重庆万达城展示中心以重庆市花———山茶花作为载体, 主体结构由异形不规则花瓣结构的空间异形钢结构组成, 外包双层多曲面幕墙, 顶部为大跨度双曲单层网壳采光顶, 吊顶为新型软膜天花 (见图1) 。本工程通过立体交叉施工部署, 进行施工技术创新, 实现快速施工复杂展示类综合体。

项目在制定进度计划前采用《分部分项施工难度打分法》对涉及到的分部分项工程施工难度进行划分及难度排序, 将模糊的难度概念数字化。

由项目总工程师组织生产经理、商务经理、物资经理、质量总监、安全总监及分部分项工程施工的分包单位项目经理组成评定小组, 对分部分项工程施工难度评分表中的选项逐个打分 (见表1) , 根据分值大小确定出本工程关键施工线路, 提前为难度较大的施工做好准备, 如表2所示。施工难度平均得分P计算公式如下:

经过综合评价得出几个难度较大的分部分项工程的综合难度评分如图2所示。

由此可知, 本工程关键施工工序为采光顶施工、幕墙钢结构施工、沙盘施工及钢结构主体施工。若涉及到多个不同工序存在交叉、重叠、矛盾, 普通施工路线应让步关键施工线路。

平基→基坑开挖→基础施工→主体结构施工→主体钢结构吊装→楼板/屋面施工→采光顶吊装→内幕墙、砌筑二次结构、机电预埋施工→外幕墙、机电设备安装 (包含沙盘施工) 、内装饰→其他工程。

土石方工作与地下室结构必须在最短时间内移交至下一道工序, 主体钢结构施工与室外小市政同步施工;地下室机电与1~2楼内、外装需同步施工, 沙盘施工与采光顶内膜施工满堂架体相冲突, 但作为展示中心的核心, 沙盘安装及调试至少要1.5个月, 且需严苛的施工条件, 为本工程关键线路, 故应立即停止上述尚未完成的内膜作业, 拆除满堂架, 内膜尾项作业采用登高车来配合完成。对靠近沙盘有较大粉尘的装饰装修工程采取措施降低粉尘, 保证沙盘顺利安装。

1) 展示中心为边设计、边施工, 出图时间短、图纸复杂、幕墙与钢结构设计不是同一单位, 图纸中碰撞多, 出图的质量直接影响施工进度。

项目在设计期间同步跟踪出图结果与出图质量, 同时同步建立BIM模型进行碰撞检查, 及时反馈图纸错误及碰撞部位和对工期有重大影响的设计, 保证图纸质量和可操作性, 避免返工、保证工期节点。

2) 传统施工前准备工作流程为:设计院图纸下发→施工单位依据经验通过二维方式进行深化 (影响深化质量可变因素较多, 发现并反馈给设计院的问题较少) →根据深化后图纸进行施工。优点为深化时间短, 拿到设计院图纸后可很快施工;缺点为深化质量依据设计院的出图质量和深化工程师的能力水平, 深化后施工可行性无法保证, 有可能造成返工, 延误工期。

通过BIM技术进行施工前准备的工作流程为:设计院图纸下发→施工单位通过BIM技术采用三维可视化及多专业、多角色协调的方式进行深化 (深化质量高, 可以将设计方与施工方通过协同平台紧密联系在一起) →根据深化后图纸进行施工。优点为通过协同平台方便与设计院进行沟通, BIM技术可视化、可量化、可推演的特性更容易发现和提前解决设计问题, 保证工期;缺点为深化时间比传统方式稍长。

3) 本工程通过旋转叠加大小不一的花瓣, 塑造了一朵欲放未开的山茶花。山茶花由3部分组成: (1) 框架结构构造, 主要由圆管钢柱、弧形箱梁、H形弧梁组成的双层框架结构, 类似山茶花的花托部分; (2) 采光顶穹顶壳体构造, 主要由双曲弯扭弧形箱形构件组成, 类似山茶花的花蕊部分; (3) 花瓣构造, 分内、中、外3层, 共计12瓣花瓣, 由46组异形平面桁架及若干根弯扭弧形连系杆件组成。

因本工程多为异形结构, 按常规的二维平面CAD很难表达曲面穿插、细部节点等部位, 通过BIM软件对结构模型的演示及Revit等建立模型, 将专业间的错、漏、碰、缺等设计问题提前解决, 且通过BIM模型演示让施工流程更为清晰明了, Revit等软件的使用, 可对材料的下料做出有效的指导, 减少废料率和返工, 无形中创造经济效益。

4) 在幕墙深化设计中, 通过建立BIM模型集成幕墙参数信息, 可以准确提取必要的数据信息, 作为材料下单加工的依据。对于复杂异形曲面幕墙, 通过高效的参数化控制幕墙的建模, 能准确地展示出设计意图, 特别是龙骨及各复杂型材, 为预制加工和施工交底提供更加直观的传递方式。

同时, 前置施工必然对后续施工有一定影响, 信息模型可以直观地核查各个专业之间的搭接及协调, 做到施工过程的协调管理。

5) 实际应用中, 编号的作用不仅体现在面板的整体预制加工中, 同时将与钢结构有碰撞的幕墙面板根据编号提前预留, 待大面积面板安装完成后对与钢结构冲突部位的面板根据实际加工, 避免了材料的拆改浪费。重庆万达城展示中心项目共使用2 422块穿孔铝板, 1 583块特制双层夹胶玻璃, 整体拆改率≤1.8/1 000。

6) 采光顶以下的装饰构件为软膜天花, 利用BIM软件基于采光顶模型和剖面示意图, 设计出软膜天花整体结构, 最大限度地优化了软膜骨架, 300m²的软膜天花结构, 钢骨架质量仅有2.66t。

7) 项目室内内装多为弧形设计, 机电专业弯头数量多, 在管线密集区域排布困难, 利用BIM技术将内装模型和机电模型合在一起做碰撞检查, 重新设计影响控高和装饰效果的机电排布, 以满足美观要求。

8) 钢结构深化设计方面, BIM实施对节点/构件/安装措施进行深化设计, 整体流程为框架模型搭建→节点深化→预制加工→现场安装。 (1) 钢结构设计阶段, 配合业主、监理单位, 对钢结构设计做好初期优化工作; (2) 钢结构材料采购阶段, 使用BIM精确下料; (3) 钢构件预制阶段, 使用BIM模型, 分工程部位和构件加工难度, 协调统一供货, 确保了构件的加工进度, 并满足了现场安装需求; (4) 钢结构安装阶段, 采用BIM模型进行施工交底, 专业化安装单位进行现场安装。

重庆万达城展示中心项目原幕墙分格为3m×2m, 由于是不规则曲面幕墙, 形状比较特殊, 采购时需要预定, 严重制约工期要求, 因此在考虑各方面因素后重新对幕墙进行了网格划分, 优化为2m×1.5m。

在项目施工前期, 项目部成立计划部, 结合本工程实际, 建立以空间立体构件结合时间维度的四维定位坐标。将施工工期细化到每根柱梁、每片花瓣、每块幕墙。立体、全方面展示出每个施工流水内部协调关系:施工流水与其他施工流水叠合交错、施工流水与总工程进度的关系, 提前确定本工程关键施工路线, 为项目提前准备资源、及时穿插施工提供依据。

在采光顶的施工过程中搭设27m高满堂式扣件脚手架, 供采光顶支撑及施工使用, 在后续装修过程中再次供软膜天花的安装等工序使用。该脚手架一次成型、多次使用, 节约了施工工期、避免了不同施工流程需要多次搭设脚手架的问题。

本工程施工工期紧张、施工难度大、空间立体交叉作业多, 如何在保证工期的情况下同时保证施工质量难度极大。

为在保证工期的同时保证质量, 项目在每道施工前部署样板, 遵循样板先行, 完成样板施工, 经由各方确认后再大面积施工。

本工程的幕墙工程为双曲线形, 对施工误差的要求非常严格, 采用虚拟样板和实体样板进行引路, 工厂提前拼装, 过程跟踪检查, 提前发现问题、解决问题, 避免返工, 以此提高施工质量, 为后续大面积幕墙施工提供技术及质量保证, 如图3所示。

重庆万达城展示中心项目形似山茶花, 由异形不规则花瓣结构的空间异形结构组成, 为了使造型更加形象生动, 12片花瓣具有层次感地相互交叠, 因此造型梁形状各异, 下料、吊装、安装难度大。具体难点如下: (1) 造型复杂, 受力构件类型多, 因此主受力构件的单片桁架各不相同, 受力要求各不相同; (2) 构件下料精度、安装定位要求高; (3) 异形框架整体稳定性要求高; (4) 花瓣弯曲, 造型难以控制。

将复杂异形结构转化为框架结构进行施工, 转化流程:建立整体的构件模型→将花瓣桁架结构转化为框架结构→框架单元划分→结构受力分析 (含调整) 。

针对结构复杂、受力形式繁多的情况, 首先可通过单元结构划分, 将花瓣模型成功地转化为框架模型, 划分原则如下:主受力单片桁架作为框架结构的竖向受力构件, 环向连接梁、造型走道梁、竖向加强梁及三角桁架作为框架结构的水平向受力构件。

通过划分结构单元, 确定主受力单片桁架45片, 主要分为2大类: (1) 内收花瓣的单片桁架, 柱脚与主结构进行刚接; (2) 外放花瓣的单片桁架, 柱脚与纵向弦杆端分别与埋件和主体结构刚接连接, 该单片桁架为主要受力点;将复杂的受力结构转化为简单的框架结构, 便于计算和施工, 为框架的转换奠定了基础。花瓣模型如图4所示。

在大型公共建筑中, 双层多曲面幕墙施工的常规方法是定位放线后进行主、次龙骨安装, 然后根据龙骨安装位置, 进行铝板、玻璃面板测量、放样, 而后加工、安装, 该方法易造成幕墙龙骨尺寸不合、面板安装偏差大、质量精度难控制等问题。

利用BIM等软件进行三阶段深化设计, 将设计、加工、制作、安装融合成一个整体, 整体深化设计、整体加工控制、整体定位放线和整体施工。

针对双层多曲面异形幕墙, 利用Revit作为幕墙深化软件, 基于设计院提交的模型和主、次龙骨CAD图纸, 建立幕墙整体BIM模型。经过一系列的深化后, 最终BIM模型的深化精度将会达到LOD400。在此阶段, 能够通过模型的建立, 解决幕墙自身存在的问题, 如内圈幕墙与外圈幕墙的连接问题。

根据设计院提供的幕墙表皮和节点详图, 利用软件建立主龙骨模型, 然后细化出各个标高的次龙骨模型, 最后建立面板模型以及连接件、其他构件模型 (见图5) 。

对深化后的图纸进行受力分析, 考虑幕墙主次龙骨的受力因素, 确保其在自身荷载和施工荷载作用下产生不影响幕墙玻璃及铝板安装的变形量。在确保各个构件的刚度后, 计算出立柱、横梁、支座、玻璃板和铝板在荷载作用下的挠度, 确定出最终的变形量, 根据变形量控制幕墙面板的尺寸及弯曲程度。

将幕墙模型和其他专业模型进行碰撞检查, 发现施工图纸中存在的问题, 对幕墙构件和面板进行深化处理。将Tekla中的钢结构模型转换成IFC格式导入到Revit中, 在Revit中对幕墙、机电、钢结构模型进行整合, 然后导入到Navisworks中进行碰撞检查, 最终形成碰撞报告。

通过第2阶段的深化设计, 提前深化解决幕墙模型与其他模型间存在的问题, 并且对幕墙本身再次进行深化和优化, 例如将3m×2m的超宽板优化为2m×1.5m常规板, 将设计原定方案中玻璃幕墙的铝型材固定安装方式优化为250型浮头式万向调节不锈钢驳接爪。

在BIM模型中对每块面板进行编号, 每个编号对应一个坐标点, 实现三维坐标定位, 方便现场施工测量定位。

工厂根据深化后的Tekla三维模型将圆管构件从三维模型转化成CAD线性模型, 然后采用相贯线软件将线性模型导出下料程序, 车间根据程序完成自动下料。BIM模型结合数控切割机的加工精度, 可将下料偏差控制在±1mm内, 切割效率高, 大大节省了工期。

结合计算结果及碰撞结果对幕墙面板进行第2次设计, 保证设计意图的完整体现, 最终幕墙的BIM模型深化精度达LOD400, 输出数据即可直接移交加工厂进行构件加工。

四维坐标定位即根据工程进度要求, 结合现场施工部署, 以纵轴为施工工序, 横轴为时间, 做出时空网络计划。利用时空网络计划结合BIM模型, 在面板上进行四维的时间标注, 以面板不同颜色来区分面板不同的安装时间, 直观地表示出施工顺序。四维定位模型如图6所示。

首先建立BIM模型, 然后对整体模型、幕墙与各专业模型进行查漏补缺、图纸优化设计, 直接达到了龙骨与面板同步下料的施工水平;建筑信息模型得出各关键点三维坐标, 同时引入时间坐标, 建立四维坐标, 解决受力桁架形状各异、角度及标高不同的同时, 也紧紧与施工进度相结合。

重庆万达城项目采光顶直径42m, 采光顶高8.2m, 表面积约1 700m², 钢结构总重约100t;钢结构构件共分为立柱、采光顶脚柱、主梁、环梁及次梁4部分, 单个构件最大质量达3.1t。

根据采光顶的整体模型图, 使用Tekla软件, 提取出花心部分的关键三维坐标点, 根据三维坐标, 放射出轴线, 确保胎架标高的准确性, 设置胎架, 然后按照顺序依次拼装, 拼装完成后, 由中间向四周进行焊接。

拼装顺序为:根据提取的三维坐标在硬化平整的地坪上放置轴线→根据轴线位置设置胎架及定位板→花心圈梁上胎定位→花心内3根花瓣双曲梁上胎拼装→最后1根花瓣双曲梁上胎拼装→花心内花瓣双曲梁嵌补拼装完成, 进行焊接。

采光顶工程操作架采用27m高满堂式扣件脚手架, 采光顶钢结构施工期间架体顶部设置一个由H型钢焊接组成的支撑体系, 作为采光顶钢梁施工阶段的临时支撑点, 支撑架体在采光顶施工期间考虑承受60t荷载, 荷载通过型钢支撑体系转化为中心支撑架体面荷载, 传至支撑点下部立杆。支撑底座及支撑胎架布置如图7所示。

吊装顺序为:脚手架及临时支撑设置→安装主柱, 与框架柱焊接→安装整根主梁→安装三分段梁→安装交叉五角造型主梁→吊装花心分块部位→嵌补花心外部花瓣构件→主梁焊接→立柱测量放线→立柱安装→环梁与次梁安装。

卸载前使用PKPM软件进行操作架体安全计算, 并且利用BIM进行模型深化设计及模拟施工。卸载时利用支撑架及千斤顶在采光顶节点位置进行支撑, 千斤顶顶紧后, 拆除定位支撑。拆除后, 所有千斤顶分散卸载, 使用经纬仪、全站仪、水准仪进行变形监测。

室内软膜天花施工工艺原理是在上空整体为一个半球形结构的下方布置3层异形花瓣吊顶, 对效果图进行一系列深化设计和BIM模型展示, 确定最终施工蓝图, 然后, 在加工车间按照相关尺寸进行花瓣钢龙骨和软膜生产, 并在生产完成后进行预拼装和编号, 预拼装完成无误后运至施工现场, 在工地现场根据工厂编号进行组装, 待膜块用专用加热工具舒展均匀后, 按对边顺序安装, 再用加热工具均匀加热舒展膜块。

软膜天花施工工艺流程:按效果图进行图纸设计→BIM图纸深化→花瓣加工→花瓣预拼装→现场花瓣组装→软膜加工→安装灯具→安装软膜→清洁软膜→日常维护。

空间立体交叉统筹综合技术是集设计、计划、材料、工序转换、方案选择、质量、安全等的综合施工技术。

应用BIM技术, 通过空间立体交叉综合技术进行统筹部署, 采用异形花瓣结构转框架结构、双层多曲面幕墙三阶段设计与施工、大跨度双曲单层网壳、软膜天花一体化等关键技术, 实现快速施工, 同时也保证了工程经济性、安全性。