智慧停车项目幕墙和钢结构BIM联合深化技术的探索与研究

雷 华 徐 吉 赵 武 李 翠

中国建筑第八工程局有限公司 上海 201204

钢结构和幕墙专业一般来说均需要进行专业深化设计后，才能加工生产和安装。深化设计是指在业主或设计师提供的条件图或原理图的基础上，结合施工现场实际情况，为了满足加工和现场安装的需要，对图纸进行细化、补充和完善[1]。对于建设工程来说，空间和时间是非常宝贵、有限的建设资源，相关研究指出，空间是造成建造生产力损失的主要原因之一，由于空间交叉造成的施工成本增加高达65%，由于施工道路阻碍造成的施工成本损失接近58%。空间冲突除了会影响施工进度与施工效率，从而造成工期延长外，对于安全施工也有较大隐患。一直以来由于辅助管理者的工具欠缺，往往不能进行较为科学的分析，随着计算机技术的迅速发展，这些问题得以解决。针对如何高效利用空间资源，国内外工程界各方人士进行了很多的探索研究。张建平等[3]研究了城市建筑施工场地狭小而引起的现场管理复杂等问题，提出了运用BP神经网络对施工现场设施进行定位布置决策。王霄燕等[4]对施工流程进行研究，提出了BIM与采购等方面的相关流程。李恒等[5]研究运用遗传算法解决施工场地布置中存在的多目标优化问题。Osman等[6]研究了基于Autodesk CAD和遗传算法的施工现场场地布置优化程序，能够自动侦测空间范围以及计算临时设施费用，并根据其他临时设施布置的要求，通过遗传算法对临时设施布置方案进行优化。吴力平等[7]针对完成的场地布置方案，采用层次分析法建立了描述和评估方案的数学模型，同时定性和定量地对施工场地布置方案进行分析评选。本文针对位于杭州的某场地非常狭小的社会停车楼项目，通过采用Revit软件优化利用空间资源分配，并利用Revit软件中的衍生式设计，分析出若干种空间资源的分配方式，探索在面临狭小场地时，如何高效、安全地使用空间场地资源，如何使用BIM模型对单叶双曲面钢结构和幕墙进行联合深化及受力计算分析。

1 工程概况

本工程为智能化社会停车楼项目，总占地面积6 122.18 m2，地下4层混凝土结构、地上2层为钢结构，由10个相互独立的单叶双曲塔筒组成，幕墙铝板系统，并结合智能停车系统。项目涉及专业有24 m超深基坑施工、单叶双曲大弧管钢结构、单叶双曲面铝板幕墙、机电安装、智能机器人停车系统、园林景观等，而作业面积不足一个足球场面积。项目施工面临众多问题：

1）地上钢结构施工后面临大面积幕墙支撑焊接施工，作业面非常狭小，且施工必须采用登高车进行作业。在登高车上的工人拿取安装铝板，并保证登高车行进的安全与施工效率，对施工场地安排提出挑战。

2）单叶双曲造型钢结构95%以上为焊接刚性连接，幕墙板条定位难度大；总承包方利用Revit软件将场地模型与设计模型整合，管理各专项工程深化设计单位，进行整体深化设计，根据施工进度计划，增加三维模型时间节点，进行施工总体部署和分析，建立不同阶段项目空间分析模型，并考量现场生产的冲突影响，搭建三维模型，利用三维可视化模型对场地进行全面规划，如图1、图2所示。

图1 幕墙模型与钢结构模型整合

图2 钢结构BIM模型

2 幕墙与钢结构联合深化概述

2.1 幕墙和钢结构专项工程介绍

1）本项目地下4层为钢筋混凝土结构，包括TRD工法桩加地下连续墙施工。地上采用钢梁钢柱和局部钢斜撑组成的钢框架-支撑结构，构成10个相互独立的塔筒，其中钢梁采用箱形梁、H型钢、钢柱，支撑采用圆钢管。楼板采用钢筋桁架组合楼板，梁上设栓钉。商业层标高为17.20 m，屋面层标高为21.71 m，在商业层4个中心塔筒采用连廊连为一体，屋面层整体连通。幕墙形式为10个单叶双曲率铝板塔筒，其中幕墙龙骨焊接到双曲弧管钢结构上，龙骨连接为耳板焊接直径为15 cm的小弧管，每段弧管按初步设计中的表皮内收24 cm作为幕墙骨架，通过抱箍连接件支撑铝板面板。其中，幕墙龙骨深化时需根据钢结构的深化模型与实体扫描RCP模型及管道BIM模型综合考虑完成深化设计工作，考虑钢结构的变形影响与屋顶虹吸式150 mm直径的排水管，将龙骨在排水管处截断、加强。

2）幕墙龙骨定位：本工程由10个造型各异的塔筒组成，根据建筑幕墙造型反推龙骨中心线位置，每个塔筒通过69个直径不同的同心圆构成，深化设计通过钢结构弧管提供的支撑点焊接耳板，将每圈同心圆固定，为幕墙面板提供支撑点。69个同心圆组成的龙骨共计690圈，每一圈都需要上下边的半径作为造型的约束条件，共计需要控制1 380个半径值。保证众多半径控制的曲面光顺流畅是本次生产的控制重点。弧形面板经多次对拼焊接后，焊接造成的应力使得板件发生较大变形，为检核形变数值，保证板面曲面准确性，在焊接后增加弧形板曲面校核流程，利用铝板裁出的靠模对其弧形面进行校验，因此需要针对不同半径制作不同的靠模进行比对校验，如果发现偏差过大，将进行曲面修正，直至曲面符合标准，如图3、图4所示。

图3 幕墙龙骨现场照片

图4 幕墙铝板安装现场照片

3）耳板定位：本工程铝板板块数量共计约20 000个，对应约7 000个耳板点位，由于主体钢结构误差造成耳板进出位尺寸众多，每个点位均为一个独立的空间三维坐标，无重复性和规律性，造成定位时间长，也造成耳板加工尺寸众多。利用激光扫描仪对主体钢结构进行整体扫描，将扫描数据返回后对模型进行调整，测量后对调整数据进行复核，给出耳板进出位尺寸，如图5、图6所示。

图5 幕墙耳板BIM模型

图6 现场环形耳板照片

2.2 专项工程BIM联合深化步骤与要点

幕墙专项和钢结构专项工程分属不同设计部门，因此其深化流程和内部深化节奏有很大差异，幕墙和钢构件中所有构件均在各自加工厂加工，而后分批次入场测量安装，且其专业内部在安装时存在构件安装和堆放的逻辑顺序，由于专业性较强，对总承包方的深化设计管理能力提出较高要求。总承包方利用设计BIM模型明确深化责任，细化深化设计要求，包括交叉连接点、收口处做法等。划分钢结构和幕墙专业界面边界及互相提资时限，建立项目深化设计例会制度，及时组织各专项工程的条件提资与深化模型评审，避免幕墙与钢结构及其他专项工程因入场时间不同而造成后进场专业配合困难和相互扯皮的情况。

二次合模深化流程：为保证建筑最终的设计造型效果，钢结构专业与幕墙专业需要配合完成整体面板曲率的安装，钢结构作为整体骨架支座，通过大量不规则弧管提供给10个造型各异塔筒的框架整体单叶双曲造型，但由于钢结构95%以上为刚性焊接，从主体钢结构到铝板面层连接节点也基本为硬性连接，主体结构误差再加上铝板安装误差累积，对产品加工精度及安装精度要求大大提高。需要对钢结构与幕墙进行二次合模。第1次为钢结构深化Tekla模型与建筑幕墙表皮设计偏差碰撞复核，调整钢构件与幕墙表皮相互匹配，第2次为钢结构安装完成后，进行现场实体模型扫描，核对偏差，幕墙龙骨根据实际扫描出来的模型，在深化表皮上做收进，完成龙骨生根定位深化设计。在钢结构吊装作业时，需要综合考虑构件运输与吊装安全，地下室顶板的受力开裂风险，计算复核地下室顶板在基本组合中的正常使用极限状态下的裂缝限值。

2.3 构件安装时进行衍生式计算分析堆场

钢结构作为地上主体结构，10个单体钢结构构件分批次进行安装，每批多个单体实行多工作面同时施工，且构件连接90%为刚性连接，由于本项目场地太过狭小，钢结构中的所有钢构件按照深化模型的编号，根据现场安装总规划分批次入场，卸载到指定位置，构件堆放应避免受压和受拉等变形损坏。总承包方需与钢结构专项分包单位在BIM场地模型中共同对每一批次入场的深化构件的堆放区域进行分析管控，在整体场布模型中模拟不同时段中钢构件的入场数量与堆放位置，采用衍生式设计模拟现场用于吊装安装的升降车数量与吊装焊接工人的操作时间，近似计算安装时间，找到最优解。幕墙构件相对于钢构件，体积小，较为轻便，使用小型登高车进行安装，幕墙钢龙骨与铝板同样采用在场外加工后运至现场进行安装。但是，幕墙龙骨与板材相比钢构件数量多，型号更加繁杂，工人拿取构件进行安装时较为不便，总承包方与幕墙专业深化单位共同针对工人拿取单元板时的便捷程度与单元板的进场堆放区域，进行衍生式设计分析，寻求安装时材料堆放场布的最优解法。利用Revit 2022版中Dynamo程序与衍生式计算功能进行分析得出方案，选取相对的最优解。

2.4 总承包方安全管理

当进行地上钢结构吊装时，塔吊已经拆除，故钢结构吊装作业时全部采用重型吊车。10个不同造型的单叶双曲塔筒由3辆重型吊车作用于地下室顶板进行吊装作业。总承包方需要根据吊车载重，全面计算分析地下室顶板的承载力是否能够承担重型吊车的荷载，保证钢结构吊装作业时满足已完成地下室结构的安全性与适用性的规范要求，需要保证地下室框架的承载力与地下室顶板裂缝的规范要求。总承包方技术部采用Autodesk Revit 2022版本的土建深化模型，对地下室混凝土结构构件输入结构分析参数，将模型中的梁、板、柱转化为分析模型，对构件输入混凝土参数与配筋参数后，将分析模型导入Autodesk Robot Structural Analysis Professional 2022版计算分析软件中进行运算。根据GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》（2015年版）中承载能力极限状态和正常使用极限状态规范具体规定，分别选取相关计算公式和参数，计算行车区域内梁、板、柱的承载力，使用Autodesk Revit 2022版与Autodesk Robot Structural Analysis Professional 2022版的交互计算，如图7所示。

图7 Revit结构分析模型

由于Autodesk Robot Structural Analysis Professional 2022版使用的是欧洲标准的计算分析模式，需要将我国的分析参数重新输入软件进行受力计算。根据相关公式计算出的结果满足国家规范要求，各个吊装区域均满足安全需求。针对裂缝较大区域加派小型吊车配合分担载重，确保安全施工。

3 结语

首先，针对综合深化，总承包管理人员在与专项分包进行对接时，需对各专业间存在的交叉面进行重点和精细化管控，尤其是幕墙以钢结构为支撑主体，需要管控钢结构安装后的整体变形与局部变形，否则幕墙龙骨需花费较大成本来调整，以保证最终幕墙完成效果。特别对于汽车坡道入口处的混凝土上翻梁，将地下室三维BIM模型整合钢结构模型、幕墙模型后，发现上翻梁与钢结构无碰撞，却与幕墙铝板碰撞，此时，需要对幕墙龙骨进行调整。若没有进行整体模型整合，在龙骨安装后，安装幕墙铝板时会出现安装不上的情况，造成一定的返工损失。因此，总承包管理人员需将所有专业模型进行整合和综合审查，摒弃传统深化模式，而采用BIM综合模型深化模式。

其次，针对施工现场整体的空间与安全管理，总承包管理人员需统筹规划施工现场内的空间资源进行合理分配，在充分发挥空间资源利用率的同时，确保现场施工安全。由于幕墙铝板安装需要工人消耗很多时间拿取板材，管理人员利用Dynamo编程对Revit模型进行参数化编程计算分析，针对构件吊装效率与吊装成本，进行衍生式设计分析，设置限制条件范围，利用计算机衍生式计算得到最优解范围，选取适合本工程的堆放区域。由于钢结构吊装设计重型车辆压过地下室顶板，总承包管理人员需要对行驶路径进行安全复核，管控地下室裂缝在允许范围。分析人员安全施工、物料配给方案、道路拥堵等，不断进行动态调整，采取纠偏措施，形成可信的工程数据。通过空间与时间上的相互配合，降低整个项目成本。

建设工程管理是非常庞大而复杂的工作，需要全面而综合地考量与分析各种相关因素对工程项目推进的影响。本工程利用数据模型的拟合计算，理论结合实践，实现了工作空间最佳化配置、道路规划及资源配备合理等方面的探索应用。利用BIM软件进行论证与实践，综合解决空间配置与安全问题。随着软件技术的进步，今后还需要尝试采用更多的分析软件，进行更加全面、综合的论证分析及实践经验的总结，提高建筑施工行业的理论分析能力，实现建筑工业化。