随着经济社会的不断进步和人民生活品质的日益提升,多样化的建筑造型已然成为城市形象的重要展示 方式｡在这些造型各异的建筑中,曲面建筑以其流畅优 雅的造型和温婉柔和的特质,深受人们的青睐｡另一方 面,采用复杂曲面建筑形式往往也为施工技术带来了挑 战:独特的造型意味着需要更加精确的测量和计算以及 更加精细的建造工艺,复杂的结构形式也对施工路线的 制定以及施工过程的管理､监控提出了更高的要求｡因 此,如何在确保施工安全及质量的同时,有效地提高施 工效率､控制建造成本,是复杂曲面混凝土壳体施工中 需要解决的重要共性问题[1-3]｡

1、工程概况

在水一方工程位于上海市奉贤区“上海之鱼”的核心位置,项目名称取自《诗经》中的“蒹葭苍苍,白 露为霜｡所谓伊人,在水一方｡”整体建筑造型由下部 隆起的“绿丘”和上部起伏的“云朵”叠加而成,内 部形成地景式的流动空间｡建筑结构形式为多个连续 的不规则双曲面混凝土壳体,如图1所示｡总用地面积 16 755 m2 ,建筑面积29 576.7 m2 ,建筑高度为19.8 m, 最大单跨跨度为52 m｡

图1 在水一方工程建筑效果图

2、施工技术重难点分析

1)为实现形态轻盈飘逸､体验流动自然､功能多 元可变的设计意图,本项目采取了大跨度空间双曲面变 厚度预应力混凝土壳体的复杂结构形式,施工精度的控 制难度极高｡

2)结构受力体系包含双曲面变厚度混凝土壳体 (内含钢骨及有/无黏结预应力)､核心筒､X型墙(内 含钢骨)､异形开花柱､混凝土壳山包等各类复杂形 式｡施工工序对结构受力机理影响显著,因此需确保施 工过程结构受力转化合理,兼顾安全､质量和效率,难 度极高(图2)｡

图2 结构体系分布

3)主体结构上､下壳面板厚250~1 300 mm,最大 坡度28°;竖向支撑结构由曲面壳体山包和异性开花柱 组成｡壳体山包厚达300~950 mm,最大坡度48°;6处 受力最大的区域各布置有异形开花柱｡整体的曲壳结构 空间定位､超限支模､模板加工等难度均极高｡

3、数字化施工关键技术

3.1 基于BIM的参数提取数值模拟

为确保工程施工各个阶段能够顺利推进并达到预期目标,本工程采用ANSYS有限元软件对建造全过程进行 精细化模拟分析,而工程分析对象的几何模型构成了有 限元分析的基础｡ANSYS软件为用户提供了灵活多样的 建模方法,以适应不同复杂度和精度的分析需求｡几何 建模方法包括直接建模､几何模型导入､参数化建模､ 混合建模等[4]｡

本项目双曲面混凝土壳体造型复杂,采用几何模型 结合参数化的混合建模方式｡在BIM模型基础上进行图 形化编程,提取模型当中关键的几何三维信息参数,并 将提取的参数导入调用APDL宏文件的二次开发程序, 实现与ANSYS之间的参数数据传递和参数化建模,如图 3所示｡

建模完成后,充分考虑施工工序对结构受力机理 的影响,对不同施工路线的方案进行数值模拟分析和论 证,从而确保施工过程中结构受力的合理转化,为整体 施工路线的制订提供了坚实的基础｡

3.2 基于BIM的曲面壳体模架深化设计

3.2.1 排架立杆与高度深化

由于双曲面混凝土壳体结构板面标高各不相同且变化规律复杂,现场排架立杆的标高定位难度较大｡为精 准控制壳面及山包形状,在结构BIM模型的基础上,进行排架的定位与模架深化设计｡排架设计布置导出各对 应位置排架立杆的标高及平面定位,形成满足现场排架 搭设施工的定位轴网[5-7],如图4所示｡

图3 基于BIM参数提取建立有限元模型

图4 山包区域排架定位

图5 预埋竖向套筒及定位钢筋模型

上部壳体施工时,需在壳面顶部搭设排架,但大 坡度对排架稳定性非常不利｡为确保排架体系稳定,在 下部壳体采用预埋竖向套筒及定位钢筋,防止立杆滑移 的方式解决大斜坡立杆稳定性问题｡为保证预埋位置准 确,对壳体建立排架模型进行分析与参数提取,确定 壳面上立杆坐标位置,为现场施工提供了指导,如图5 所示｡

3.2.2 曲面壳体模板深化设计

在壳体模板深化中,通过参数提取精确得到各山 包及上､下壳面面积,为曲面模板工程量提供了基准数 据｡同时,针对各山包及上､下壳面进行曲率分析,结 合模板可塑性设置曲率参数区分不同曲率施工区,划分 大曲率施工区域和小曲率施工区(图6)｡

图6 曲面曲率分析与模板展开

大曲率区模板采用小板密拼方式,确保造型轮廓准 确,并在模板底部以方木进行支撑,以契合曲率变化;小曲率区采用整板铺设,从而降低施工难度､提升施工效率｡

通过图形编程计算,将模型曲面按500 mm高度间距 绘制出曲面等高线图(图7),通过等高线确定架体施 工平台的高度和位置｡

通过图形编程,提取曲面高度控制立杆高度和横 杆位置参数,自动批量生成参照坐标信息,结合盘扣排 架的可调式顶､底托杆件与U型扣,满足100~500 mm 的施工高度调节,指导施工现场排架支模施工的精确调 整,保证了曲面模板的施工精度(图8)｡

图7 曲面等高线图

图8 排架支模搭设现场

在山包门洞模板深化中,提取了门洞构造模型并通 过表皮展开进行放样,同时导出该区域三视图生成深化 施工图,辅助现场施工[8-10]｡

3.2.3 异型开花竹模板深化设计及施工

常规开花柱采用木模施工,通过提取曲面柱表面模 型进行竖向分割,形成竖向模板条,处理后导出深化施 工图纸用于现场加工(图9)｡

图9 开花柱模板深化

针对表面要求高的异型开花柱,则采用3D打印模板 (图10)｡综合考虑3D打印的成本与时效性,将柱模型 按每1.5 m高度进行横向分段,分段模型经格式转换导入 3D打印设备中,进行异形曲面模板分段打印｡

开花柱内部钢筋搭接节点复杂,通过建立内部钢筋 模型,模拟异形开花柱施工步骤(图11),优化了内部 搭接节点与模板搭设流程｡

3.3 BIM结合三维激光扫描的施工控制

在施工区域,依托现场放线控制点和轴网,建立 三维坐标系参考基点｡扫描设备使用徕卡RTC360三维 激光扫描仪,扫描精度1 mm+10 ppm(1ppm=10-6), 200万点/s｡其单站扫描作业快､无需标靶智能拼接的特点,十分适合现场复杂的作业环境｡站间点云重合率不 应小于50%,同时尽可能清理出扫描作业区域,避免遮 挡和大量的内业数据去噪作业[11-12]｡

图10 3D打印模板

图11 开花柱施工工序模拟

点云数据采集后,进行内业数据拼接､去噪､统一 化等流程后进行格式转换｡本项目采用ReCap软件进行 格式转换,以方便将模型导入Revit中进行模型的偏差比 对｡比对结果呈现成片红色区域(图12),负向偏差需 要尽可能避免和调整｡导出偏差比对分析图及位置坐标 信息,指导现场进行模架造型纠偏,从而保证最终建筑 效果符合设计要求｡

图12 BIM模型与现场点云模型比对

3.4 曲面壳体模架数字化监测 针对本工程结构受力模式复杂的特点,为保证壳体 施工过程安全并符合设计意图,对支模排架受力状态进行了数字监测(图13)｡

图13 高支模监测系统界面

变形监测主要以排架的倾斜和模板的位移监测为主,荷载监测采用压力传感器监测立杆底部[13]｡监测采 用自主研发的高支模排架监测设备(IMS.CNE-091), 如图14所示,技术参数如表1所示｡

图14 高支模排架监测设备

表1 高支模监测设备技术参数

设备包含高精度倾角传感器､高精度力传感器､激光测距模块等传感部件,采用无线数据传输并自带电 池,工作状态待机96 h以上,无须现场接线､接电,能 够快速完成现场的规模布置｡

重点监测区域为壳体厚度最厚的位置,监测频率为 1次/30 s ｡监测各项预警值分别为:立杆轴力10 kN;立 杆倾角0.22°;模板沉降位移10 mm｡混凝土整体浇筑 过程通过等高线分层分区进行,根据“由低到高”的原 则进行浇筑｡600 mm以下板一次性浇筑完成,600 mm 以上板分2次进行浇筑｡从现场浇筑过程中的监测数据 来看,监测数据的变化趋势与施工工况计算的发展趋势 基本一致｡

本工程壳体施工过程中还采用⌀609 mm×16 mm钢 管作为竖向临时支撑立柱,共计71根,其中26根钢立柱 顶部采用液压自动分级卸载系统｡液压自动分级卸载 系统设置一个带回锁功能､压力量程达3 000 kN的油压 缸,可根据要求进行逐级卸载｡

为确保结构卸载过程中受力稳定､结构受力转换过程安全,对结构临时支撑系统进行轴力监测(图15),并将监测结果上传系统平台,可实时分析查看轴力数据 变化[14]｡

图15 钢管临时支撑监测

3.5 BIM全过程施工应用

BIM应用应结合实际整体考虑,突出亮点,总体考 虑BIM应用的实施可行性､投入产出比和集群效应[15], 具体实施措施如表2所示｡

表2 施工难点与BIM实施措施

1)设计协调方面,面对大量复杂双曲结构形式建 筑,二维图纸难以直观反映工程空间位置的问题,通过 对三维模型检查,发现､纠正前期设计中的碰撞冲突等 局限(图16)｡

图16 预应力波纹管与钢结构加劲板冲突

2)施工组织策划层面,在施工前进行施工场地策 划,消除可能出现的空间冲突､科学合理布置大型机 械､规划有效工作路线(图17),有助于降低机械使用 费,确保工程顺利实施｡

3)各专业深化层面,对各专业进行BIM建模与深 化,提前深化结合预制构件加工,有效提高了构件精 度,降低施工难度,避免施工碰撞及大量现场后期的打 孔､切割､焊接等工作(图18､图19)｡

图18 梁开孔节点深化

图19 机电管线与结构碰撞

4、结语

本项目通过BIM技术结合数值模拟分析､深化设计 参数提取､BIM施工指导､数字化监测等方面的工程数 字技术,解决了在复杂双曲面混凝土壳体施工中模架设 计､施工过程管理､混凝土浇筑过程动态控制问题,初 步实现了结构施工全过程的数字化支持､管理及监控, 确保了施工安全并显著提升了工程质量和效率｡主要技 术创新包括:

1)BIM技术延伸方面,探索了设计BIM模型在施工 阶段进行施工深化处理和导入有限元分析延伸应用的可 行性｡

2)施工深化设计方面,结合可调节式模架体系, 实现了双曲面壳体施工模板排架的参数化深化与自动化 数据提取,为施工提供有效的基础数据支持｡

3)施工经济性方面,通过BIM模型分析得到标准 盘扣排架高度和区域结合可调式的顶､底托杆件的使 用,精细化了盘扣排架及可调管件的使用量,极大减少 了非标情况下钢管需要割除的损耗,同时,对模板的分 析划分,减少了模板的裁切,显著提高了周转次数｡通 过全过程BIM施工应用,在施工前对施工方案进行多次 优化和调整,有效减少了施工过程中可能出现的错误和 返工现象,直接降低了施工成本,节约人工与材料成本 约400万元｡

4)施工质量控制方面,三维激光扫描技术的应用 保障了模架搭设与设计双曲壳面贴合,确保完成后的建 筑形态符合设计要求,在提升施工质量的同时,显著减 少了质量管理人员的工作量,并提高了施工工效｡

5)施工安全管理方面,形成了针对复杂曲面混凝 土壳体浇筑施工过程的专项数字化监测手段｡实现混凝 土壳体高支模施工作业过程中的安全监测及自动预警, 有效保障了施工安全｡

上述研究成果,可为今后复杂空间曲面混凝土壳体 结构的同类工程提供参考｡

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基金资助:国家重点研发计划资助(2023YFC3806900);上海建工集团项目资助课题(23JCSF-05);

文章来源:赵英吉,王美华,王建.复杂曲面混凝土壳体结构数字化建造技术研究及应用[J].建筑施工,2024,46(12):2007-2011.