基于BIM技术的GRG海浪异形天花榫卯连接施工技术

王小艳，刘 淮，林怡标

（1、广州城建职业学院 广州510925；2、深圳市卓艺建设装饰工程股份有限公司 深圳510033）

0 引言

随着社会的日益发展，人们对生活、居住、工作等环境都提出了更高的要求，建筑物的天花吊顶除具备线路遮挡、隔音等基本功能外，正向着美观、艺术、富有人文特性上发展。GRG 玻璃纤维加强石膏板是一种经过特殊改良后的装饰材料，作为异形天花结构材料，在空间上具有任意可塑性，能自然调节室内湿度，强度高、不变形、质量轻、可呼吸，声学反射性能好等特点［1，2］。

本文依托某国际购物中心装饰装修工程，研究其室内GRG 海浪异形天花榫卯连接装饰施工技术。该工程采用不规则高大空间天花结构，室内天花造型由大量曲面GRG 材料制作，呈海浪状，因此对板材的排版下料、放线安装等提出了很高的要求。

本工程异形天花施工范围分为中庭、中庭左侧段和中庭右侧段3 个，每个施工范围再分成3 个施工区域（各配备1个专业施工班组）分别施工。室内装饰工程每层天花面积约1 600 m2，由153块装饰板组成，各板材必须拼接出完美的图形，施工精细化程度高，工程完成后的体验效果要求高，该天花综合平面布置情况如图1所示。

该天花造型为了达到仿海浪形态的施工效果，设计为非平面不规则形态，吊杆标高呈现出多样性、复杂性。本工程天花结构面积大、造型复杂、高低不均，涉及专业多且专业性强，内部管线繁多，深化设计量大。天花结构分块制作，安装过程中，板块与板块之间、板块与其它材料之间接缝多、接缝工作量大且接缝处理工艺要求高，导致施工时间长，接缝处理的好坏直接影响整体效果。为了解决这些施工难题，本工程借助BIM 技术全过程清楚地表达了空间造型及其信息，具有较强的现实意义。在安装的过程中，依托BIM 技术研发并运用了铆钉连接和卡扣连接结构相结合的新型榫卯连接施工技术。天花BIM 总模型图如图2所示。

1 海浪异形天花构造要求

1.1 制作要求

图1 某大型商业综合体6#楼3层综合天花图Fig.1 Comprehensive Ceiling Diagram of the Third Floor of Building 6 of a Large Commercial Complex

图2 海浪异形天花BIM总模型Fig.2 General BIM Model of Wave Shaped Smallpox

本工程所用GRG板材的制作，依据施工图纸进行深化设计，拆分整体结构，建立相关的BIM 构件族库，设计团队所有人员依据角色和权限调用需用到的角钢、龙骨、连接件等族库模型，完成排版下料成型。

1.2 安装施工要求

安装GRG 板材时需严格按照安装节点图和安装定位图施工。天花的安装根据优化后的设计图纸采用M8螺杆连接GRG 板片上的预埋吊件［3，4］，确保整体结构悬吊于转换层钢架上。

由于天花曲面的每个点的三轴坐标都在变化，且每片板材的形状尺寸均有所差异，天花的施工按优化后的设计图纸将每片板材精准定位，同步标示每片板材角点三维坐标。所有板块的相接部位预留10 mm拼接缝，在缝内填充柔性粘接材料，缝隙填充满后［5］，在板片间凹槽内贴1～2层40 mm宽玻璃纤维网带加强处理拼接缝，最后再次通过填缝补平拼接缝处凹槽，确保施工效果。

本工程采用BIM 软件全过程模拟脚手架的现场搭设、天花转换层结构复杂节点的施工、板块间伸缩缝的预留情况。现场施工过程中直接将现场问题在BIM 模型中进行批注，其他人员依据权限查看该批注，提高沟通效率，并可截取模型图发送至外部单位人员协调。

2 基于BIM的深化设计

异形天花吊顶在制作之前，需对施工图设计文件的相关内容进一步优化处理，将天花结构的吊杆、二次结构层、钢龙骨、面层板材等部件进行BIM 技术仿真模拟［6，7］，确保结构层的施工及面层 GRG 板材的制作精准无误。

本工程通过Revit 等BIM 软件建模并进行仿真模拟，针对海浪异形天花的造型不规则变化，将其拆分为若干个天花单元，并将每个天花单元的吊顶板边缘深化为榫卯连接节点，便于后期精细化施工。各天花单元同排GRG 分块设计为同尺寸生产并按序编号，有序运输至施工现场。

根据对施工图优化设计的结果，整体天花吊顶板优先考虑拆分为横向1 000 mm 的分块，竖向拆分分格以灯带的布置点及预留洞口设置点为分段点，从而便于校核GRG板材的拼接位置及板材标高，如图3所示。通过BIM软件的仿真模拟，针对海浪异形天花的不规则变化，在每个天花单元板的中间部位设置观测控制点，通过控制点的实时测量对整体天花结构实施过程控制与管理［8］，以保证板块拼接位置的准确性和面板成型的造型完整、流畅。对于直接固定于主体结构的吊顶转换层钢架，还需进行结构荷载计算。

图3 天花拆分单元模块Fig.3 Smallpox Split unit Module

3 基于BIM技术的节点榫卯连接技术研发

3.1 法兰边对敲螺栓连接方案

GRG 板材天花造型安装，常规做法是将每块预制的型材采用法兰边对敲螺栓连接方案进行拼装。施工过程中，拼装天花造型型材时，将2块型材边界的孔洞用对敲螺栓穿过，然后添加法兰盘再用螺母锁紧固定，最后用GRG 石膏粉，使用白乳胶或801 胶水搅拌的填缝粘接材料填充补平凹槽，以达到无缝效果，但存在容易开裂的隐患。

本工程吊顶顶面距离完成面均为1 200～4 000 mm，高度超过1 200 mm，需设置二次转换层，原计划施工节点按图4 施工。若高度超过4 000 mm，则需设置3次转换层。考虑到如对敲螺栓使用不当，会破坏法兰边的抗弯抗折性能，或影响板材天花连接程度，存在开裂隐患，且该工序繁琐，施工工期长，不利于后期维护，该工程在板材天花安装过程中研发并应用了榫卯连接技术。

图4 GRG板材与结构连接示意图Fig.4 Connection Diagram of GRG Plate and Structure

3.2 海浪异形天花拼缝榫卯连接技术研发

本工程天花均为大面积海浪异形天花板材，本文针对常规的GRG 石膏板材料采用法兰边对敲螺栓连接方案进行拼装，存在容易开裂隐患的质量问题，借助BIM 技术对板材的拼缝技术进行改进，研发出天花榫卯连接技术。

天花复杂节点设计及优化方案在CAD 图纸中无法清晰表达，但可以在三维模型中模拟［9］，本工程通过BIM 技术精确表达优化后的节点模型，调整出入较大的设计方案。首先依托BIM 技术将整体天花拆分为若干小单元，单元体拆分为横向1 000 mm、竖向为不确定尺寸的规格，厚度12～15 mm，整体拆分示意如图5所示。

图5 整体天花拆分示意图Fig.5 Schematic Diagram of Overall Smallpox Resolution

为简化安装工艺、缩短施工工期，以实现天花结构的精细化施工，本工程在保证天花施工工程质量的前提下，根据天花造型特点和材料结构性能对GRG板材的结构进行创新设计，采用铆钉连接和卡扣连接方式相结合的做法。沿海浪水平方向采用铆钉连接方式，在制作型材时，预先将铆钉预埋到型材中，安装过程采用铆钉专用螺母扣接即安装完成，无需借助施工工具，方便快捷。卡扣连接方式在垂直于海浪水平方向（纵向波纹边）进行使用，利用型材自重特点，进行卡扣连接结构设计，在连接安装时板块与板块之间增加橡胶垫片，避免板块边结构破损，卡扣连接方式还需使用GRG专用胶固定加固。

优化后的单元体在沿海浪水平方向（横向波纹边）板材中预埋铆钉，预埋铆钉间距为400～600 mm，安装时，板材与板材之间增加橡胶垫，对准拼装板材孔口后插入备用锁母配件锁紧即可，如图6所示。

图6 单元模块铆钉节点及大样Fig.6 Rivet Nodes and Details of the Unit Module

优化后的单元体沿垂直于海浪水平方向（纵向波纹边）板材边采用卡扣结构设计，一边板材为卡牙结构，一边板材为卡勾结构，安装在板材之间对准扣紧，勾扣接触处增加橡胶垫，再运用专用胶粘固填充即可，如图7所示。

图7 单元模块卡扣节点及大样Fig.7 Snap Joints and Details of the Unit Module

沿海浪水平方向（横向波纹边），每2 片相接GRG板材预留10 mm 拼接缝，与传统施工工艺类似，板材拼接边缘处预留20 mm×5 mm 的填缝凹槽，2 片GRG板材拼接时先采用铆钉连接，中间空隙处垫10 mm 橡胶垫片，视GRG板材厚度误差大小调整橡胶垫片厚度或采用双层垫片。拼缝内填满柔性材料，并在2 片GRG 板材间凹槽内粘贴 40 mm 宽纤维网带 1～2 层对拼缝进行加强处理，最后再次通过填缝补平拼缝处凹槽，确保施工达到无缝效果，如图8所示。

图8 异形天花铆钉连接BIM模型图及大样模型Fig.8 BIM Model of Special-shaped Ceiling Rivet Connection and Large-scale Model

垂直于海浪水平方向（纵向波纹边），2片GRG板材拼接时采用卡扣连接，其他做法同铆钉连接，如图9所示。

在施工过程中借助预埋件与吊杆上的连接件进行螺栓连接，吊杆固定于转换层的吊点上，如图10所示。

图9 异形天花卡扣连接BIM模型Fig.9 BIM Model of Special-shaped Ceiling Snap Connection

图10 GRG连接件连接方式示意及连接件实物Fig.10 Schematic of GRG Connector Connection and Connector Physical

3.3 安装完成后成品质量检查

本工程GRG海浪异形天花施工后，隐蔽工程需验收安装连接件是否符合标准、吊杆是否垂直、连接件榫卯、螺栓是否拧紧、加固，面层需验收安装完成定型尺寸是否与实际完成面控制线相符合、边角收口是否合理、安装完成面板是否平整、光滑、顺畅［10］。

成品质量检查标准包含以下5 方面内容：①骨架符合平直，焊缝符合规范要求，2 遍防锈漆处理；②GRG 安装时检查平整度；③接缝处理按照石膏板面板验收规范；④拼封处理前应全面检查平整度；⑤检测闭合尺寸是否完成。

成品检查项目及允许偏差如表1所示。

表1 天花成品检查项目及允许偏差Tab.1 Inspection Items and Allowable Deviations of Smallpox Finished Products

本工程天花安装采用榫卯连接施工技术，确保了超大面积海浪天花施工质量、施工工期、施工安全和节能环保，工程一次成优，施工完成后天花效果如图11 所示。本国际购物中心装饰装修工程于2017 年12 月竣工验收，经过2 年的安全正常使用，各项指标都符合国家规范及使用要求，取得了显著的社会效益和经济效益。本工程获得了“中国建筑工程装饰奖”、“第九届中国国际空间设计大赛金奖”、“全国建筑装饰行业科技示范工程奖”等荣誉。

图11 施工安装完成后天花效果Fig.11 Effect of Ceiling after Construction and Installation

4 结论

本工程应用BIM 技术完成了对超大面积海浪异形天花复杂造型的建造模拟、三维设计、板块加工、安装定位与榫卯连接，实现了天花板精细化生产和现场高效化施工。应用BIM 技术的GRG 海浪异形天花榫卯连接施工技术，使天花施工简单，连接速度快、且精准光滑，在提高工程施工质量的同时缩短了施工工期，节约了施工成本，是一种很好的质量改进施工新技术。