BIM技術(shù)在世界杯主場館幕墻連接件施工定位中的應(yīng)用

丁瑞

（中國鐵建國際集團有限公司，北京 100039）

1 引言

長期以來，幕墻系統(tǒng)的施工定位一直是大型體育場館建設(shè)的重難點[1]。世界杯體育場往往規(guī)模巨大、造型多變、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，幕墻體系的施工定位難度遠(yuǎn)高于普通房建類項目[2]。在實際施工中，雖然能通過可調(diào)裝置彌補部分施工誤差，但仍經(jīng)常由于幕墻連接件的施工偏差導(dǎo)致幕墻無法安裝的情況出現(xiàn)，因此，幕墻連接件的施工定位精度將直接決定整個幕墻體系的施工質(zhì)量[3]。目前，依靠傳統(tǒng)的方式已經(jīng)很難滿足大型體育場對幕墻連接件施工定位質(zhì)量和效率的需求，而BIM 的發(fā)展為解決該難題提供了新的技術(shù)方案[4]。在世界杯體育場方面，由于我國還從未舉辦過世界杯，也從未有企業(yè)以總承包身份在海外完成過世界杯體育場館的建設(shè)，因此，我國目前對該領(lǐng)域的研究仍舊較為缺乏。

2 項目簡介

盧賽爾體育場位于卡塔爾首都多哈，是2022 年世界杯開閉幕式和決賽主場館。項目占地面積1×106m2，建筑面積1.8×105m2，觀眾容量92 500 人，由中國企業(yè)采用設(shè)計施工總承包模式承建，合同總額50 億元。該項目已成為中國企業(yè)在世界杯頂級體育場館建設(shè)領(lǐng)域打破西方壟斷的代表性工程，是中國企業(yè)首次承建的世界杯主場館，也是中國在海外承建的規(guī)模最大的專業(yè)足球場，為卡塔爾國家“1 號工程”。

3 幕墻系統(tǒng)與連接件結(jié)構(gòu)體系分析

3.1 幕墻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)體系

本項目選用三角形單元鋁板幕墻結(jié)構(gòu)體系，施工時首先在地面將單塊小三角幕墻拼接為大三角幕墻單元，再利用舉升車或履帶吊進(jìn)行吊裝就位后與幕墻連接件進(jìn)行螺栓固定。幕墻連接件的內(nèi)側(cè)與體育場主體鋼結(jié)構(gòu)焊接，外側(cè)采用螺栓連接相鄰的兩個幕墻單元。幕墻結(jié)構(gòu)體系如圖1 所示。

圖1 盧賽爾體育場幕墻結(jié)構(gòu)體系圖

3.2 幕墻連接件結(jié)構(gòu)體系

本項目幕墻連接件主要由H 形公件、L 形母件、公件柱狀節(jié)點夾板、連接螺栓和墊片等構(gòu)成，單個連接件質(zhì)量達(dá)200～300 kg，結(jié)構(gòu)體系如圖2 所示。

圖2 幕墻連接件結(jié)構(gòu)體系

整個體育場的幕墻連接件共4 031 個，其中，上部受壓環(huán)梁處1 055 個，V 形鋼結(jié)構(gòu)柱處624 個，V 柱間圓管桁架處2 352個。通過H 形公件上4 個擴大的螺栓孔，可對幕墻施工誤差在三維方向上進(jìn)行60 mm 的任意調(diào)節(jié)，進(jìn)而解決幕墻在加工和安裝過程中的偏差。幕墻單元在吊裝前，需首先將H 形公件焊接在體育場主體鋼結(jié)構(gòu)上，將L 形母件預(yù)裝在幕墻單元框架上。由于體育場最高點達(dá)到74 m，實際施工中，H 形公件的高空施工定位成為一大難點，如果定位誤差超過幕墻連接件可調(diào)節(jié)的范圍，則將導(dǎo)致幕墻無法安裝。

4 幕墻連接件BIM 模型的建立

4.1 BIM 應(yīng)用模式

本項目投入BIM 資金近1 億元，實現(xiàn)了100%正向設(shè)計，制定了明確的建模標(biāo)準(zhǔn)，由473 個分專業(yè)模型進(jìn)行出圖、計量以及設(shè)計成果的交付和審查。在應(yīng)用階段方面，涵蓋了規(guī)劃設(shè)計階段、施工建設(shè)階段、賽時運營階段、賽后改建和運維階段的項目全生命周期。在軟件平臺方面，本項目的BIM 軟件超過30 種，涵蓋國際主流建模軟件、專業(yè)分析軟件和BIM 平臺等。主要選用Autodesk 系列產(chǎn)品，標(biāo)準(zhǔn)建模軟件為Revit，鋼結(jié)構(gòu)初始建模軟件為Midas 和Tekla。

4.2 BIM 模型坐標(biāo)體系

創(chuàng)建各專業(yè)子模型前，指定統(tǒng)一的Revit 測量點和項目基準(zhǔn)點。確定項目基準(zhǔn)點為足球場中心，項目北與正北方向的夾角為77.997°，球場中心坐標(biāo)為（227 613 003.0，407 486 601.3，5 000.0），單位為mm。

4.3 建模與格式轉(zhuǎn)化

利用鋼結(jié)構(gòu)建模軟件Tekla 在統(tǒng)一坐標(biāo)系中建立所有H形公件的BIM 模型，并分別導(dǎo)出為CAD 的.DWG 格式與Revit 的.RVT 格式的模型，再利用Revit 將.RVT 格式的模型轉(zhuǎn)化為.NWC 格式。由于體育場主體鋼結(jié)構(gòu)與幕墻連接件接觸位置的結(jié)構(gòu)形式各不相同，因此，L 形公件內(nèi)側(cè)與主體鋼結(jié)構(gòu)的連接方式會有所差異，當(dāng)與圓管桁架連接時需增加抱箍結(jié)構(gòu)。整個體育場H 形公件的模型如圖3 所示。

圖3 H 形公件BIM 模型

5 幕墻連接件施工坐標(biāo)確定方法

5.1 主要流程

利用Autodesk CAD 在H 形公件的模型中繪制參照平面，輔助確定L 形公件高空焊接定位控制點的坐標(biāo)。利用Navisworks 將.NWC 格式L 形公件的模型與帶有參照平面的.DWG 格式的模型進(jìn)行附加，利用Navisworks 的插件Point Layout 放置并導(dǎo)出Excel 格式的定位控制點的準(zhǔn)確坐標(biāo)。最后，再利用全站儀將控制點的坐標(biāo)進(jìn)行測設(shè)，完成L 形公件的高空焊接。

5.2 參照平面的繪制

根據(jù)H 形公件與體育場主體結(jié)構(gòu)不同的連接方式，確定V 柱處H 形公件的定位控制點為底部最外側(cè)4 個點，其他位置公件的定位控制點主要為翼板底部外側(cè)中心位置的2 個點。在繪制V 柱處H 形公件的參照平面時，以翼板底部最外側(cè)4 點為頂點，在CAD 中繪制矩形線框；在繪制其他位置H形公件的參照平面時，以翼板底部外側(cè)中心位置為頂點，在CAD 中繪制直線。之后，再利用拉伸功能將矩形線框或直線沿平行于翼板方向拉伸1 000 mm，此時拉伸后的矩形線框與V 柱的交點和直線與圓管桁架的交點即為施工控制點。繪制后的參照平面（深色部分）如圖4 所示。

圖4 參照平面繪制圖

5.3 定位控制點的放置與導(dǎo)出

在利用Point Layout 放置坐標(biāo)點時，需要首先與現(xiàn)場施工人員確定控制點的具體位置，此控制點將作為現(xiàn)場安裝時全站儀的測設(shè)點，用來決定H 形公件的準(zhǔn)確位置。放置點時，需準(zhǔn)確選取參照平面與構(gòu)件的相交處或構(gòu)件的邊緣位置，并對坐標(biāo)點按順序進(jìn)行編號，避免錯亂。以V 柱間圓管桁架處為例，如H 形公件與圓管桁架形成偏心，則需在H 形公件的抱箍件放置4 個坐標(biāo)點進(jìn)行定位，為了保證公件不產(chǎn)生繞軸轉(zhuǎn)動，公件翼板上下兩端再放置2 個坐標(biāo)點；如果H 形公件與圓管桁架無偏心，則公件底部只需放置2 個坐標(biāo)點即可，并且只在翼板上端放置1 個坐標(biāo)點，即可保證公件不產(chǎn)生繞軸轉(zhuǎn)動。放置后的坐標(biāo)點（黑色）如圖5 所示。

圖5 坐標(biāo)點放置示意圖

所有坐標(biāo)點放置完成后，將坐標(biāo)導(dǎo)出為Excel 格式。現(xiàn)場測量人員根據(jù)坐標(biāo)值對控制點進(jìn)行測設(shè)，完成H 形公件的高空焊接定位。部分控制點的坐標(biāo)值見表1。

表1 控制點坐標(biāo)示例列表 m

6 結(jié)語

論文基于盧賽爾體育場的實際案例，建立了1 套利用BIM 技術(shù)進(jìn)行幕墻連接件施工定位的方法與流程，并在應(yīng)用中進(jìn)行了修正與檢驗。與傳統(tǒng)方式相比，該方法不僅可大大提高幕墻連接件的施工定位精度，更可以節(jié)約成本和提高施工效率。一方面有力保障了盧賽爾體育場項目的順利實施，另一方面更為今后同類項目的建設(shè)積累了寶貴經(jīng)驗。