塑石假山三維鋼筋網(wǎng)片數(shù)字化施工技術(shù)

王 賀 史 琦 于 波 劉志紅

中國建筑第二工程局有限公司華東公司 上海 200135

1 工程概況

北京某在建主題樂園建筑面積4.8萬 m2，占地面積10.7萬 m2，主要結(jié)構(gòu)形式為樁承臺基礎(chǔ)、鋼框架、鋼支撐。園區(qū)內(nèi)部有一座最高建筑物塑石假山，是基于電影《侏羅紀(jì)公園》中群山環(huán)繞的場景而制作的假山造景。

塑石假山山體高度約49.6 m、縱向投影長度約90 m、深度約50 m，表面積約12 691.26 m2，總質(zhì)量約2 500 t，由3座山峰、3座瀑布、9 400余根鋼構(gòu)件組成，假山的造型復(fù)雜、規(guī)模宏大均為國內(nèi)罕見。山體表皮采用鋼筋塑形網(wǎng)片＋主題雕刻TCP＋主題上色制作而成（圖1）。

圖1 塑石假山現(xiàn)場施工

2 工藝原理

如何利用圖紙準(zhǔn)確表述塑石假山造型并指導(dǎo)施工是假山建造過程中的難題，本工程利用塑石假山三維鋼筋網(wǎng)片數(shù)字化施工技術(shù)，通過3D掃描將實(shí)體模型轉(zhuǎn)化為數(shù)字模型，再應(yīng)用BIM技術(shù)進(jìn)行塑石假山的結(jié)構(gòu)設(shè)計。假山每片鋼筋網(wǎng)片及每根配筋設(shè)計完畢后分配獨(dú)立二維碼，便于后期快速組裝。通過在電腦中提前設(shè)定的程序，使鋼筋自動彎曲機(jī)根據(jù)每根鋼筋的設(shè)計加工圖，完成鋼筋的雙向彎曲成形，使用投影儀在地面按1∶1的比例投影鋼筋加工圖進(jìn)行實(shí)物比對，完成每根鋼筋的誤差校正。利用三維空間支架將一根根獨(dú)立的鋼筋焊接成三維鋼筋網(wǎng)片。

3 技術(shù)特點(diǎn)

1）對假山實(shí)體模型進(jìn)行3D掃描，生成三維數(shù)字模型，實(shí)現(xiàn)了由一張設(shè)計效果圖到三維數(shù)字模型的轉(zhuǎn)化，并通過BIM技術(shù)，保證了數(shù)字模型與假山創(chuàng)意造型的一致性。

2）使用BIM技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)假山模型整體的網(wǎng)片分割，便于假山結(jié)構(gòu)設(shè)計與網(wǎng)片配筋的單獨(dú)設(shè)計。

3）自主編寫鋼筋自動彎曲機(jī)作業(yè)程序，可完成鋼筋的雙向彎曲，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)片鋼筋生產(chǎn)的全自動化。

4）假山的每片三維鋼筋網(wǎng)片，以及網(wǎng)片上的每根鋼筋都分配有獨(dú)立的二維碼，便于快速識別安裝位置。

5）自主創(chuàng)新鋼筋校正技術(shù)。使用投影儀在地面上進(jìn)行1∶1等比例鋼筋放樣，可快速完成每根鋼筋的校正。

6）通過三維空間支架制作鋼筋網(wǎng)片，該支架含有多個三維控制點(diǎn)，保證了鋼筋網(wǎng)片成形效果的精度，使整個假山網(wǎng)片之間能更好地吻合，避免產(chǎn)生返工，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

4 工藝流程

創(chuàng)建空間模型→制作實(shí)體比例模型→3D掃描生成數(shù)字模型→繪制假山結(jié)構(gòu)設(shè)計施工圖→對鋼筋網(wǎng)片與鋼筋進(jìn)行二維碼分配→生成二維加工圖→鋼筋塑形→鋼筋誤差校正→焊接鋼筋網(wǎng)片→金屬馬凳安裝→覆網(wǎng)→驗收入庫→投入使用

5 施工工藝

5.1 創(chuàng)建空間模型

根據(jù)效果圖使用SketchUp創(chuàng)建假山空間模型。

5.2 實(shí)體模型制作

根據(jù)空間模型，按照假山的體積及要求肌理的精細(xì)程度確定假山模型的比例為1∶50、1∶100。模型制作工序為：確定模型制作比例→打印模型定位的平面圖→搭設(shè)模型骨架→涂覆雕刻油泥→創(chuàng)意雕刻→FRP翻?！仙炇?。

5.3 3D掃描生成數(shù)字模型

假山實(shí)體模型油泥雕刻完成，整體造型通過驗收后，進(jìn)行3D掃描，再次轉(zhuǎn)化為三維數(shù)字模型。

5.4 應(yīng)用BIM技術(shù)對數(shù)據(jù)模型進(jìn)行網(wǎng)片分割與配筋設(shè)計

設(shè)計人員在接收到假山的數(shù)據(jù)模型后，應(yīng)用BIM軟件（3DMax、犀牛、MAYA、ZBRA等）對假山表皮進(jìn)行切片，一般使用等分線切割成投影面積為2 m×2 m的網(wǎng)片，此分割線作為假山網(wǎng)片的邊筋設(shè)計依據(jù)。再使用等分線，按照設(shè)計鋼筋的間距將網(wǎng)片進(jìn)行第2次分割，此分割線作為網(wǎng)片分布筋的設(shè)計依據(jù)，一般網(wǎng)片分布筋為單層雙向，間距為150 mm×150 mm。邊筋作為網(wǎng)片的固定筋，為φ10 mm圓鋼，分布筋為網(wǎng)片的塑形鋼筋，為φ6 mm圓鋼。

鋼筋網(wǎng)片切分完畢后，為每個網(wǎng)片分配獨(dú)立的二維碼，便于后期現(xiàn)場安裝時可以通過二維碼快速找到安裝位置。每個網(wǎng)片均通過BIM技術(shù)生成二維加工圖，并詳細(xì)標(biāo)記每根分布筋在x、y、z這3個方向的形狀，同時為每根分布筋分配二維碼，二維碼包括該根鋼筋的詳細(xì)尺寸信息，便于加工機(jī)器快速讀取數(shù)據(jù)進(jìn)行加工。

5.5 鋼筋塑形

假山網(wǎng)片的鋼筋為滿足造型要求多為雙向彎曲，國內(nèi)生產(chǎn)的自動彎箍機(jī)一般沒有這個功能，需要對彎曲機(jī)的彎曲部件與作業(yè)程序代碼進(jìn)行改良，使彎箍機(jī)能夠自動完成鋼筋的拉伸、調(diào)直、彎曲、切斷等工作。改裝完成的彎箍機(jī)需經(jīng)過不斷測試與調(diào)整，以滿足加工速度、精度偏差、故障率等要求，調(diào)整合格后方可投入生產(chǎn)。

通過設(shè)計圖導(dǎo)出二維碼，使用掃描槍逐一掃描至鋼筋塑形機(jī)中，鋼筋塑形機(jī)將盤筋先拉直，后彎折，以實(shí)現(xiàn)想要的形狀和結(jié)構(gòu)。每生產(chǎn)出一根鋼筋，便在指定位置貼上二維碼識別標(biāo)簽。

5.6 鋼筋塑形后校對

由于受彎箍機(jī)加工時的慣性影響，鋼筋在彎曲過程中均會存在一定偏差，此偏差將會決定網(wǎng)片的整體形狀能否達(dá)到設(shè)計要求，從而增加后期成本投入。因此在鋼筋加工成形后，需及時對鋼筋的偏差進(jìn)行校正。

在距地面4 m高處設(shè)置1臺投影儀，投影儀鏡頭朝下，通過光圈調(diào)整投影網(wǎng)，人工不斷檢測網(wǎng)格間距，保證網(wǎng)格間距為150 mm×150 mm。每根鋼筋有1張投影圖，通過調(diào)試好的投影裝置，將每根鋼筋的形狀按1∶1的比例投至地面，再將塑形完成的鋼筋置于投影處對比，若有誤差，通過自制夾具和鉗子進(jìn)行人工微調(diào)，保證塑形鋼筋的精確度。

5.7 整理打包

經(jīng)過校對無誤的塑形鋼筋按每片鋼筋網(wǎng)分批進(jìn)行打包整理，每包鋼筋附有獨(dú)立二維碼，二維碼中含有此片鋼筋網(wǎng)片的所有相關(guān)信息，隨后移交下一道工序進(jìn)行焊接。

5.8 網(wǎng)片制作加工

鋼筋網(wǎng)片成形效果能否滿足設(shè)計要求，不僅取決于鋼筋加工的精確度，還取決于鋼筋在焊接過程中是否準(zhǔn)確。通過現(xiàn)場制作的三維空間鋼筋網(wǎng)片焊接支架可以解決這一問題。在三維空間鋼筋網(wǎng)片焊接支架四周需留有操作空間，按圖紙設(shè)置16個控制點(diǎn)，保證網(wǎng)片焊接時造型的準(zhǔn)確度。

三維空間鋼筋網(wǎng)片焊接支架，包含鍍鋅圓鋼、鍍鋅角鋼、鍍鋅方鋼和夾具（圖2）。鍍鋅角鋼（規(guī)格為50 mm×5 mm）焊接形成方形體框架，作為加工架主框架龍骨使用；鍍鋅圓鋼直徑為10 mm，縱橫150 mm間距布置，與鍍鋅角鋼焊接，鍍鋅圓鋼交叉位置作為控制點(diǎn)使用；鍍鋅方管（規(guī)格為50 mm×50 mm×5 mm）插入方形體框架中；夾具為U形鋼帶螺母的材料，安置于鍍鋅方鋼上，可來回滑移（圖3）。

圖2 三維加工示意

圖3 鋼筋夾具控制點(diǎn)示意

主要加工方法為：將制作好的鋼筋點(diǎn)焊在長方體鋼筋籠的一面位置，通過方形體內(nèi)設(shè)置的控制點(diǎn)進(jìn)行定位；放置與這個面垂直向的鋼筋，兩面進(jìn)行固定；再放置與第1個鋼筋面平行方向的鋼筋，逐步形成1個三維鋼筋網(wǎng)面，內(nèi)置方鋼上的夾具作為內(nèi)側(cè)空間定位點(diǎn)，按設(shè)計圖定位進(jìn)行滑移固定及定位中間區(qū)域的鋼筋，使之能精確達(dá)到圖紙使用要求；定位好的鋼筋之間使用點(diǎn)焊固定，形成整個異形鋼筋網(wǎng)片的加工過程。

5.9 金屬馬凳焊接

將“幾”字形馬凳間隔一段距離焊接到已成形的鋼筋網(wǎng)板上。焊點(diǎn)配置應(yīng)滿足認(rèn)可后的施工深化圖上的細(xì)部要求。金屬馬凳采用40 mm高度。

5.10 覆網(wǎng)

鋼筋網(wǎng)板上需綁扎2層鍍鋅金屬網(wǎng)，背面采用5 mm×7 mm四角鍍鋅金屬網(wǎng)，噴漿面采用25 mm×25 mm鍍鋅六角網(wǎng)，采用鍍鋅扎絲或C型槍進(jìn)行綁扎固定。

5.11 驗收、入庫

一旦鋼筋網(wǎng)板生產(chǎn)完成，在轉(zhuǎn)移前請業(yè)主方驗收。驗收通過后，將面板從生產(chǎn)區(qū)移至現(xiàn)場堆放區(qū)進(jìn)行存儲。面板應(yīng)按順序擺放，根據(jù)安裝進(jìn)度按批次傳送，采用防火油布進(jìn)行包裹。

5.12 投入使用

根據(jù)施工計劃分批次使用貨車，將成品網(wǎng)片從加工廠運(yùn)輸至現(xiàn)場指定位置，通過手機(jī)掃描網(wǎng)片上的二維碼來確定網(wǎng)片安裝位置。

6 結(jié)語

塑石假山主要通過鋼筋骨架塑形、表面雕刻砂漿等逼真的雕刻手法與上色來達(dá)到樂園場景和藝術(shù)創(chuàng)作的要求[1]。塑石假山三維鋼筋網(wǎng)片數(shù)字化施工技術(shù)是大型復(fù)雜假山建造的關(guān)鍵技術(shù)。三維網(wǎng)片的設(shè)計、生產(chǎn)和拼裝技術(shù)，是建造大型假山，實(shí)現(xiàn)假山山皮復(fù)雜效果的基礎(chǔ)。該項技術(shù)同時解決了機(jī)械彎曲鋼筋加工偏差大、鋼筋組裝定位不準(zhǔn)確、網(wǎng)片造型還原度差等難題，并實(shí)現(xiàn)了鋼筋數(shù)字化生產(chǎn)、快速校正、精準(zhǔn)焊接與組裝，達(dá)到了行業(yè)內(nèi)的領(lǐng)先水平，具有極大的推廣應(yīng)用價值。