基于BIM技术的大扭转双向曲面玻璃幕墙设计与施工

李 宇 嘉特纳幕墙(上海)有限公司程师

大扭转双向曲面玻璃幕墙不同于普通幕墙，为了营造出其特有的艺术效果，在设计过程中必须在确保幕墙结构稳定性的同时实现多角度旋转[1]。大扭转双向曲面玻璃幕墙在本质上属于不规则结构，设计难度更大。在我国，以往针对大扭转双向曲面玻璃幕墙的设计，主要将注意力集中在幕墙截面尺寸上，,但在曲线曲率方面未进行深入研究，导致设计的幕墙无法体现出多角度旋转的美感[2]。而建筑信息模型能完整地表达出大扭转双向曲面玻璃幕墙的曲面层叠组合。因此，本文将BIM 技术应用在大扭转双向曲面玻璃幕墙设计中，实现大扭转双向曲面玻璃幕墙设计与施工。

1 BIM技术

BIM 技术，主要用于表达建筑施工中难以直观表示的三位立体图像与导向类建筑物[3]。通过BIM 技术进行大扭转双向曲面玻璃幕墙的设计与施工是本文研究的重点内容。

2 基于BIM技术的大扭转双向曲面玻璃幕墙设计

2.1 划分扭转双向曲面玻璃幕墙表皮分格

在大扭转双向曲面玻璃幕墙设计过程中，必须预先基于BIM 技术划分扭转双向曲面玻璃幕墙表皮分格。本文基于BIM 技术中Rhino 参数化设计，首先在BIM 模型中设置2 根基准线，作为大扭转双向曲面玻璃幕墙设计的轮廓控制线。然后基于BIM技术的GH 参数化划分扭转双向曲面玻璃幕墙表皮分格，针对表皮分格的划分数量可依据大扭转双向曲面玻璃幕墙设计板块的模数。最后通过多次调整划分扭转双向曲面玻璃幕墙表皮分格，为大扭转双向曲面玻璃幕墙设计奠定基础。

2.2 基于BIM技术分析大扭转双向曲面玻璃幕墙曲率

分析大扭转双向曲面玻璃幕墙曲率，进而体现出大扭转双向曲面玻璃幕墙多角度旋转的美感。首先，确定大扭转双向曲面玻璃幕墙设计中自由面的个数；然后，针对每个自由面的曲率进行历史拟合，必须保证大扭转双向曲面玻璃幕墙每个自由面的曲率都能达到平滑标准；最后，基于BIM 技术确定大扭转双向曲面玻璃幕墙龙骨的自由扭曲曲线。本文依据美学要求，将大扭转双向曲面玻璃幕墙龙骨的自由扭曲曲线的曲率最小值视为最优曲率。曲率越小，表明大扭转双向曲面玻璃幕墙的多角度旋转平滑度更高，能在空间中带来的美感也就越多，符合美学要求。

2.3 确定大扭转双向曲面玻璃幕墙结构

在基于BIM 技术得出大扭转双向曲面玻璃幕墙曲率的基础上，就能确定大扭转双向曲面玻璃幕墙结构。考虑到大扭转双向曲面玻璃幕墙属于复式结构，其结构具备一定的复杂性，因此，本文利用BIM 技术对扭转双向曲面玻璃幕墙进行3D 建模，输入相关大扭转双向曲面玻璃幕墙结构参数，得到初始化的大扭转双向曲面玻璃幕墙。

2.4 完成大扭转双向曲面玻璃幕墙设计

确定扭转双向曲面玻璃幕墙的结构后，需要采用BIM 技术对其曲面造型进行初始化，本文采用BIM 技术对大扭转双向曲面玻璃幕墙节点进行空间定位。由于大扭转双向曲面玻璃幕墙属于曲面层叠组合，传统的二维定位模式无法适用于大扭转双向曲面玻璃幕墙设计，需要通过BIM 技术可视化模拟大扭转双向曲面玻璃幕墙节点，在保证大扭转双向曲面玻璃幕墙美观性的同时，不能影响其力学稳定性能。在通过该安装模拟的基础上，可以得出大扭转双向曲面玻璃幕墙调整后结构，至此完成基于BIM 技术的大扭转双向曲面玻璃幕墙设计。

3 基于BIM技术的大扭转双向曲面玻璃幕墙施工

完成基于BIM 技术的大扭转双向曲面玻璃幕墙设计后，必须明确大扭转双向曲面玻璃幕墙施工流程。

3.1 放样吊线

在大扭转双向曲面玻璃幕墙施工过程中，完成现场测量后，需要进行放样吊线。在钢结构吊运时，必须根据塔吊位置，将结构平面上钢构件合理分配，以由远到近的吊运原则进行钢结构吊运。遵循相关施工原则，先放水平线，钢结构外框架后跟进，两者保持一定的节拍组织。外框钢柱根据截面和塔吊性能以1 ～3 层一节进行划分，内框钢柱与外框钢柱分段相同，在保证吊线完全垂直的情况下放线。在放样吊线施工过程中，一定要注意做好相应的记录工作，为后续施工提供基础数据。

3.2 安装钢结构

完成上部操作后，安装钢结构。在钢结构吊装施工过程中，由于每个施工步骤荷载的不断增加，必然会出现钢柱与地面接触处垂直偏差的现象，对连接部分结构带来较为不利的影响，降低钢结构吊装施工的稳定性。本文通过计算钢柱垂直度的方式，为校正钢柱的垂直度提供基础数据。首先，应确定钢结构吊装施工中的基础垂直偏差范围，依照其垂直偏差规律，计算钢柱垂直度。设钢柱垂直度为S，则有公式（1）：

式（1）中，i指的是钢柱与地面接触处垂直偏差取值范围，通常以1 个单位为标准；n指的是钢柱垂直偏差中的分层数量；h指的是钢结构吊装施工中钢柱的竖向刚度；e指的是钢结构吊装施工中钢柱的轴向刚度。结合上述计算公式，可得出钢柱垂直度。以垂直90°为标准，对出现钢柱与地面接触处垂直偏差的钢柱进行校正，保证钢柱与地面呈现90°垂直，进而确保钢柱在大扭转双向曲面玻璃幕墙施工中能起到对大扭转双向曲面玻璃幕墙稳定支撑的作用。在保证钢柱与地面呈现90°垂直的前提下，完成钢结构安装。

3.3 安装大扭转双向曲面玻璃幕墙龙骨

大扭转双向曲面玻璃幕墙施工中的核心部分是大扭转双向曲面玻璃幕墙龙骨安装，本文基于BIM 技术对大扭转双向曲面玻璃幕墙龙骨安装前进行碰撞检查，保证无任何可能冲突的情况下安装大扭转双向曲面玻璃幕墙龙骨。利用基础板钢筋（2根，直径不小于25mm）焊接成接地网；采用φ12 钢筋分别与上下两层的梁主筋进行跨接，跨接长度为其直径的6 倍以上（100mm）。钻孔终孔后下入直缝焊管，工作管与外壁之间用水泥浆进行固井；终孔后提供准确的孔底坐标，位移偏差不大于2.5m；套管接口处进行焊接，加焊加强筋，保证大扭转双向曲面玻璃幕墙龙骨密封性；工作管及护壁管的选择及安装必须满足质量要求。焊接幕墙龙骨钢梁和钢柱位置栓钉焊接规范参考值，如表1 所示。

第一步，使用校准设备对待拼接的幕墙龙骨钢梁和钢柱实施校准处理，做起顶支墩，采用万能杆件沿墙轴线拼装。用130t汽车吊机拼装节间大扭转双向曲面玻璃幕墙龙骨钢梁，一经发现不满足检测要求的施工区域，应快速做出反应，避免对后期施工造成连续影响。

第二步，按拼装吊机走行的要求，使用2 辆或4 辆运输梁板平车以均匀速度移动大扭转双向曲面玻璃幕墙龙骨钢梁（将移动速度调整在7.5 ～9.5m/s），当前段运输车到达起重机端时，使用前吊车的钢丝绳环调前梁端，等待大扭转双向曲面玻璃幕墙龙骨钢梁和钢柱吊装施工稳定，此时后平车以4.55 ～4.65m/s 的速度匀速向前运行，当其达到起重机后端时，使用相同方法吊起钢梁后端，反复循环上述操作，进行精准对位，直至连接大扭转双向曲面玻璃幕墙龙骨钢梁和钢柱施工架设完成。

第三步，待大扭转双向曲面玻璃幕墙龙骨钢梁和钢柱整体架设完成后，钢梁实际的允许承载力需要调查核实，要求满足130 t 重型汽车及吊机通过的需要。确保大扭转双向曲面玻璃幕墙龙骨钢梁连接部分可有效衔接，并设定7d 与14d 养护时间，保证整体大扭转双向曲面玻璃幕墙龙骨施工工程的稳定性，完成大扭转双向曲面玻璃幕墙龙骨安装。

3.4 外墙打胶

由于大扭转双向曲面玻璃幕墙还有很多曲面结构，因此，在外墙打胶的施工过程中，采用单支式大扭转双向曲面玻璃幕墙填缝密封，选用硅酮结构密封胶进行外墙打胶，保证大扭转双向曲面玻璃幕墙粘结质量，并通过后续相应的清洗工作。竣工验收后，完成大扭转双向曲面玻璃幕墙施工。

4 结语

通过基于BIM 技术的大扭转双向曲面玻璃幕墙设计与施工研究，能取得一定的研究成果，解决传统大扭转双向曲面玻璃幕墙设计与施工中存在的问题。由此可见，本文设计的大扭转双向曲面玻璃幕墙是具有现实意义的。在后期的发展中，应加大本文设计大扭转双向曲面玻璃幕墙在现实中的应用力度。在日后的研究中还需要进一步对大扭转双向曲面玻璃幕墙的优化设计展开深入研究，为提高大扭转双向曲面玻璃幕墙的综合性能提供参考。

表1 焊接幕墙龙骨钢梁和钢柱位置栓钉焊接规范参考值