Application of BIM Technology in Complex Multi Curved Building Construction
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摘要: 本文对BIM技术在阜阳市大剧院复杂多曲形建筑施工中的应用难点进行了介绍。该工程是PPP形式。该工程结构新颖、姿态优美、造型独特，建筑外立面通过圆形斜柱、大跨度双曲面钢筋混凝土梁和异形网格状钢结构，共同组成三个玫瑰花瓣，彰显“七彩玫瑰”的设计理念。多曲结构图纸识图难，圆形斜柱、大跨度双曲面混凝土梁施工工艺远比普通钢筋混凝土施工工艺复杂，钢结构吊装体量大，形状复杂，传统钢筋混凝土及钢结构施工工艺无法满足本项目的施工质量及进度要求。本文通过BIM技术进行三维建模、三维模拟、数值提取、工况分析等，在波浪形混凝土环梁、大斜度混凝土柱、玫瑰花瓣形网格幕墙等方面进行研究，实现多曲组合结构精准建造，为后续类似项目提供借鉴。Abstract: The PPP project of Fuyang Grand Theater has design innovation. The project is novelty in structure, elegant in posture, and uniqueness in form. The facade of the building is compositing of three rose petals through circular inclined columns, long-span hyperbolic reinforced concrete beams, and special-shaped grid steel structure, which is highlighting the design concept of "Seven Colored Roses". The diagrams of multi-curved structure is difficult to be read. The construction process of circular inclined column and long-span hyperboloid concrete beam is far more complex than that of ordinary reinforced concrete. The hoisting volume of steel structure is large and the form is complex. The traditional reinforced concrete and steel structure construction process can not meet the construction quality and progress requirements of the project. Through BIM Technology, three-dimensional modeling, three-dimensional simulation, numerical extraction, working condition analysis, and other technologies, the research is being carried out in the aspects of wavy concrete ring beam, highly inclined concrete column, and rose petal grid curtain wall for achieving the accurate construction of multi curved composite structure and for providing the references for those subsequent similar projects.
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Keywords:
- BIM Technology /
- Steel Structure /
- Special-shaped Grid /
- Large Span /
- Hyperboloid Concrete Beam
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引言
随着社会的发展，人们对建筑造型的审美日益提高，建筑外观设计力求新颖，多曲面混合结构能最大程度满足建筑外造型波浪状多曲面平滑过渡，但结构较复杂，施工难度大，传统的二维设计图纸已无法很好地满足施工的需求。
BIM技术可将建筑设计及施工过程进行虚拟表达，在建筑的全生命期都有其独特优势。本文将BIM技术应用于阜阳大剧院施工中，为施工中遇到的关键难题提供解决方案，使得项目施工顺利进行。
1. 项目概况
阜阳大剧院项目位于安徽省阜阳市城南新区，总建筑面积5.97万m2，包含综合剧场、多功能小剧场、电影院线及配套附属设施，总投资8.3亿元。建筑立意为“七彩玫瑰”，即三片变化的“花瓣”将三种功能包围在一个整体，墙面卷曲延伸至屋面形成花瓣、花芯。项目建成后，将成为皖北地区最高档次的艺术表演中心。本项目主要特点为造型奇特、带状曲面多，钢结构、幕墙、混凝土结构存在大量空间扭曲构件。项目外立面如图 1所示。
2. 项目重难点
2.1 多曲结构识图难
多曲结构图纸复杂，传统二维图纸无法清晰表达多曲结构，更无法表示多曲结构的空间位置，尤其是空间结构的各构件的位置关系过于抽象，无法有效指导施工。
2.2 多曲结构定位难
常规工艺难以满足多曲混凝土结构施工，常规模板安装工艺施工曲面结构时往往导致模板裁切过多造成浪费，且曲面成型准确度不高；传统的模板支撑架以承受竖向荷载和风荷载(水平)为主，多曲结构支撑架体需要承受较大的水平荷载；多曲结构中钢筋长度、曲率不断变化，需要较高的下料准确度。
2.3 多曲结构支撑难
波浪形多曲环梁总长426 m，结构主体为空间顺滑自由曲线，通过外围框架斜柱设置牛腿外悬挑0.6~2.92 m，竖向标高0.00m~15.717 m，承重2700 t，截面由矩形到梯形过度，造型复杂，支撑体系搭建难度大。
2.4 多曲钢结构安装难
玫瑰形网格状钢结构加工、拼装精度要求较高，玫瑰形网格状钢结构为变曲率、多曲面结构，对钢结构的加工精度要求高且受力复杂，需要通过复杂的力学计算确定吊装单元。
3. BIM技术与多曲结构识图难题
阜阳大剧院主体外围设置一圈426 m长的波浪形多曲环梁，通过牛腿形式与主体外围大倾斜圆柱相连，每根斜柱的倾斜角度均不一样，从68°到89°不等。波浪形多曲环梁上部为玫瑰形空间网格状钢结构，玫瑰形网格钢结构与主体结构及机电安装、装饰工程等碰撞节点较多。从设计院提供的二维图纸无法表现出具体的空间形象，因此采用BIM技术进行三维建模，从而使得结构形象直观表现。不仅可以更好地指导施工，也可以发现二维图纸的问题，提前进行优化。
3.1 多曲结构三维模型建立
(1) BIM建模流程
为了解决二维图纸识图难的问题，利用Revit软件建立项目土建、暖通模型，利用Rhinoceros软件和Tekla软件建立幕墙、钢结构模型，将各模型进行整合，其次与业主和设计单位进行图纸会审(如图 2所示)，最终将三维图纸对施工人员进行交底。
(2) Revit建模
根据收集到的结构、建筑、安装图纸，组织专人进行主体结构及机电模型的制作，并在模型中读取玫瑰形幕墙的造型关键点。模型中应至少包含以下内容：
1) 主体结构构件：结构梁、结构板、结构柱、结构墙、水平及竖向支撑等的基本布置及截面。如图 3所示。
2) 次要结构构件深化：楼梯、坡道、排水沟、集水坑等。
3) 暖通专业：风管道、风管管件(风管连接件，三通、四通、过渡件等)、风管附件(阀门、消声器、静压箱等)、风道末端(风口)、风机基础等。如图 4所示。
(3) Rhinoceros建模
根据“七彩玫瑰”幕墙建筑效果要求，使用Rhinoceros软件对本项目波浪形多曲面混凝土环梁进行单独建模(如图 5所示)，为双曲环梁及斜柱的施工提供帮助。
(4) Tekla建模
根据设计图纸，使用Tekla软件对玫瑰形网格钢结构建模(如图 6所示)，针对性的分析每根龙骨，然后通过三维软件自有命令依次分析每根龙骨的曲率与弦高，将竖龙骨根据曲率区分为弯曲龙骨、直龙骨，对于直龙骨只需要读取龙骨长度即可，并使用软件提取出构件所需加工参数(如图 7所示)，指导构件工厂加工。
(5) 三维模型整合
将所建主体结构模型、暖通专业模型、双曲混凝土环梁模型、钢结构专业模型进行整合(如图 8所示)，检查专业间施工碰撞问题(如图 9所示)，并对碰撞节点进行设计优化、汇总。
3.2 图纸会审
配合业主单位组织图纸会审，将深化合模过程中发现的各类问题及优化建议统计列表，交予业主、设计单位及监理单位审核确认。如图 10所示。
通过建立波浪形多曲面混凝土环梁Rhinoceros模型，解决了多曲结构施工难度，缩短波浪形多曲面混凝土环梁施工工期18天；通过Tekla钢结构模型提取构件加工参数，指导工厂加工，保证了构件尺寸精度；通过三维模型整合，发现原设计问题200余处，优化节点400余处。
4. BIM技术与多曲结构定位难题
多曲结构施工时在空间中定位较难，施工工序繁杂，施工工期较长，前期钢筋混凝土结构的施工误差往往会导致后期钢结构无法进行准确安装，使钢结构成型精度得不到保障。因此，本项目利用BIM技术对多曲结构进行四步独立空间定位。
4.1 施工准备阶段
(1) 为保证放样精度，在现场放线前对所用全站仪、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。
4.2 第一次定位—复核
(1) 根据所提取的三维坐标点在施工现场平面进行定位工作，在此阶段主要应用大倾斜圆柱预留钢筋定位复核及支撑体系搭设定位；
(2) 待支撑体系搭设完成后，绑扎斜柱钢筋及支设连接牛腿及环梁底模。
4.3 第二次定位—复核
通过全站仪进行第二次测量定位，此阶段主要应用于大倾斜圆柱模板定位复核及梁底模微调及梁侧放线，定位过程如下：
(1) 待柱模及梁底模板加固完成后，用全站仪将柱模圆心位置复核及梁底部部模板上进行平面坐标的精确定位并作相应的标记；
(2) 对已经定位在模板上的坐标点，用水准仪一一对应进行标高复测，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；
(3) 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的精度要求为止；
(4) 待环梁钢筋绑扎完成后，再次进行测量定位，此阶段主要应用于钢结构预埋件安装定位及环梁复核(如图 11所示)；
(5) 待梁侧模加固完成后，进行测量复核，此阶段主要应用于复核验收。环梁施工完成效果如图 12所示。
4.4 第三次定位—复核
(1) 使用全站仪及水准仪对网格钢结构预埋件坐标进行复核，将复核结果重新导入BIM模型中，对存在的可调范围的偏差重新调整模型参数，将最后结果反给钢结构工厂；
(2) 钢结构生产工厂对现场复核后的BIM模型提取构件加工参数，并生产相应钢结构构件；
(3) 钢构件进入现场后，通过三维模型坐标安装固定胎架，并找出对应钢构件，放在胎架上进行加工定位；
(4) 对加工完成的钢结构单元进行重新测量复核，保证单元拼装精度要求。
4.5 第四次定位—复核
本阶段使用全站仪与放样机器人相结合的方式，对钢结构单元吊装进行精准定位。
(1) 将BIM模型导入放样机器人中，使放样机器人获取钢结构坐标数据；
(2) 吊装过程中，使用全站仪及水准仪对钢结构底部进行定位，确保钢结构吊装点位置准确；将放样机器人的定位器固定在钢结构顶部，定位器实时向地面传输坐标位置，根据放样机器人的智能指示，不断调整钢结构顶部位置，直至定位器坐标与BIM模型重合，以此确保钢结构吊装角度。
通过四步独立空间测量定位技术，提高了各工序施工精度，并通过多次复核调整，消除了施工工序累积误差，保证了建筑设计外观形象(如图 13所示)。
5. BIM技术与多曲结构支撑难题
大倾斜圆柱斜度较大，需要进行支撑加固。波浪形多曲环梁模板支撑高度为0~15.616 m，模板支撑较为复杂。大倾斜圆柱支撑与楼内支撑架相结合，其圆柱受力为偏心受力。波浪形多曲面环梁模板支撑高度不同，部分超过8 m为高支模区域。
5.1 支撑设计
(1) 斜柱支撑
斜柱模板支撑体系采用仿框架梁支撑形式，在大倾斜圆柱倾斜方向底部设立杆支撑，间距900×600 mm。立杆顶端按斜柱水平倾斜角度通过U型托固定40×80 mm木方作为托梁。为保持其稳定性，在斜柱倾斜方向设置三列支撑杆，在其垂直方向及两侧30°角方向进行加固支撑。在下侧混凝土楼板中提前预埋25 mm钢筋作为支撑杆的地锚。满堂支撑架按照加强型进行剪刀撑搭设，保持架体的整体稳定性。根据双曲混凝土环梁支撑方案，利用BIM技术在软件中进行三维模拟架体安装(如图 14-15所示)，并进行受力分析，准确计算各支撑杆件的尺寸。研制一种脚手架剪刀撑扣件、扣件组，增强了架体的稳定性。
(2) 波浪形多曲面环梁支撑
支撑架体采用承插型盘扣式钢管支架体系，具体搭设要求如下：
1) 根据立杆及横杆的设计组合，搭设900×600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，加强架体整体稳固性。
2) 支撑架体搭设完成后，对其平面位置，顶部各点标高、U型托长度及整体受力性进行复核。
通过技术研究，强化了支撑架体的稳定性，保证大倾斜圆柱与波浪形多曲面环梁的混凝土浇筑安全与质量，避免造成不必要的成本增加。如图 16所示。
5.2 模板安装
5.2.1 斜柱模板
1) 选用15 mm厚的定型加工覆膜模板，定型模板由两个半圆构成，模板企口如图 17所示；
2) 模板拼接后，使用配套用的钢箍带进行加固，钢带设置间距450 mm；
3) 模板安装时，底口紧贴根部定位筋，1000 mm高位置与门式定位架的水平杆相切，确保模板安装位置准确；
4) 调整斜向30°支撑杆及U型拖，保证架体安全；
5) 研制了一种平整度检测器，可高效检查模板安装质量。
5.2.2 波浪形多曲面环梁底模支设
模板选用915×1830×15 mm厚胶合板。
1) 运用Revit软件建立的三维模型，将结构尺寸按间隔915 mm配置设计梁底及梁侧模板；
2) 根据模型提前将设计好的模板进行编号；
3) 铺设环梁底模时，模板边缘大于结构尺寸20 cm左右，待第二次放线定位后，通过调整支撑架体的U型托，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，如图 18所示。
(3) 波浪形多曲面环梁侧模安装及加固
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作出标记，待底模加固后按照编号直接进行环梁侧模的支设，通过新型检测器快速检测模按安装质量。
6. BIM技术与多曲钢结构施工难题
玫瑰形网格钢结构其整体呈现多曲面，距离主体结构外围距离不同，焊接节点复杂，且玻璃幕墙对钢结构安装精度要求较高。本项目钢结构总重量约3 000 t，平面尺寸182.5 m×136.6 m，最高点标高40.42 m。如何实现玫瑰形钢结构快速安装，并结合场地条件进行拼装，是该钢结构施工难点。
6.1 施工工艺流程
施工工艺流程如图 19所示。
6.2 操作要点
6.2.1 基于BIM技术的深化优化设计
本项目玫瑰形网格钢结构总体呈双曲造型，为满足后期幕墙安装及成型观感要求，不同标高的混凝土环梁间及钢结构构件间采用平滑过度的方式相连，而在设计之初，设计院只能出具建筑外造型表皮模型，而二维图纸出具后不具有参考价值，给后期施工带来了极大的难度，且传统的放线方式无法满足测量定位的精度要求，故借助Tekla、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。
6.2.2 钢结构预埋件安装
本项目的钢结构呈整体闭合，对相对精度的要求极高。在复测总包移交的场区平面控制网和高程控制网的同时，还必须复测同钢结构关联的土建结构相互关系，以保证最终钢结构施工的整体性，只有当所有复测精度满足要求后，才能进行下一步工作。
通过Tekla软件提取每一块预埋件的空间坐标点，在埋件预埋过程中全程通过全站仪进行测量定位。如图 20所示。
波浪形多曲面环梁混凝土浇筑完成后需对预埋件进行复测(如图 21所示)，利用复测数据进行逆向建模，将逆向模型与标准模型进行比对，以防止埋件实际的偏差值导致上部网格钢结构吊装出现较大偏差，造成返工、材料等一系列经济损失。
6.2.3 现场单元钢结构拼装
根据现场施工进度，各区域的钢结构由内向外进行分段拼装，每三根主龙骨和若干次龙骨为一吊装单元，采用AutoCAD三维电脑模拟技术将拟拼装的分块整体大致放置水平，在距分块下端最低点500 mm左右的位置取一个相对水平面作为拼装胎架基准面，将三维相对坐标系设置到基准面上，取出各拼装构件的坐标。如图 22所示。
采用全站仪在拼装场区放样，红漆标记、编号，用墨斗弹线将地面定点连接，便于胎架布置。在胎架旁设置沉降观测点，作为平台沉降的依据。拼装胎架由20#工字钢、φ159圆管、200*8方管、16#槽钢焊接构成。如图 23-24所示。
依据拼装胎架图的尺寸进行拼装吊装单元(如图 25所示)，拼装完成后应将节点位置与地面定点进行复核无误后开始焊接，并经过超声波探伤合格后方可吊装。
6.2.4 现场单元钢结构吊装
根据钢结构结构特点及周围施工环境分析，采用1台260 t履带吊、1台100 t汽车吊、3台塔吊吊装，网格钢结构采用“场外分片吊装、散件补装”的安装方案进行施工根据花瓣造型，分成Part1、Part2、Part3三个区块，逆时针旋转，由内而外依次吊装。
钢结构安装顺序为：
1) 吊装单元钢结构至指定位置并与埋件相连；
2) 履带吊不松钩通过塔吊安装连系梁；
3) 安装牢固后松钩吊装下一片单元钢结构；
4) 塔吊穿插吊装已完成单元之间后补杆件。
(1) 吊装防变形措施
由于本项目吊装单元为一单层曲面网格结构，且地面拼装时为卧放，吊装单元钢结构时的翻身过程尤为重要，构件翻身起吊时控制不产生较大变形，以利于构件安装及外形控制(如图 26所示)。因此钢结构翻身时设置1台100t汽车吊进行辅助吊装，过程如下：
1) 2台起重机水平将吊装单元吊离拼装胎架一定高度后；
2) 对吊装单元缓慢翻身，主起重机继续升钩，副起重机降钩并喂送；
3) 吊装单元立直，此时副起重机松钩，主起重机将单元吊至预定位置。
(2) 吊装验算
为保证吊装作业的可靠性，吊装前对典型分块用MIDAS软件进行有限元分析，验算结构变形，以保证吊装作业的可靠性。如图 27所示。
同时对吊装工况进行分析，履带吊最重吊装分块为Part2的第33分块，吊装半径为42.0 m，吊装重量为16.70 t(如图 28、表 1所示)。履带吊最远吊装分块为Part2的第24分块，吊装半径为62.0 m，吊装重量为4.88 t(如图 29、表 2所示)。
表 1 QUY260(260t)履带吊工况分析工况分析序号 内容 数值 1 额定起重(t) 19.2 2 最重构件(t) 16.70 3 主臂长(m) 47.0 4 副臂长(m) 51.0 5 吊装半径(m) 38.0 6 吊钩重量 2.0 结论：最重构件重量16.70+2.0=18.70＜19.2t，满足吊装要求。 表 2 QUY260(260t)履带吊工况分析工况分析序号 内容 数值 1 额定起重(t) 9.7 2 最重构件(t) 4.88 3 主臂长(m) 47.0 4 副臂长(m) 51.0 5 吊装半径(m) 62.0 6 吊钩重量 2.0 结论：最重构件重量4.88+2.0=6.88＜9.7t，满足吊装要求。 (3) 网格结构精度控制
吊装单元通过龙骨根部的销轴与波浪形多曲面环梁上埋件及侧面支撑连接固定后，采用全站仪对单元的安装位置精度进行进一步测量，如发现偏差时，应及时进行调整，直至单元安装精度符合设计要求。
(4) 临时固定措施
为了保证安装精度和施工进度，尽可能地减少履带吊吊装时间，采用了缆风绳加手动葫芦的临时固定方式，校正时利用缆风绳通过手动葫芦调节单元的三维空间定位。
(5) 分段卸载、变形观测
在临时拉设的缆风绳拆除前，结构体系须进行转换，即由施工过程中的结构体系(由主体结构和缆风绳形成的结构体系)转换成由主体结构自身承重的最终结构体系。为保证体系转换顺利安全，对其全过程各个环节进行了周密的安排。
1) 卸载前提条件。结构所有杆件安装焊接完成，所有节点全部连接并验收合格。
2) 结构体系转换。以结构计算为依据，结构、支撑安全为宗旨，变形监测为手段，从上到下，从中间到两边一次卸载。
3) 变形监测。临时支撑卸载过程中，变形监测尤为重要，通过全站仪全程跟踪监测。单元钢结构拼装施工阶段，主要监测钢构件的挠度；单元钢结构吊装完成及水平支撑钢梁补装施工阶段，主要监测单元钢结构的竖向挠度及水平变形；整体异形空间网格钢结构分段卸载施工阶段，主要监测整体钢结构的X、Y、Z方向的变形，监测数据均不超过L/400。
通过钢结构单元划分研究、吊装技术研究，实现地面拼装、现场吊装快速建造(如图 30-33所示)，缩短施工工期，减少建造成本。
7. 结论
BIM技术在阜阳大剧院多曲建筑施工中的应用，解决了多曲结构识图难、混凝土结构支撑及浇筑、钢结构施工难题。实现了复杂多曲结构工程下的高施工质量标准。BIM技术的应用使得项目施工节省工期40天，累计创效约392万元，实现了设计意图，得到业主的高度认可，在阜阳市建筑行业起到标准示范作用，取得了良好的社会效益。为多曲形建筑施工提供可供参考的施工方法。
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表 1 QUY260(260t)履带吊工况分析工况分析
序号 内容 数值 1 额定起重(t) 19.2 2 最重构件(t) 16.70 3 主臂长(m) 47.0 4 副臂长(m) 51.0 5 吊装半径(m) 38.0 6 吊钩重量 2.0 结论：最重构件重量16.70+2.0=18.70＜19.2t，满足吊装要求。 
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表 2 QUY260(260t)履带吊工况分析工况分析
序号 内容 数值 1 额定起重(t) 9.7 2 最重构件(t) 4.88 3 主臂长(m) 47.0 4 副臂长(m) 51.0 5 吊装半径(m) 62.0 6 吊钩重量 2.0 结论：最重构件重量4.88+2.0=6.88＜9.7t，满足吊装要求。
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百度学术
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