云南省博物馆建筑外观为富有时代感的正方形, 其建筑平面尺寸为104m×104m, 建筑面积 57 787.4m², 地下2层, 地上5层, 主体结构为型钢混凝土结构。外墙设计概念取材于云南石林的自然景观, 通过无规则折板钢筋混凝土外墙造型效果隐现石林风化特色, 形成人造奇观。无规则折板钢筋混凝土外墙由3 640块大小及形状不同的三角形板块和梯形板块组成, 外墙高33.2m, 周长416.8m, 面积13 837m², 外墙四周沿墙高整体向内倾斜2.2m, 墙厚100mm, 沿墙长度方向每隔1m设置1个120mm×150mm钢筋混凝土密肋柱, 墙内配筋为双层双向ϕ8@200, 柱内配筋为3ϕ14, 墙、柱均为C30普通混凝土。博物馆外墙造型图1所示。

每楼层外墙各三角形板块、梯形板块及密肋柱在楼层高度范围内随x, y, z 3轴变化, x轴表示横坐标, y轴表示纵坐标 (标高) , z轴表示凸凹, 墙体转折处的结构柱也随墙体变化沿高度渐变。

由于层高为7.6m及15.2m, 无规则密肋折板钢筋混凝土外墙设置于建筑四周外围6.9m长外悬挑梁上 (外墙水平托梁) , 外墙施工必须在主体施工完成后进行, 施工时应保证每层外墙下建筑四周外围悬挑梁不能出现裂缝。

模板是外墙成型施工关键。由于墙板高、肋柱设置密且截面小, 无规律造型板块多, 墙板模板每块形状不同, 板块在x, y, z 3轴均有渐变, 模板成型、加工及支撑无法实施。

对3 640块3轴渐变无规律造型板块进行准确空中布点, 图纸提供的坐标不能满足施工测量定位, 按常规方法需找到许多2次及多次空中转投点才能进行, 外墙施工时2次结构还未施工, 在建筑物内无法找到更多转投点, 无法完成测量定位工作。

墙体各板块不规则, 密肋柱及结构柱随无规律造型墙板在x, y, z 3轴渐变, 柱内及墙内每根钢筋形状均不相同, 钢筋成型加工无法完成。

墙厚100mm, 配双层双向钢筋, 每隔1m设置配筋混凝土肋柱, 层高7.6m及15.2m, 薄墙密配筋, 肋柱截面小, 混凝土浇筑及振捣质量难保证。

本工程外墙造型复杂, 常规方法无法实现外墙施工, 经分析后确定如下施工方案。

1) 在外围四周每根6.9m悬挑梁端部下面采用直径400mm钢管进行支托, 防止施工荷载过大造成悬挑梁根部出现裂缝, 墙体混凝土达到设计强度后拆除。

2) 运用BIM技术建立外墙信息模型, 辅助完成测量、钢筋成型及模板成型的设计。

3) 墙体竖向跨越3个楼层, 沿高度整体向内倾斜2.2m, 选择先支设内侧模板, 将每个楼层高度的墙体内模1次安装完毕, 钢筋1次安装完毕, 外模分3段安装, 混凝土分3段浇筑。每个楼层施工工序为:内模安装→钢筋安装→第1段外模安装→第1段混凝土浇筑→第2段外模安装→第2段混凝土浇筑→第3段外模安装→第3段混凝土浇筑。

采用BIM技术建立建筑外墙模型, 竖向以1个楼层高为单元, 横向以密肋柱间距1 000mm为单元, 对3 640块板建立三轴坐标, 对于三角形板块选择A, B, C 3点建立x, y, z 3轴坐标, 对于梯形板块选择A, B, C, D 4点建立x, y, z 3轴坐标, 共建立 5 460 个坐标控制点, 根据建立的5 460个坐标控制点, 先在计算机上模拟拼装模板、钢筋成型, 实现动态及可视化施工。解决测量定位、钢筋成型加工及模板成型安装的问题, 以局部外墙为例, 按施工图建立的局部外墙BIM模型如图2所示。

折板墙体测量定位的重点是内侧模板安装的测量定位, 各层设置的密肋柱x轴坐标是固定值, 只有 y, z 2轴坐标发生渐变, 所以每一楼层测量定位时竖向以1个楼层高为单元, 横向以密肋柱间距 1 000mm 为单元, 测量定位采用楼面控制点、中部控制点及顶部控制点进行布点控制。

以框架柱间距为单元, 在外墙信息模型中提取各密肋柱与上部楼板相交处的x和z 2轴坐标、提取密肋柱间三角形或梯形板块与上部楼板相交处的x和z 2轴坐标, 利用红外线铅垂仪将模型中提取的密肋柱和折板x, z轴坐标引测至上层楼板底面, 在楼板底标识出密肋柱的位置及折板墙的内侧模板控制线。

横向以密肋柱为单元, 竖向按密肋柱沿层高范围内与三角形或梯形板块相交处y, z轴坐标值提取, 得到框架柱单元各密肋柱及各折板的x, y, z 3轴坐标值, 利用红外线铅垂仪将模型中提取的密肋柱及各折板的x, y, z 3轴坐标引测至临时搭设的辅助支架上, 引测过程中通过水准仪引测y轴坐标时, y轴坐标点低于水准仪高程时, 塔尺正向使用;y轴坐标点高于水准仪高程时, 塔尺底部向上, 端部向下引测标高。将所测设的三维坐标点通过临时搭设的辅助支架设置辅助线, 利用辅助线将所用的中部控制点进行标定。

引测方法同顶部控制点的引测, 引测完成后标识于楼板面。

对顶部控制点、中部控制点及楼面控制点进行连接编号, 形成无规则密肋折板混凝土外墙施工空中控制网, 测量坐标示意如图3所示。

以框架柱间距为单元进行模板成型加工与安装, 按墙体信息模型中密肋柱及三角形或梯形板块的三轴坐标点确定模板的形状及大小, 在模型中对各块模板进行顺序编号, 按确定的形状及编号加工密肋柱模板及墙体内侧模板, 模板采用18mm厚的胶合板制作。

将加工好的密肋柱模板及墙体内侧模板按编号顺序与测量定位控制点进行核对, 核对无误后沿层高分段安装, 每段安装高度1.5m, 将模板安装于临时搭设的辅助支架上, 复测无误后搭设及加固内侧模板支撑。

内侧模板、钢筋安装完成后进行外侧模板安装, 配合混凝土浇筑工序, 外侧模板沿层高分3次进行, 以内侧模板为基础, 按墙体厚度控制进行外侧模板安装。内侧模板安装成型如图4所示。

1) 竖向钢筋及横向钢筋应分别加工和编号, 在墙体信息模型中按竖向钢筋间距分别提取每根竖向钢筋与内侧模板转折点的三维坐标, 将提取的各坐标点连线得到竖向钢筋形状及长度, 对每根竖向钢筋进行顺序编号, 同编号钢筋加工2根用于墙体内、外侧配筋。横向钢筋成型加工同竖向钢筋。

2) 在已安装完成的墙体内侧模板上弹出竖向钢筋及横向钢筋安装墨线, 对墨线进行顺序编号, 编号与墙体信息模型对应, 按钢筋加工的编号对应墨线编号进行钢筋安装。

墙体折点多, 100mm厚墙体内配有4层钢筋, 墙体高33.2m, 层高7.6m及15.2m, 为保证墙体浇筑质量, 将普通混凝土改为细石混凝土, 对浇筑高度合理分段, 在层高范围内将墙体沿层高分3段进行浇筑, 最上1段高度800mm, 余量平均分为2段。下2段浇筑完成后, 上段封外侧模板, 在外侧模板上每间隔1 000mm留250mm×150mm浇筑孔, 采用高压喷射泵从浇筑孔内浇筑上段混凝土, 上段混凝土浇筑完成后封孔。浇筑完成后墙体如图6所示。

云南省博物馆其独特的建筑造型给施工带来极大困难, 采用传统施工方法难以完成外墙施工, 通过采用BIM技术分别采集各板块不同的三轴坐标点, 运用三轴坐标点对施工测量定位、钢筋加工、模板加工及安装进行控制, 各楼层采用内侧模板1次安装、钢筋1次安装、外侧模板3次安装、混凝土3次浇筑的方法完成13 837m²无规则密肋折板混凝土外墙施工, 为建造特型建筑积累经验。