穹顶钢结构及曲面玻璃幕墙依托BIM 技术平台在建筑工程中的应用

左克松

（中铁城建集团南昌建设有限公司,江西 南昌 330000）

BIM 技术作为国内新业态,可以为建筑工程中的各项施工提供服务,甚至于工程项目从开发到运营都可以进行全过程应用,相信BIM 技术在建筑工程领域以后的发展中会运用的越来越广泛。

1 BIM 技术应用

1.1 部署准备

1.1.1 组织架构

本工程由项目经理总负责,项目技术负责人组织实施,配置专业BIM 工程师负责BIM 技术平台运用,相关人员组成项目部BIM 技术小组。负责本工程穹顶钢结构设计、施工以及移交后的运营维护等阶段相关信息的搜集,运用BIM 技术软件进行数据信息和电子文档归集,形成电子信息仿真模型进行项目技术管理工作,以提高工作效率,减少返工,保证工程顺利实施。项目部工程部、安质部、成本计划部以及物资设备部等部门按照工程工作量大小,安排熟悉本专业业务、了解BIM 技术建筑模型、理解模型信息的人员,配合项目部BIM 技术小组开展相关工作。

1.1.2 岗位职责

本项目BIM 技术小组主要职责：本工程BIM 模型相关的信息搜集,后续的模型创建、优化、维护；能够保证设计图、深化设计图能够清楚、形象且完整地体现在模型里；能够及时发现图纸问题并第一时间上报监理或业主单位,能够完整地表达工程施工流程、施工工艺等,为优化施工方案、完善工作计划提供科学有效的参考依据；进行动态仿真模拟施工,进一步优化工程施工进度计划；为工程竣工后业主单位运营维护提供协助,提升业主价值感受。

1.1.3 运行环境

项目部与建设单位、设计单位、监理单位充分沟通,主要配置了Autodesk CAD、Revit、Navisworks 和PKPM等软件,专业制图电脑硬件,创造了各方接受的BIM 技术应用软硬件环境。软硬件满足BIM 工作正常开展及各相关单位、部门的使用需要,打造一个在线可视的、安全的、可实现的BIM 技术运用平台。

1.1.4 实施计划

本工程根据项目总体工期要求,结合实际工作量及现场实际情况,制定BIM 技术实施专项计划：

表1

1.2 BIM 技术应用

本项目在穹顶钢结构和曲面玻璃幕墙深化设计中,采用全过程BIM 建造技术,为项目安全、质量和进度保驾护航。主要采用有以下三项技术路线应用：

1.2.1 信息模型

通过设计图、深化设计图等技术资料,项目BIM 技术小组进行模型构建。建模完成后,可以提前查看穹顶钢结构建成后的3D 仿真效果图,核查其构件尺寸、节点等细节以及不同专业的衔接、穿插是否满足工程图纸等相关技术资料要求,是否符合最初意向。还能运用相关数据信息对模型进行分析、优化,进一步提高实际施工精度,尽可能防范施工过程中可能发生的风险因素,确保施工质量。

图1 穹顶钢结构三维模型图

1.2.2 施工模拟

通过BIM 技术平台模拟现场施工,依据施工方案使施工过程进行场景运用。工程建设中涉及到的建筑、结构、给排水、电气、通风以及临时辅助设施等各专业进行仿真模拟穿插施工,排查施工过程中可能存在的问题,例如发现不同专业之间的作业碰撞检查、管线布线路径优化、施工流程的最优顺序等。基于以上可能发现问题的部分,再对施工方案做进一步优化调整。

该技术路线可以根据实际需要,在BIM 技术平台进行多次重复仿真模拟施工演示,立足工程项目本身,不断地优化施工方案,尽可能满足各参与方的相关需求,尽可能减少施工中不确定的影响因素,预防施工质量事故,降低施工成本,控制施工工期,提高项目组织管理和施工技术水平。

1.2.3 运维平台

通过BIM 技术运维平台,将工程竣工验收实体信息形成BIM 竣工模型,项目一系列相关重要数据与业主单位运行维护管理系统进行集成,可将业主单位的运营维护工作效率大大的提高。如钢结构形态、曲面玻璃幕墙状态、照明效果以及电力部署以及屋面排水位置、接入点等,使用者只需了解BIM 技术模型应用程序,在软件平台上便可利用模型视图直接获取相关信息,自动生成运营（维修）工单。在工单执行前,系统信息可作为工作指导手册来辅助技术工人进行实际运维操作。

1.3 BIM 技术应用成果

根据本工程穹顶钢结构和曲面玻璃幕墙工程的BIM技术实际运用,结合历年参建工程的实际经验教训总结,BIM 技术应用对项目部工程实施在质量、工期和成本等各方面都有不小的进步,有相当大的实际运用前景。以下为BIM 技术在应用前后管理流程和成果上的对比：

1.3.1 应用BIM 技术前后管理流程对比

表2

1.3.2 应用BIM 技术前后成果对比

表3

2 钢结构焊接技术

建筑穹顶结构高度高,跨度大,现场施工环境复杂。钢结构焊接施工前,满堂脚手架（进行结构验算）操作平台搭设、施工测量以及钢构件原材料采购、加工等工作均已完成。本次重点介绍钢结构焊接技术的应用。

2.1 焊接工艺

焊接流程如图2。

图2

2.2 焊接一般要求的控制

2.2.1 当焊接作业区的相对湿度大于90%,或焊件表面潮湿、暴露于雨、冰、雪中,亦或焊接作业条件不符合《焊接安全作业技术规程》规定要求时,严禁焊接作业。

2.2.2 本工程主要采用焊条电弧焊和气体保护电弧焊,主体构件焊接时优先考虑使用CO2气体保护焊。焊接作业区最大风速不宜超过8m/s,进行气体保护电弧焊时最大风速不宜超过2m/s,否则应采取有效措施以保障焊接作业时不受影响。

2.2.3 焊接前,待焊接构件应均匀、干净,且无毛刺、裂纹和其他可能对焊缝质量有不利影响的缺陷。待焊接构件的表面及距焊接位置50mm 范围内不得有影响正常焊接和焊缝质量的氧化物、锈蚀、油脂以及水等杂质。

2.2.4 临时辅助焊接的钢板等材料,应与拟焊接的材料相适应,且焊接施工完成后应对钢板予以拆除,拆除时应保证焊接材料的质量。

2.2.5 焊工施焊作业时,应严格遵守焊接操作规程要求,不得在临近钢构件上引弧,焊缝收尾弧坑必须焊满。

2.2.6 焊接材料熔敷金属的力学性能应不低于相应焊接构件标准的下限值或应满足设计文件要求。焊接材料应存放在通风良好且干燥的地方,安排专人进行管理,并有记录可查。

2.2.7 焊接坡口尺寸以及部分构件组装完成后的坡口尺寸允许偏差应符合规范要求,且禁止在坡口接头间隙中填塞铁块或其他异物。

2.2.8 施工过程中的临时焊缝在正式施焊后应清除或与正式焊缝相融合。

2.2.9 可能存在的对接焊缝应为完全熔透焊缝,为方便进行无损检测,构件焊接完成后其焊接部位表面应进行处理。

2.2.10 对于不合格的、有缺陷的焊缝,根据分析其形成的原因,制定专门的返修工艺方案,经专业监理工程师同意后实施,返修后还应按规范规定的检测方法和质量要求进行检测验收。

2.3 焊接质量控制和检测评定

2.3.1 根据本工程穹顶钢结构构件焊接施工的不同阶段,其焊接质量的控制和检验包括焊前准备、焊中跟检及焊后检验,具体包括以下规定：

表4

2.3.2 防止焊接变形和消除焊接应力的具体措施

在钢结构焊接施工过程中,焊接构件的焊缝和热影响区由于不断受到焊接热循环的作用,焊接构件内部会产生焊接应力和焊接变形。本工程穹顶钢结构构件会根据尺寸要求形成闭环的结构体系,其每个钢构件任何微小变形都可能影响安装质量,此时采取合理有效措施防止钢构件焊接变形也是必要的。

防止变形主要采取以下措施：

a.对称焊接,同时焊接。b.选择适合当前条件下的合理的施焊顺序,如分中逐步退焊法、逆焊法等。c.采取临时加固措施。d.采用反变形法施焊。

消除焊接应力主要采取以下措施：

a.采用小型电加热器对焊接构件进行相应的局部加热,以消除应力影响。b.采用锤击法消除焊接构件焊接部位中间焊层应力。c.采用振动法消除应力。根据本工程穹顶钢结构构件焊接施工时的场景、各钢构件特点,选取对应适合的方法,下面就以穹顶钢结构底部环梁和主桁架为例进行简述。

a.钢结构底部环梁焊接

钢结构底部环梁为实腹工字钢梁,与主体结构预埋件通过钢板进行焊接固定。其主要变形方向为翼缘板向内翻转以及沿钢梁长度方向的弯曲,严重时可能发生扭曲变形。在正式施工前,先选取一段做相同材质的同截面变形试件,实测其变形值,确定其焊接各工艺参数,再根据实测值核定焊接效果,得出修正值,往复进行不断修正,最终得出试验参数,明确焊接工艺所需各项参数,最后再进行正式施焊。为防止钢梁焊接变形,采用两人同时以相同焊接工艺、相同电流、相同电压、相同速度等进行同步焊接,钢构件焊接时两人的施焊顺序采取分中逐步退焊法。结合BIM 技术模型下料构件尺寸,再使用以上方法进行底部环梁焊接,其变形量极少,绝大多数满足要求,不需校正。

b.钢结构主桁架焊接

本工程钢结构主桁架采用镀锌钢通施工,纵横主桁架材料一致。为防止钢结构主桁架焊接变形,采取以下措施：结合BIM 技术模型,对钢结构纵横主桁架进行预拼装点焊,对部分节点用钢板进行临时固定,先从整体上避免钢构件的变形。在主桁架细部节点进行施焊作业时,严格执行BIM 技术模型数据要求,对焊接构件进行对接校正,再进行双人对称焊接施工。施工时逐步融合点焊,拆除临时固定措施,保证钢结构主桁架结构稳定性、完整性。施工过程中可采用锤击法对焊接构件进行焊接应力消除,方便、快捷、有效。结合BIM 技术模型下料构件尺寸,再使用以上方法进行主桁架施工,钢构件焊接质量大大提升,结构焊接安装精度高,确保的整体施工质量(图3)。

图3 穹顶钢结构节点图

2.3.3 焊缝检测和评定的具体措施

本工程焊接检测采用自检和监检。自检是项目部在钢结构构件制作、结构焊接安装过程中进行检验,聘请有资质的专业检测人员实施；监检是由业主单位安排具有检验资质的第三方检测机构选派具有检测资质的人员进行专项检验。在焊缝施焊完24 小时后方进行外观缺陷以及内部缺陷超声波探伤检测,焊缝缺陷偏差允许值应符合以下规定：焊缝外形尺寸允许偏差符合表6 规定。

表5

表6

3 曲面玻璃幕墙施工技术控制要点

3.1 利用前期BIM 技术模型,不断优化动态优化,结构构件、龙骨均施工完成后,将实体精确测量数据与BIM模型进行对比,做到最优模型。

3.2 根据BIM 最优仿真模型,形成精细穹顶曲面玻璃幕墙尺寸,根据钢构件节点数据及实测玻璃幕墙天窗数据布排编号,指导幕墙玻璃加工生产。

3.3 幕墙结构杆件和玻璃材料质量须符合设计及规范要求,进场前查验相关合格证和检验资料等质量证明文件。

3.4 为保障高层穹顶玻璃幕墙施工的安全性,满堂脚手架平台在穹顶钢结构工程施工完成后方可进行拆除。

3.5 检查穹顶屋面电力照明等其他相关专业施工情况,避免交叉作业。

3.6 曲面玻璃幕墙天窗安装前,最后一次核定尺寸数据,统一确定吊装路径,玻璃组件牢固且达到安装要求。

3.7 曲面玻璃幕墙采用耐候硅酮胶施工,打胶密封严实,施工前应对拟作业区域进行清洁,需保证缝内无油渍、水渍、铁锈、灰尘等杂物,坚决杜绝穹顶漏渗水。

3.8 重点加强与穹顶幕墙衔接的天沟、檐沟等细部结构的防水施工,力求排水畅通,无渗漏水。

3.9 施工中及施工完成后的穹顶玻璃幕墙应采用适当的措施加以保护,防止发生碰撞破坏或变形、构件污染或变色以及屋面排水系统堵塞等现象,发型类似问题须及时处理,保持幕墙及幕墙构件干净、整洁。

结束语

本文通过对BIM 技术在穹顶钢结构项目中的应用,为钢结构和曲面玻璃幕墙工程的建模、深化设计、数据测量以及施工等方面提供便利,从而在项目管控上建立优势,收获了一定的效益。建筑钢结构以及建筑曲面玻璃幕墙等正在不断地被加大推广和普及,它们以其实用、便捷、美观的优势,将建筑技术和建筑艺术完美融合,正在获得越来越多的认可。