场与设计相冲突的位置能在施工前期与各方达成共识，如图4所示。

图4 扫描后逆向建模对比

3.2 骨架模型优化

曲线展廊主立面设计师要求采用1800mm长方通面板，在满足设计师理念下，技术人员凭借Rhion软件将方通面板分割导入至模型中，实现了无规则三维曲面空间面板安装可视化。

根据无规则三维曲面空间面板安装可视化，将每块1800mm长面板分割及组成通过模型展示，技术人员清晰地将面板骨架“勾勒”出来。通过骨架模型与面板模型的施工模拟对比，发现曲线展廊实际展开面为扇形，技术人员再次将面板模型与骨架模型进行偏差对比，为了提高骨架安装精准度，技术人员再次对面板模型对骨架进行优化。在对曲面骨架进行最终确认后，从不知所措到曲面骨架划分，已经迈出了很大一步,如图5所示。

图5 曲面骨架调节前后对比

曲面骨架确立完成，技术人员对每根曲面骨架结构进行编号以每根骨架为一个单元，将骨架数据进行分解，这样“骨架化双曲为单曲”形式，一方面用于工厂对曲面骨架加工，另一方面将曲面骨架外边缘点基准点坐标分解，通过机器人放样技术完成坐标点放样、定位，并做好编号标记。

因工期紧张，为了进一步加快骨架施工进度，技术人员查询各种相关资料及文件，对钢结构安装骨架荷载进行计算、分析，得到钢结构实际安装荷载，技术人员并通过BIM模型模拟计算荷载，并确立“抱箍”点、转换层施工方案。采用100×50×3mm热镀锌方管加工成“回”字形构件，以“抱箍”的方式固定于原建筑钢结构上方。每个“抱箍”点位间距3m，通过加工成型的“回”字形构件安装用于转换层施工，检查“抱箍”点及转换层施工焊接牢固性，并进行焊渣清除，做好防锈处理，如图6所示。

1-原建筑钢结构；2-“回”字形抱箍点；3-转换层；4-镀锌方管加固、调节层；5-40×40×3mm曲面骨架。图6 “抱箍”点及转换层安装示意图

3.3 竖向主龙骨施工

(1)施工前做好各项技术交底工作，核对施工现场。根据土建、钢结构等现场实际进度，参照放样坐标，采用水平红外线仪器(水平靠尺)，进行竖向主龙骨及墙面预埋件施工。地面埋件施工参照放样坐标，并预留曲面骨架的施工位置。

(2)预埋件与竖向主龙骨采用热镀锌方管相连接，安装须与国家现行的有关规定及设计要求相符，检查埋件及竖向主龙骨安装牢固性、准确性等,进行焊渣清除，做好防锈处理。

(3)将一层水平标高，引至墙面竖向主龙骨上端，并检测水平标高偏差值，作为水平参考线。

3.4 曲面骨架施工

(1)工厂根据每段曲面骨架的半径、长度等数据进行综合加工，将每根钢材进行拉弯、编号。每根钢材常规长度为6m，工厂对每段曲面骨架分解、拉弯过程中，出现BIM模型优化的加工长度会大于常规钢材长度，技术人员根据相接近数据对钢材进行加工及钢材备用，或者在数据中出现相邻骨架半径值相同及接近的数据进行加工，可以减少钢材的损耗。

(2)曲面骨架加工材料进场，施工班组参照骨架编号和放样坐标进行堆放，减少材料二次周转，便于曲面骨架的安装。

(3)参照水平标高线，专业的焊接技术人员会通过测量曲面骨架最低标高点位，通过40mm×40mm×3mm镀锌方管作为标记点位，因竖向主龙骨安装会有一定的偏差，采用钢丝吊线方法与曲面骨架外边缘点基准点坐标相结合，控制最低曲面骨架安装垂直度。通过模型可以发现面板表皮模型展开面呈扇形，为了保证每块面板安装能精准曲面骨架上。技术人员对整个模型展开面进行分析，找到面板安装中心点，根据模型测量的尺寸，这样以中心点骨架向两端定位曲面骨架距离，确保面板安装的精准度，如图7所示。

图7 曲线展廊表皮展开示意图

(4)曲面骨架安装过程中，从中心点位两端骨架逐渐向中心点骨架倾斜呈放射状，为了控制曲面骨架安装水平高度，通过Revit软件将每根曲面骨架坐标进行测量分解，加工曲面骨架连接件，获取连接件点位坐标值结合机器人放样精准定位。参照水平标高线，通过采用钢丝吊线方法(水平红外线仪器)，对骨架的高度进行复查，确认无误焊接曲面骨架连接件。并按此方法依次安装每段曲面骨架，形成无规则三维曲面造型。

(5)曲面骨架施工完成进行骨架的整体检查，确保骨架整体牢固性，对焊接点位做防锈处理，完成骨架隐蔽验收。

4 效益成效

通过对双曲面骨架施工过程的实践，从传统的骨架施工工艺到新科技运用，解决了双曲面骨架造型定位难、加工周期长等施工问题，其带来主要效益：

(1)通过3D扫描技术、BIM技术运用于建筑施工，能够将精细节点、复杂的曲面展示出来，能够将施工与设计搭建良好的平台，确保项目快速的工作流程；

(2)通过BIM技术指导、运用，实现墙面竖向主龙骨、钢结构“抱箍”点、曲面骨架加工同步生产，缩短生产周期，有效降低施工成本；

(3)通过BIM模型优化，对曲面骨架编号、生产，一方面减少钢材的损耗以及加工曲面骨架能充分利用，另一方面对加工曲面骨架进行编号减少材料二次周转，大大降低施工成本；

(4)通过机器人放样技术，使曲面骨架安装一次成型，减少不必要的返工，提高骨架安装精准度，提高工程质量。

5 结语

通过3D实景扫描技术+BIM技术+机器人放样技术，攻克了曲线展廊骨架加工、放样、定位的施工难题，提高工程质量。新技术的应用帮助项目实现了绿色化生产，不但减少材料的浪费，同时也减少对环境的污染。促进建筑施工的可持续发展，也为类似复杂的曲面骨架施工提供借鉴。