基于BIM的大曲率双曲面玻璃罩棚施工技术

随着我国高速铁路的快速发展，高铁站房建设体量越来越大，大型站房多采用高架候车形式，高架候车大厅与站台层之间的连接通道通常采用玻璃检票罩棚形式，传统的检票玻璃罩棚多为平面玻璃幕墙体系，杭州西站作为最新一代高铁客站，创新性地采用大曲率的双曲面玻璃检票罩棚，造型犹如太空舱，施工难度大，工艺复杂。采用BIM综合应用技术（优化设计、下料、数字加工）对双曲面玻璃（铝板）幕墙的工业化加工、装配化安装施工技术进行全面系统研究。

1 工程概况

杭州西站建筑面积51万m²，高架候车大厅南北长303 m，东西长210 m，候车大厅南、北两侧共设置了18个检票进站罩棚，采用双曲面玻璃+双曲面铝板的双曲弧形罩棚样式，此造型对玻璃加工精度、龙骨加工和安装精度、龙骨与面层贴合度等要求较高。进站罩棚长19.104 m、宽10.888 m、高6.50 m，横向曲线半径约4.8 m（渐变曲线），纵向曲线半径约21.6 m（渐变曲线）。单个检票罩棚主要由82块双曲面玻璃和若干曲面铝板组成，尺寸各异，设计造型独特，施工难度大，工艺复杂。BIM模型如图1所示，实景如图2所示。

图1 BIM模型示意

图2 杭州西站

2 重难点分析

2.1 大曲率双曲面施工难度大

双曲面玻璃幕墙通常有以下几种方式：（1）平面玻璃以直代曲；（2）单曲面玻璃拟合；（3）双曲面玻璃。小曲率玻璃幕墙通常采用以直代曲的方式，单向大曲率玻璃幕墙采用单曲面玻璃拟合，双向大曲率玻璃幕墙采用双曲面玻璃拼装。大曲率双曲面玻璃幕墙施工难度最大。

2.2 空间定位安装难度大

主次龙骨均为渐变曲线，空间定位难度大。安装精度偏差、焊接变形等因素会引起曲面玻璃与龙骨不匹配，出现错台、错位等质量问题。

2.3 双曲龙骨与玻璃、铝板匹配度要求高

双曲面玻璃、铝板与龙骨的匹配程度决定了幕墙成品的外观质量，如果龙骨曲线与玻璃曲面、铝板曲面不匹配就会产生错台、离缝等问题。本工程对钢龙骨与玻璃、铝板的匹配度偏离标准按照±1 mm控制。

3 关键施工技术

3.1 一模到底，多种材料同步加工

利用BIM数字建模技术（Rhino软件），检票罩棚均以同一个标准模型提取龙骨、铝板、玻璃、GRC踢脚等相关技术数据、同步完成下料，在工厂同时批量化加工制作，实现工业化生产。工业化生产流程如图3所示。

图3 工业化生产流程

3.2 进站罩棚模型创建与拆解

首先要对图纸进行分析，将整个检票罩棚结构拆分成若干个局部构件，并将每根龙骨、每块铝板、每块玻璃全部拆分出来，然后结合图纸根据具体情况以及各个构件的相关参数，对每一个模块尺寸进行调整与建模，所有板块创建完成之后，再对各个局部的构件进行组合，最后将所有建好的模块结合相应的位置进行组合。

双曲面进站罩棚主结构构成如下。（1）双曲玻璃区域：6根横向主拱采用梯形截面，17根纵向次拱采用T形截面，1根T形底口收边梁；（2）双曲面铝板区域：5根横向主拱采用圆形钢管，次龙骨采用40 mm×40 mm×4 mm镀锌钢方管。

3.3 进站罩棚龙骨钢结构加工

（1）主拱梯形钢箱梁加工。根据Rhino软件提取的龙骨下料参数，取每种半径的理论长度进行下料，梯形箱梁侧面钢板采用激光切割。龙骨的弯弧弧度是由3段不同半径、不同弧长拼接而成，因此在断料前需对每一种半径的钢龙骨进行拉弯半径复测。拼接加焊前，需整体分辨3段带弧龙骨的总弦长和拱高与理论数据无误后方可加焊。复测方法为在定距弧长内，测量其弦长和拱高。以此类推做出6根不同规格的主龙骨。

主拱梁横截面为直角梯形，且整体为拱形，先采用Rhino软件将整体拱形进行建模并分段，然后将每段模型拆解展开成4个弧形单片钢板，为保证加工质量，采用激光切割的方式进行切割下料，然后在操作平台上进行拼接和满焊，最后进行校正成型。

变形控制主要靠在操作平台上设置定位点，以确保焊接变形在控制范围内，并且采用跳焊和分段焊降低变形程度。

主龙骨在现场拼装后尺寸复核。根据主龙骨径向外形渐变曲线，采用激光雕刻切割技术，用铝板制作主龙骨外形的标注模具，并对拼接好的主龙骨进行尺寸校核，确保主龙骨曲线符合标准模型要求，并将偏差度控制在±1 mm。

（2）次拱T形龙骨加工。T形次龙骨采取分段加工、分段安装的方式，根据Rhino软件提取龙骨下料参数，转换为CAD图纸。T形龙骨由两块钢板组合焊接成型，竖向弧形板采用激光切割一次成型，上盖板切割后用数控拉弯机进行拉弯处理，采用点焊定位、间断焊接工艺减少焊接变形。焊接完成后复测弦长拱高，控制精度偏差值小于0.5 mm。为减少T形龙骨运输、装卸引起的变形，要求用木箱包装后出厂。

（3）主拱拱脚底座连接钢板安装。根据BIM模型确定主龙骨柱脚平面定位参数，现场采用全站仪定位。采用后置螺栓安装连接钢板，在地脚螺栓上使用双螺母将钢板夹紧，以起到限位作用。下部螺母可支撑并调整水平高度。定位复核测量无误后，在连接钢板底板浇筑灌浆料。

（4）主龙骨安装。主龙骨的定位安装精度决定了整个罩棚幕墙体系的精度，在连接钢板上精确放样，弹出定位十字线，主龙骨柱脚中心线与连接钢板十字线对齐后，点焊临时固定，复核主拱垂直度准确后方可完成固定焊接。

（5）次龙骨安装。次龙骨与主龙骨采用承插连接方式，次龙骨无需考虑定位，实现了高精度“装配式”快速安装，其积木式拼装方式无需专业人员操作。将次龙骨插接安装在主龙骨预留孔位后，在预留焊接孔内侧焊接，焊接位置隐蔽于主龙骨空腔内，外观效果好。

（6）预留手孔焊接盖板封闭后打磨出来，防火防腐涂装。

3.4 双曲面玻璃加工与安装技术

3.4.1 铝合金附框加工

首先将附框的外形按设计要求的曲线拉弯制作成形，将误差控制在±1 mm之内，并安装到位，再每隔100 mm做一个与玻璃面的切线对应点，确定扭曲度数，并逐级校正成形，以确保玻璃边缘与附框槽口吻合。同时，构件制作中，对于细节问题必须经过设计与玻璃生产厂家的同时配合，以确保工程准确、速度按时完工。

3.4.2 异型玻璃双曲面钢化玻璃加工

采用特殊双曲面弯钢炉加工而成（一次成形），避免了传统钢制模具制作的方法，从而有效缩短了生产周期，保证了产品的质量，保证了玻璃的曲面偏差在一定范围之内，外形尺寸偏差在±1 mm之内，保证玻璃的曲面外形尺寸和钢龙骨的吻合，符合标准模型的要求，曲线顺滑贴合紧密。

3.4.3 玻璃安装

按照玻璃编号将对应的玻璃，通过汽车式起重机提升至相应位置，然后通过放置在玻璃上的吸盘，将其人工放置在T形龙骨上，使用铝合金压板和M5×25不锈钢螺杆将玻璃压牢，每隔300 mm一个。

（1）初安装步骤：检查玻璃→运玻璃→调整方向→将玻璃抬至安装位置→落横梁槽→放置铝合金压板→螺丝固定。

（2）调整：玻璃板块初装完成后，对板块进行调整，调整的标准即横平、竖直、面平，直到调直安装玻璃压块。

（3）固定：玻璃板块调整完成后，马上进行固定。利用M 5×30不锈钢螺丝，每隔300 mm一个，固定在龙骨上。

（4）打胶收口：玻璃固定完成后，缝隙填充聚苯泡沫棒后，打注黑色密封胶。

3.5 铝板加工与安装

铝板龙骨及铝板按照BIM标准模型数据下料，铝板龙骨采用拉弯工艺工厂加工，现场安装。铝板安装采用密缝拼装工艺，实现免打胶工艺。

3.6 收边收口

3.6.1 扭曲造型踢脚GRC+仿石漆技术

踢脚线要考虑与地面石材过渡自然，采用石材加工难度大、造价高、拼缝效果差，GRC采用模型数据建模加工，安装后可进行拼缝处理，用仿石漆将表面做成地面石材相同颜色和纹理，效果非常好。同时，GRC的硬度和防水性能均满足相关要求。

3.6.2 门头扭曲拱形铝板现场冷喷漆技术

提取BIM模型数据后工厂加工，对外形尺寸复核后裸板不喷漆交付现场安装，现场经过拼装、调缝、焊接、打磨后，涂装采用现场氟碳冷喷漆技术，实现拱形门头铝板无缝效果（图4）。

图4 门头拱形扭曲铝板安装效果

4 结束语

本工程以同一BIM标准模型为基础，拆解提出数据后同时提供到钢构件加工厂、玻璃加工厂、铝板加工厂、GRC加工厂，各个工厂按照相关数据同步加工钢龙骨、双曲面玻璃、双曲铝板、GRC异形踢脚线等材料。主、次龙骨实现了工业化生产批量加工，主、次龙骨承插式对接，实现装配式安装，预留手孔内焊接，在保证双曲面曲线顺滑的前提下，解决了焊缝余高和龙骨错台问题。通过数字建模、工业化加工、装配化安装技术，解决了双曲玻璃、铝板与钢龙骨匹配精度要求高、施工难度大的问题，同时大幅缩短了施工工期。