建筑数字构建模拟技术在装配式幕墙整体提升安装中的应用*

佟克龙

(中铁十四局集团建筑工程有限公司，山东 济南 250100)

0 引言

传统幕墙一般在现场加工，按照施工图，遵循施工工艺安装框材、面材、辅材，存在安装精度低、安全系数低、整体效果差、施工周期长、措施费用高等缺点。新型装配式幕墙是在加工场所生产组装，在施工现场直接整体提升安装在主体结构上，安装精度高、安全系数高、整体效果好、施工周期短、措施费用低，具有安装工序简便、安装工期较短、施工安全可靠、节省施工人力等优点，但加工组装时需要一定空间场地，主要适用于超高、超大、大跨度及施工周期短的建筑幕墙场所。面对新型建筑幕墙特点，为满足安全生产、快速施工、确保效果等功能需要，施工中，设计部与项目部针对此类幕墙施工特点，通过前期分析、制定方案、专家咨询、团队创新，开发BIM模型构建模拟施工技术、大板块装配式建筑幕墙生产组装技术、装配式建筑幕墙整体提升安装系统施工技术，总结形成BIM构建模拟技术在装配式幕墙整体提升安装中的应用。

1 建筑数字构建模拟技术要点

1.1整体技术方案分析

通过整体技术方案分析，确定设计细化方向、设计深化方向及施工方案，利用BIM建模构建设计技术、BIM模拟施工技术和MATHCAD结构计算分析技术，在设计部内部形成模拟设计、模拟建造、整体组装、整体吊装综合技术方案，即通过建模构建模拟设计与施工，形成设计、预生产、预装配、预碰撞等技术可行性设计施工体系，真正实现设计技术支撑项目施工。

1.2 整体建设工程工期提升

BIM建模模拟设计与施工，代替传统建筑幕墙样本先行方案与传统框架幕墙骨架安装体系，在设计初期消除问题。整体提升安装速度快，缩短建筑施工总工期率30%～50%，为加快楼层封闭、室内装饰、安装工程创造良好条件。

1.3 建筑幕墙施工

代替传统满堂脚手架架体支撑体系或吊篮施工工艺，减少支撑架体周转料具投入。成功解决超高、超大、大跨度空间结构复杂条件下的建筑幕墙施工难题，以及劳动力匮乏、在紧急工程中无法按时完工的不足，且施工过程安全、安装速度快，易保证施工质量，有效降低项目成本。

2 技术基本原理

采用BIM建模构建设计技术，代替传统幕墙样板施工。采用装配式幕墙加工组装工艺，将铝单板装配式幕墙框材、面材及转接件等材料在加工场所内组装完成，施工时将装配式幕墙整体移动到位，再整体提升到安装位置，调整误差后通过连接螺栓固定装配式幕墙与主体结构，代替传统框架幕墙龙骨安装体系，安全高效，减少措施费，成功解决超高、超大、大跨度空间结构复杂条件下的建筑幕墙施工难题，提高施工工效、保证安全、缩短工期。幕墙施工过程中，通过现场复核与模型比对，实现建筑实时精准控制。使设计与施工进度相对应，形成施工设施动态模拟管理。

3 整套技术系统操作流程

该技术系统操作流程如图1所示。

图1 系统操作流程

4 建筑数字构建模拟技术分析

4.1 装配式幕墙BIM构建模拟设计技术

1)通过BIM软件对建筑幕墙立面进行分格划分，在满足建筑设计理念的同时，使面板板块符合规范要求，符合面板板块受力计算及可加工性，同时空间立体反映建筑分格模数。

2)在BIM建模构建过程中，提前发现结构干涉、设计漏洞和设计缺陷，形成书面问题记录，及时与建设单位、总承包单位、建筑设计单位、项目部保持联系，以便及时解决问题，形成图纸会审记录，建模过程中为外幕墙工程施工提供技术保障。

3)BIM构建模拟模型可实现三维可视化沟通及技术交底，能直观展示建筑形态和构造，有效缩短沟通时间，提高沟通效率。还可在移动端实时查看BIM模型，实时对比模型与实体，提高施工效率。如图2所示，此施工设计技术方案可行。

图2 装配式幕墙BIM构建设计模型

4.2 装配式幕墙MATHCAD建模结构分析技术

1)使用MATHCAD计算建模软件构建整体单榀装配式幕墙铝板钢桁架的结构受力模型。

2)使用结构计算有限元软件对整体结构计算模型进行荷载施加及结构受力分析。

3)施加线荷载标准值和弯矩，并且输出运行组合工况条件下的结构挠度模型图。

4)输出运行工况后，输出此结构应力-强度比模型图，根据计算结果导出支座反力，由计算模型图可知模拟计算结果安全，故此装配式幕墙结构体系安全，此方案在施工安全上可行。

4.3 主体结构测量放线及幕墙安装件位置复核

1)测量放线(见图3) 装配式幕墙整体提升安装工艺质量与主体结构质量具有很大关系，装配式幕墙与主体结构紧密配合，装配式幕墙建模设计时一定要考虑主体偏差，使其符合装配式幕墙安装检验标准。主体结构为钢架混凝土结构与钢结构体系，需及时检验装配式幕墙安装钢结构位移偏差。利用测量仪器和工具测量建筑物平面位置与高程，并按施工图放实样、确定平面尺寸。复核土建提供标高与平面位置的正确性。以提供±0.000标高为基准，利用测量设备复核提供标高基准线的正确性。如发现提供标高不准确，应另作标记，并上报情况。标高基准复核时需注意楼体沉降导致标高不统一的情况，应制定相应方案确保楼体标高一致。

图3 装配式幕墙测量放线

2)装配式幕墙安装件位置复核 为减少现场施工焊接，装配式幕墙安装件在加工厂预先安装于钢结构件上，由于钢结构施工存在一定误差，因此装配式幕墙整体吊装前需进行复核与校准。以复核过的基准点、基准线为依据，做出幕墙施工所需的辅助测量线，如发现偏差超过允许范围应及时上报，申请调整补救措施，以免影响装配式幕墙整体吊装进度。

4.4 BIM碰撞检测及施工工艺流程模拟

1)根据现场测量放线及装配式幕墙安装件位置复核结果，利用BIM碰撞检测功能检测幕墙与主体结构间的干涉情况，校正BIM模型。利用BIM参数化设计下料导出板材、型材、钢材等工程量，为材料招标、商务预算等提供依据，并将相应加工图下发到配套厂家。

2)根据放线结果利用BIM建立三维模型，指导现场施工，预先演示施工工艺流程。传统框架式幕墙一般在现场按框材、面材及附件顺序进行，每道工序受上道工序制约。本工法根据测量结果，依据图纸、BIM模型，可使各工序衔接紧密，类似平行施工工序，显著提高工效。

3)每个构件按型号、尺寸及安装部位进行编号，并将编号做成二维码标签粘贴于构件侧面，按型材尺寸及安装楼层部位分批进行包装运输。

4.5 幕墙整体提升安装机的安装

1)装配式幕墙整体提升吊装在主体钢结构悬挑部位，结构探出屋面露台外侧5 650mm。由于施工现场无法搭设脚手架或采用汽车式起重机，现拟用钢型材制作装配式幕墙整体提升安装机，放置在81.000m标高钢结构梁预设行车轨道顶上，进行檐口位置装配式幕墙试吊、纵向平移、横向平移、竖直提升和紧固固定。

2)该提升安装机构主体钢结构梁顶敷设200mm×150mm×8mm×12mm镀锌H型钢，作为装配式幕墙整体提升安装机的行车轨道，施工完成后可长期备用。

3)装配式幕墙整体提升机中的行车主体拟采用150mm×150mm×10mm镀锌方钢制作，整体尺寸为8 980mm×7 200m。行车上面设置2道间距4 200mm 的200mm×150mm×8mm×12mm镀锌H型钢，作为装配式幕墙提升转换横梁，并在上方设置6组纵向平移驱动电机，可沿南北纵向平行移动，转换横梁上设置6台2t竖直提升电动葫芦，以整体提升装配式幕墙。行车下设4组横向滚轮驱动电机，以驱动行车沿轨道方向移动，纵横移动时均设置限位制动装置。主体结构安装横向驱动电机如图4所示。

图4 主体结构安装横向驱动电机

4)安装装配式幕墙整体提升安装机 根据整体提升机三维图，在地面分段制作组装。首先利用塔式起重机安装H型钢作为行车轨道，接着安装行车轨道上的4组横向滚轮驱动电机，再次利用塔式起重机安装拼装好的可移动行车，最后安装转换横梁、6组纵向平移驱动电机和6台2t竖直提升电动葫芦。安装平移行车与转换横梁如图5所示。

4.6 幕墙桁架龙骨生产加工组装

1) 钢桁架构件制作 遵循BIM模拟→参数下料→切割加工→矫正型材→边缘磨削→预拼安装→构件组装的加工顺序，钢桁架龙骨根据现场情况及图纸要求，在加工场地完成型材下料、龙骨切削，下料时型材紧靠定位面，夹紧装置夹正、夹紧型材，型材过长时需增加支撑，防止因重力产生变形，切割时注意保护钢材装饰面。

2)钢桁架制作组装 根据图纸及BIM构建模拟模型，在拟安装部位后端屋面拼装装配式幕墙钢桁架。钢型材运至现场后，采用塔式起重机运至屋面指定位置，分散放置在屋面。项目技术负责人按照设计人员构建的BIM模型和参数下料单向生产班组全员技术交底，生产加工班组根据技术要求在屋面加工装配式幕墙单樘分格钢龙骨，并且按照编号顺序摆放。按照组装工艺顺序，生产组装组在拟安装位置女儿墙后端焊接拼装钢桁架龙骨单元，拼装完成后的钢桁架安装在临时脚手板上，并通过钢丝绳吊装连接固定转换梁，整体龙骨组装如图6所示。

4.7 单榀幕墙铝单板面板安装及胶缝处理

按照BIM构建模拟模型、整体设计图纸、板材，并进行编号，挑选已加工的装饰面铝单板，加工场所内按加工组装工序依次安装，直至所有铝单板面板安装完成后进行拼装缝隙打胶作业，所有作业完成后进行装配式幕墙吊装前的检查工作，合格后报监理工程师验收。单榀幕墙安装如图7所示。

4.8 单榀幕墙整体试吊及平面移动

1)单榀幕墙长6.7m、高3.6m，每榀单重4 742.64kg， 拟采用装配式幕墙整体提升安装机起吊。单榀幕墙设4个受力吊点、2个安全辅助吊点，拟用6台2t竖直提升电动葫芦，确保同步提升作业。起吊设备提升能力为120kN，此方案满足吊装要求。

2)吊装前预处理装配式幕墙安装范围，按照前期设置吊装装饰轮廓线，清理安全操作区域，再次校核转接件位置点，以控制安装位置。

3)吊装前将安装好的整体装配式幕墙移动至待安装位置，准备吊装专用钢丝绳，吊装钢丝绳的一端采用专用防脱挂钩及卡扣，与装配式幕墙转接横梁相连。

4)按照装配式幕墙吊装顺序，复核拟安装装配式幕墙轴线和进出位置。启动装配式幕墙，使用整体提升安装机的6台2t竖直提升电动葫芦，进行第1次试吊。垂直起吊装配式幕墙底部，距屋面女儿墙顶200mm，检查各指标符合吊装预案。

5)在安装装配式幕墙的楼层内，需由4名工人控制幕墙板块吊装姿态，防止起吊板块碰撞室内物体。在需安装幕墙的上层，由2名工人观察板块起吊高度、稳定性、辅助吊装、对接及板块固定，由1名工人电动操纵装配式幕墙，使用整体提升安装机，根据指令控制板块吊装高度，1名工人起安全辅助作用。整个过程由专人通过对讲机统一指挥上下安装人员操作，保持协调性、安全性。

6)启动整体提升安装机上的6组2t竖直提升电动葫芦，使装配式幕墙由内侧平移到外侧轨道，整体提升幕墙。

7)启动整体提升安装机上的4组横向滚轮驱动电机，使幕墙在横向滚轮驱动电机作用下东西横向移动，移到女儿墙外侧预设位置。

8)参照6)的操作流程，使幕墙由外侧平移到内侧轨道，然后提升到指定安装位置，完成装配式幕墙整体平移提升作业。整体试吊平移提升吊装装配式幕墙操作流程如图8～10所示。

图8 整体提升安装机试吊一定高度

图9 向内侧纵向平移并竖直提升到指定位置

图10 单榀装配式幕墙安装平面流程

4.9 幕墙安装固定及间隔位置封修处理

1)装配式幕墙整体提升安装机上6台2t竖直提升电动葫芦整体提升到位，并与吊装转换梁可靠连接后拉紧。经过精确调整校正后，进行悬挑外钢梁与装配式幕墙钢桁架连接件连接固定。

2)连接件安装完成后，报项目部和监理检查验收，放松6个2t电动葫芦，卸掉钢横梁和钢桁架的连接螺栓，使整体提升安装机沿轨道平移到下个待安装区域。

3)整体吊装装配式幕墙符合要求后，在转接件处紧固螺栓，完成板块固定。剩余板块按以上施工流程依次吊装，最终在无吊篮情况下安装装配式幕墙。

4)采用整体提升安装机依次完成间隔位置，安装屋面位置的铝单板，然后清洁板材间缝隙，打注硅酮耐候密封胶，最终完成整体装配式幕墙施工，交付验收使用，如图11所示。

图11 屋面位置铝板封修及打胶完成

5)如有必要可导出漫游动画，进行4D模拟施工与动画演示。

4.10 装配式幕墙安装监测及施工合规验收

1)施工过程中，选取典型位置监测结构内力及变形、吊绳拉力、横梁挠度、行车变形量等。

2)采用计算机连续采集数据，及时掌握结构受力及变形情况，保证吊装过程结构安全。

3)委托具有资质的单位进行监测，根据装配式幕墙用计算书提供监测数据的预警值及报警值。

4)应确保施工完每道工序后进行项目自检，合格后报项目进行单项验收。经监理验收合格后，方可进行下步工序，依次完成所有工序。

5)从装配式幕墙建筑模拟技术在安装流程中可以看出，各专业信息不断加入BIM中，可实现各专业协同工作。

5 结语

建筑数字构建模拟技术在装配式幕墙整体提升安装中的应用，有效提高装配式幕墙模拟设计技术、结构受力分析技术，加工组装模式阶段、现场提升安装阶段及整体外观效果的质量控制水平，保证设计施工符合整体要求，杜绝返工调整等影响工程质量的隐患，攻克多个传统做法难以避免的质量、安全控制难点，顺利指导高空装配式幕墙整体提升工作。

为适应国家战略形势，配合地区新旧动能转换，促进构建技术升级，推动建筑行业快速发展，相关从业人员要积极推广建筑BIM参数化技术，把BIM参数化技术更多应用于复杂工程中，实现模拟设计与智能生产无缝对接，提高幕墙设计、施工及各种材料构配件生产效率和整体质量，最终实现完美的建筑幕墙产品。