陈 浩 杨 蒙 王 跃 毕研超 丁玉涛 吕家玉 杨佳昊

中建八局第二建设有限公司 山东 济南 250014

1 工程概况

安徽省阜阳市科技文化中心外幕墙为穿孔铝单板幕墙，整个建筑由5条曲率不同的腰线进行分割，水平方向有内弧和外弧。

铝板板块为不规则的平行四边形，各板块尺寸均不一致，其支撑体系的基层钢骨架尺寸和角度也各不相同。竖向钢龙骨317根，平均长49.63 m；横向钢龙骨113根，平均长507.00 m。钢骨架需采用连接件准确定位于环形钢梁上，保证面层穿孔铝板位置准确。本工程幕墙结构为外悬挑的双曲面造型，施工难度相当高（图1）。

2 工程主要特难点

图1 阜阳市科技文化中心效果图

1）本工程为外倾斜、悬挑、弧面结构，外圈基层全部为钢龙骨基层，竖向钢管尺寸为150 mm×80 mm，横向钢管尺寸为80 mm×80 mm。高空作业焊接量大，空中焊接误差以及焊接质量控制困难，施工过程中容易造成返工延误工期，同时对环境存在污染。

2）每一块板块的造型均不相同且存在曲率变化，基层钢骨架加工无法进行批量生产，同时，穿孔铝单板幕墙的最高高度为32.41 m，高空施工安全性要求较高。材料运输及施工也存在诸多不便，工人需要站在脚手架上徒手对材料进行定位，无法使用机械设备辅助施工，因而增加了施工难度。

3）工程采用满堂脚手架施工，前期需搭设基层龙骨脚手架，进行基层龙骨施工（约113 768.83 m3）。待基层龙骨施工完毕后，需要拆除内侧脚手架并对架体进行调整，其中，拆除架体约40 000 m3，重新搭设架体约8 000 m3，剩余架体约80 690.59 m3，待面层铝板施工完毕后再进行拆除。脚手架施工周期较长，从经济成本考虑，发生的费用较高。

4）工程的外观造型复杂新颖，内部空间结构多变，异形结构想象困难，传统测量放线技术无法满足施工要求。脚手架的施工及放线会发生遮挡关系，部分点位存在无法标记的问题；搭设的脚手架架体与龙骨的位置冲突，存在部分无法施工的问题。项目的现场施工及质检管理，因遮挡关系也无法进行全数检查，存在质量隐患。

5）基层钢骨架通过转接件与主体外围环形梁相连接，其施工三维定位及施工顺序难度大，骨架制作对技术人员素质要求较高。每个班组均需配置全站仪及技术员，技术人员要对该片区的所有施工作业人员进行管理。每个工人都要根据所在点位进行施工，每个交接点位均要进行坐标定位，点位较多且检查困难，增大了管理难度[1-8]。

3 BIM的相关应用

3.1 Rhino & Grasshopper介绍

Rhino软件的中文名称为“犀牛”，是一款优秀的三维建模软件，包含了所有的NURBS建模功能，可以把复杂的模型转换为基本的点、线、面等要素，从而更方便地实现对建筑物的分析、优化处理。

Grasshopper是一款内置于Rhino软件中，采用程序算法生成模型的参数化建模插件。与传统建模方式相比，Grasshopper类似于计算机编程，可以运行高级复杂的逻辑性建模指令，从而使计算机根据拟定的算法自动生成相应的模型。Grasshopper还可以对模型进行批量的逻辑性分析。

3.2 Rhino & Grasshopper在施工中的应用

Rhino & Grasshopper可以根据表皮模型，结合现场的实际情况对建筑物所需要的构件进行制作及优化，对所用材料的加工、下单起到指导性作用。软件可以提取模型中精准的坐标点，提高现场施工放线的准确程度。

4 主要技术创新

4.1 基于BIM技术的钢骨架加工制作

通过Rhino软件对原双曲面铝单板进行细微调整，在不改变外形效果的情况下将复杂的双曲面（变曲率）铝单板分割调整为简单的、易操作的多平面结构；通过Grasshopper提取坐标点结合全站仪现场配合，进行双曲面（变曲率）铝单板龙骨的精准放样；通过Rhino的曲面造型优势对双曲面幕墙钢骨架进行单元板块划分，实现双曲面铝板幕墙模块化制作。

4.2 基于BIM 技术的幕墙模块化施工

本外幕墙装饰体系选用措施方案为双曲面铝板幕墙模块化施工吊装方案，运用BIM技术建立龙骨体系模型，对龙骨体系模型进行单元分割，根据导出的数据坐标对每个单元模块进行加工制作；现场结合全站仪、水平仪等进行三维坐标空间定位，使用起重设备将单元模块安装至既定坐标点，实现幕墙模块化吊装施工。

遵照按区域、施工段划分检验批的原则，采用“由低到高，区域施工”的基本思路，避免由于结构变形、标高不规则变化等诸多因素引起的质量问题。

5 工艺流程

本工程双曲面铝板金属幕墙的施工工艺流程为：深化设计→建立BIM模型→提取三维坐标点→主体结构偏差复核→BIM技术参数化提取→模块化施工拆图→模块化钢骨架的加工制作→钢骨架的吊装及转接件定位焊接→伸缩钢横梁安装→结构复测与模型调整→面层铝板加工→铝板安装。

6 操作要点

6.1 基于BIM技术的模型深化参数化数据提取

双曲面铝板幕墙龙骨通过设置连接件的方式进行固定，骨架单元板块较大，需提前考虑满足后期铝板幕墙的安装及成形观感要求，并且避免因受力造成龙骨变形过大。而在设计之初，设计院只出具建筑外造型表皮模型，二维图纸不具有参考价值，给后期施工带来了极大难度，且常规的放线方式无法满足测量定位的准确要求。故借助Rhino软件建立三维的建筑信息模型对二维图纸进行深化设计，预先发现图纸中与土建结构或钢结构之间的碰撞等问题。

6.1.1 深化设计、建立BIM模型

幕墙深化设计通常采用Rhino软件。Rhino软件在曲面幕墙建模上具有较大的优势，主要包括以下几方面：能够方便地分割幕墙曲面，分割后的幕墙曲面基本无误差，可以很好地标注曲面的展开边，并且可以很好地与其他工程软件相兼容；可以把建筑各专业的实体模型进行信息导入，对于看不懂其他专业图纸的工程人员来说，也可以很直观地发现是否存在问题，为后续的施工起到指导作用；在后期阶段，随着工程的顺利开展，各家的细节深化及图纸绘制也可以随时进行更新，提高了工作效率，节省了时间成本。

针对已完成的土建模型、钢结构模型、设计院提供的外表皮模型（图2），先选定同一个坐标系原点，然后导入Rhino软件中。对模型进行龙骨深化制作，及时发现施工过程中可能存在的碰撞问题，及时联系建设方和设计方进行解决，为后期的实体施工做好技术准备工作。

图2 阜阳市科技文化中心外表皮模型

6.1.2 提取三维坐标点

使用Rhino中的Grasshopper插件，对已经检测过无碰撞的幕墙骨架进行参数化分析，提取转接件及钢龙骨的定位点，用于指导实际施工（图3）。

图3 带坐标的竖龙骨模型

建立该建筑的特征控制点，本工程的特征控制点是指三维建筑空间腰线位置的各个突变曲面的位置交点。通过对特征点的控制，再对各个轴线进行细化分割，由整体到局部，并对特征坐标点进行醒目标识。

对转接件位置及单元模块龙骨的主要点位进行提取，提取的点位数据用于后续吊装工作的三维坐标定位。

6.1.3 放线定位

为了减少主体结构施工偏差对幕墙安装精度的影响，需要在理论模型建立后对主体结构进行复测。复测内容包括层高、主体钢结构边梁水平进出尺寸、球形网架施工偏差等。

1）为保证工程的施工准确，在现场放线前将所用到的全站仪、水平仪、钢卷尺等测量工具送至相应的仪器检测机构进行全面的检查和校正，使仪器的各项性能指标均满足相应的精度要求。

2）复测土建提供的原始坐标及标高，检查是否存在沉降或施工偏差等问题，发现问题及时与相关单位进行沟通解决。

3）根据土建提供的基准坐标，先使用水平仪对场区施工范围进行水平放线定位，确定准确无误后进行弹线及水平坐标点的绘制工作。此阶段主要是为后续的纵向坐标提供支撑体系。

4）以主体钢结构模型为基础，从模型中选取部分特征点为目标，特别是腰线位置定位点，通过全站仪对主体结构进行复测并统计各特征点的主体结构数据，复测完成后在主体钢结构边梁上通过焊接角钢定位点进行点位固定（图4）。

图4 幕墙定位点（悬挑角钢）

6.2 基于BIM技术的双曲面金属幕墙模块化钢骨架的加工制作

每个分割好的模型又是一个单独的框架，根据单个框架提取的三维坐标系制作相应的单元骨架。

6.2.1 模块化施工拆图

根据建筑物的特征控制点，使用Grasshopper对317根框架竖龙骨进行分割提取，从整体到部分将整个框架进行分割。分割标准为以每5根竖龙骨为1个板块（图5）。

每根竖龙骨的剖面均制作加工图，确定每根竖龙骨的切角角度及横龙骨相对应的位置（图6），提高龙骨的安装精度，确保龙骨的制作误差不会影响面层幕墙的精度控制。每个单元板块高度不超过10 m，这样分割可以有效地控制单个板块的质量，避免龙骨单元模块吊装成形后，因板块过大造成应力变形不可控。单元板块与板块之间伸缩横龙骨使用登高车进行安装，将分割好的单元板块统一整理，通过Rhino的曲面造型优势进行异形龙骨及铝板的材料计划编制。

图5 单元板块分割

图6 龙骨相对位置及角度

利用BIM建模技术，对本工程外幕墙进行模块化施工，将整体幕墙分为若干模块，解决了高空施工因遮挡关系造成的定位难题，减少了技术人员投入。带编号的单元板块能更加直观地反映进度和质量的管理工作。

6.2.2 模块化钢骨架的加工制作

根据每个单元模块的模型，对横竖龙骨的坐标点位进行分析，得出每个坐标点的相对位置和角度。根据提取数据的相对位置及角度切割制作相应龙骨，并标注编号位置。

制作完毕后根据模型对制作好的龙骨进行拼装焊接（图7），对制作完毕的模块化钢骨架进行统一整理堆放，避免占地过大，影响其他专业的施工。模块化钢骨架的加工制作解决了高空焊接量大且焊接质量控制困难的难题，降低了作业难度，减少了作业成本支出，避免了高空焊接引发的火灾隐患。

6.3 基于BIM技术的双曲面金属幕墙模块化施工

6.3.1 模块化钢骨架的吊装及转接件的定位焊接

按照单元模块编号，根据模型提取的转接件及单元模块绝对位置数据，使用塔吊或汽车吊将该单元吊至相应位置，校核数据无误后将框架使用连接件进行固定（图8）。

图7 单元模块加工制作

图8 单元模块钢骨架吊装

吊装采用先下后上、从左到右的原则，将所有的单元板块固定到其相应的位置。

外立面幕墙均为内倾和外倾的剖面形式。对于外倾斜处幕墙，吊装时需先将组装好的幕墙钢骨架垂直起吊，将钢骨架吊装至相应位置，然后通过手动葫芦将钢骨架底侧向室内侧方向拉，使钢骨架缓缓下降，保证幕墙钢立柱与下层钢立柱的顶端对齐，然后通过外接钢插芯进行临时固定。待复核每根立柱定位点之后，再将幕墙钢立柱顶端的10#槽钢转接件与横向300 mm×200 mm的钢方管弧形梁进行焊接，然后逐层向上安装，从而实现构件式幕墙单元化的安装方式。此种施工方法既可提高安装速度，也可以保证幕墙龙骨的定位精度。单元式金属板龙骨吊装完成后，每块龙骨单元式板块利用小型电动滑索进行单独施工微调，减少因拼装精度导致表面铝单板误差过大的问题。模块化吊装方案的实施有效解决了常规工人高空作业定位的难题，既保证了施工精度，又提高了施工过程的灵活性。

6.3.2 双曲面金属幕墙钢骨架伸缩钢横梁安装

单元板块吊装完毕后使用全站仪对其进行校验，校验无误后根据校验数据补齐板块与板块之间预留的伸缩横龙骨。

6.3.3 结构复测与模型调整

钢龙骨框架施工完毕后，对整体框架进行校核，将现场与模型进行比对校验并反映到模型中，根据现场对模型进行据实调整。

6.3.4 双曲面金属幕墙面层铝板加工

模型制作完毕并检查无误后，根据提取的数据尺寸对面层铝板进行加工制作。

6.3.5 双曲面金属幕墙面层铝板安装

铝板到场后，使用高空车根据单片铝板的绝对坐标点进行安装。安装过程中注意成品保护，对局部龙骨变形位置进行栓接调整。

7 结语

本文以阜阳市科技文化中心项目为背景工程，分析研究了双曲面铝板金属幕墙的施工难点。通过对双曲面幕墙钢骨架进行单元板块划分，实现双曲面铝板幕墙模块化，利用平地焊接逐块吊装的方法，解决了施工技术难题，有效控制了施工质量，降低了作业成本，缩短了工期，保证了安全。本工程的双曲面铝板金属幕墙模块化施工工艺在实际工程中得到了成功应用，总结的相关施工经验可供类似工程借鉴。