萬兆遷 趙海平 邵 兵 夏志威

1 工程概況

深圳市崗廈北城市綜合交通樞紐工程（以下簡稱“崗廈北樞紐”）位于深南大道與彩田路交叉口處，為地鐵2、10、11、14 號線四線換乘、市政過街、商業(yè)、常規(guī)公交接駁、出租及社會車輛接駁的綜合交通樞紐。共地下三層結(jié)構(gòu)，其中地下一層為四線換乘站廳層，地下二層為11、14 號線站臺層，地下三層為10 號線站臺層。總建筑面積約23.5 萬m2。站廳層中板設(shè)計長70.25 m、寬36.8 m，為下沉空間，形成貫穿站廳層和站臺層的2 層通高共享空間，是站廳層通往站臺層的主要通道，中庭共享空間吊頂?shù)母叨葹?2.8 m，站廳層空間吊頂高度為7.12 m。站廳公共區(qū)頂板中心位置為直徑12 m的自然采光天井。

采用費馬螺旋（Fermat's Spiral）數(shù)學(xué)原理異型吊頂位于城軌區(qū)站廳層公共區(qū)，南北跨度達(dá)185 m，東西跨度達(dá)196 m，面積約2.2 萬 m2，方通數(shù)量約6 萬 m。以核心區(qū)采光天窗中心點為天花造型基點，采用白色鋁合金單曲方通60 mm×120 mm×1.5 mm 和直通60 mm×120 mm×1.2 mm，通過控制費馬螺旋線曲率，由射線及正反曲線交匯所形成的類三角形，通過2 次加密，由小變大，再由大變小的異形吊頂。這樣的造型呈現(xiàn)出由里向外的生長趨勢，使得空間充滿蓬勃生機。

2 工程重難點分析

2.1 頂部結(jié)構(gòu)復(fù)雜、轉(zhuǎn)換層及龍骨布設(shè)難度大

頂板為鋼混結(jié)構(gòu)，鋼箱梁規(guī)格較大且不能焊接、頂部管線密集，分布大型風(fēng)管、消防水及橋架等，且3 個方向的方通龍骨均為獨立重疊設(shè)置，轉(zhuǎn)換層及龍骨布設(shè)難度大、安裝空間影響較大。

2.2 吊頂造型拼裝定位難度大、拼裝質(zhì)量要求高、材料管理難度大

吊頂3 個方向的型材方通，射線方向直方通為通長設(shè)置，2 個曲線方向的曲方通在直方通處斷開設(shè)置，直接斜拼，通過控制費馬螺旋線曲率，以幾何級數(shù)遞增外擴，每圈之間的曲方通曲率、長度均不同，拼裝定位難度大，拼裝質(zhì)量要求非常高。吊頂構(gòu)部件規(guī)格眾多，方通約6 萬 m，約30000 根方通，材料管理難度大。

3 工程重難點解決措施

3.1 深化設(shè)計

基于BIM 技術(shù)的平臺，貫徹“BIM+”設(shè)計優(yōu)化理念，應(yīng)用參數(shù)化設(shè)計思路，實現(xiàn)方案優(yōu)化、虛擬建模、模塊化設(shè)計等內(nèi)容[1]。通過對原始設(shè)計方案智能優(yōu)化，降低施工難度，實現(xiàn)設(shè)計方案的可操作性：通過對比構(gòu)件模型，選取最優(yōu)方案。通過基于BIM 的雙曲面參數(shù)化擬合等分析，對預(yù)制構(gòu)件進(jìn)行深度拆分，完成設(shè)計方案優(yōu)化。通過BIM 模擬建造過程，利用精細(xì)化模型指導(dǎo)施工，提前發(fā)現(xiàn)問題，保證施工順利進(jìn)行。

3.1.1 采用“費馬螺旋”異形方通吊頂優(yōu)化

應(yīng)用BIM 技術(shù)，統(tǒng)一規(guī)格、化整為零，通過方案比選、樣板打造對原始設(shè)計方案進(jìn)行優(yōu)化，實現(xiàn)構(gòu)件模塊化和標(biāo)準(zhǔn)化，為后續(xù)材料下單、批量生產(chǎn)、裝配式安裝提供最大化的技術(shù)支撐。通過BIM 模型多次進(jìn)行曲直兩種方通交界處的虛擬建造、實體打樣，前后經(jīng)過多次方案的推敲對比，不斷優(yōu)化，創(chuàng)新性的提出了“米字節(jié)”方案，改變原方通斜拼方案，在曲直方通交接處，單獨加工成米字節(jié)作為連接單元，便于工廠預(yù)制米字節(jié)構(gòu)件生產(chǎn)和現(xiàn)場裝配式組裝，極大提升構(gòu)件精度，極大降低現(xiàn)場拼裝難度。米字節(jié)具有易模塊化、易加工、易安裝等優(yōu)點，有效解決以下4 個方面問題：第1，解決現(xiàn)場工人施工的拼裝難度問題；第2，解決不同方位的方通拼接角度控制問題；第3，解決現(xiàn)場鋁方通的順滑度控制問題；第4，解決現(xiàn)場鋁方通間的縫隙控制問題。

3.1.2 轉(zhuǎn)換層及龍骨優(yōu)化

原方案吊頂面層通過井字型鋼架轉(zhuǎn)換層和3 層隱藏式龍骨與結(jié)構(gòu)頂板連接，3 層隱蔽式龍骨走向與面層鋁材走向相同。通過結(jié)構(gòu)、機電安裝、裝修吊頂BIM 模型之間碰撞，經(jīng)過多次方案討論，結(jié)合“米字節(jié)”方通安裝方案，最終確定，以深圳之眼為原點，沿著射線鋁方通方向布置轉(zhuǎn)換層龍骨，將轉(zhuǎn)換層由井字型優(yōu)化成射線型。

根據(jù)轉(zhuǎn)換層布設(shè)特點，轉(zhuǎn)換層環(huán)向（切線方向）對應(yīng)米字節(jié)中心點布置吊頂龍骨，米字節(jié)通過吊桿進(jìn)行連接，將原設(shè)計方案沿3 個方向鋁方通布設(shè)的3 層龍骨龍優(yōu)化為單層龍骨，經(jīng)計算，滿足受力要求。通過優(yōu)化，解決了在復(fù)雜結(jié)構(gòu)和管線條件下，準(zhǔn)確、高效的完成吊桿定位和安裝，直接達(dá)到隱藏龍骨效果，節(jié)約材料的同時，實現(xiàn)效果最優(yōu)。

3.2 智能物料管理

施工前通過排板建模，利用 BIM技術(shù)形成各種構(gòu)部件的下料清單，自動生成規(guī)格型號加工圖，并按照部位進(jìn)行編號，解決了上千種規(guī)格型號帶來的加工和安裝難題。同時在模型屬性中為每個管理對象設(shè)置唯一編碼，方便后續(xù)的管理與維護(hù)；導(dǎo)出包含唯一編碼的材料清單，上傳到平臺上，自動生成二維碼標(biāo)簽（包含唯一編碼、材料名稱、規(guī)格、數(shù)量等信息）；將二維碼標(biāo)簽發(fā)給材料加工商，形成構(gòu)部件的全流程智能管理。實行編號系統(tǒng)采用相同的英文字母，通過英文字母后添加數(shù)字，保證編碼的唯一性。通過各構(gòu)件唯一的二維碼標(biāo)簽進(jìn)行物料跟蹤，實現(xiàn)裝配式構(gòu)件現(xiàn)場準(zhǔn)確定位安裝。

3.3 采用人工智能機器人輔助作業(yè)

首先通過三維激光掃描，采集實際施工過程數(shù)據(jù)，與BIM 技術(shù)結(jié)合進(jìn)行多算對比，在建造過程中形成全面監(jiān)督和及時反饋；然后應(yīng)用BIM 技術(shù)，對場地、實體模型進(jìn)行統(tǒng)籌，對安裝設(shè)備進(jìn)行指導(dǎo)，完成精準(zhǔn)施工、智能評判，從而提高工程效率和質(zhì)量；最后采用放線機器人對施工現(xiàn)場進(jìn)行精準(zhǔn)定位放線。

3.4 吊頂空間高，跨度大

站廳層中板設(shè)計長70.25 m、寬36.8 m 下沉空間，形成貫穿站廳層和站臺層的2 層通高共享空間，是站廳層通往站臺層的主要通道，中庭共享空間吊頂高度為12.8 m，頂板結(jié)構(gòu)高度為16.4 m，高空作業(yè)施工安全措施難度大。

若搭設(shè)傳統(tǒng)滿堂腳手架平臺進(jìn)行安裝，需要的架體材料量大，長期占用場地，對此區(qū)域地面、墻面等其他工作內(nèi)容進(jìn)度影響較大，總體工期壓力大[2]。根據(jù)裝配式安裝優(yōu)勢和安裝空間特點，采用高空作業(yè)車等輕便靈活的設(shè)施進(jìn)行吊頂施工。

4 施工工藝流程及操作要點

4.1 施工工藝流程

施工工藝流程的具體步驟為：現(xiàn)場三維數(shù)據(jù)采集—可視化BIM 放樣—轉(zhuǎn)換層鋼架安裝—吊頂龍骨安裝—異型天花方通安裝。

4.2 操作要點

4.2.1 現(xiàn)場三維數(shù)據(jù)采集

基于控制測量成果以及施工現(xiàn)場的通視和三維激光掃描儀的覆蓋情況，布設(shè)不同的測站以實現(xiàn)對軌道工程區(qū)域的三維激光點云數(shù)據(jù)的獲取，提高點云數(shù)據(jù)采集的完整度，使用三維激光掃描儀在工程施工區(qū)域內(nèi)采用后視定向或后方交會設(shè)站，對儀器進(jìn)行一些參數(shù)的設(shè)計，設(shè)置掃描等級，便可對目標(biāo)物體進(jìn)行表面三維數(shù)據(jù)采集，可在復(fù)雜空間、危險目標(biāo)或人員難以企及的環(huán)境下對結(jié)構(gòu)表面進(jìn)行360°全方位掃描[3]。

根據(jù)現(xiàn)場采集點云數(shù)據(jù)導(dǎo)出點云文件，點云文件基于專業(yè)軟件處理，將所有單個掃描站點數(shù)據(jù)導(dǎo)入專業(yè)軟件，通過每個站點之間重疊部分進(jìn)行拼接，合并成一個整體點云，使其位于同一坐標(biāo)系內(nèi)，由于三維激光掃描的過程之中，掃描速度、設(shè)備精度、被測物體的表面情況等都會對測量數(shù)據(jù)造成影響，使得到的數(shù)據(jù)可能帶有很多離散點和小振幅噪聲，這些噪聲必然會影響重建后模型的質(zhì)量。那么在信號使用前，對點云數(shù)據(jù)去噪光順處理是很有必要的，這一過程可以提高信噪比。完成對點云噪點刪除、殘余區(qū)域裁剪，導(dǎo)出多格式點云文件，供其他軟件進(jìn)行應(yīng)用。

4.2.2 可視化BIM放樣

可視化BIM 放樣應(yīng)按照以下4 個步驟：第1，從BIM 模型中設(shè)置現(xiàn)場控制點坐標(biāo)和建筑物結(jié)構(gòu)點坐標(biāo)分量作為BIM 模型復(fù)合對比依據(jù)，在BIM模型中創(chuàng)建放樣控制點；第2，在BIM 模型與三維掃描逆向建模對比優(yōu)化后的BIM 模型中，設(shè)置吊頂支吊架點位布置，并將所有的放樣點導(dǎo)入軟件中；第3，進(jìn)入現(xiàn)場，使用BIM 放樣機器人對現(xiàn)場放樣控制點進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，即刻定位放樣機器人的現(xiàn)場坐標(biāo)；第4，通過平板電腦選取BIM 模型中所需放樣點，指揮機器人發(fā)射紅外激光自動照準(zhǔn)現(xiàn)實點位，實現(xiàn)“所見點即所得”，從而將BIM 模型精確的反應(yīng)到施工現(xiàn)場。通過放樣機器人，高效、準(zhǔn)確的完成放樣工作，提高了作業(yè)人員的作業(yè)效率[4]。

4.2.3 轉(zhuǎn)換層鋼架安裝

由于中庭大跨土建鋼結(jié)構(gòu)不允許動焊及打孔，故轉(zhuǎn)換層吊桿只能與鋼筋混凝土頂板通過后置螺栓的方式進(jìn)行連接，為保證轉(zhuǎn)換層吊桿垂直安裝，轉(zhuǎn)換層吊桿點位須避讓土建鋼結(jié)構(gòu)以及安裝單位管道。經(jīng)計算，主龍骨間距（分格寬度）約在1000 mm，最大間距達(dá)到2000 mm，按2000 mm 計算；吊桿間距按1500 mm 布置。以核心區(qū)采光天窗中心點，按照射線方通布設(shè)位置，進(jìn)行轉(zhuǎn)換層角鋼布設(shè)[5]。

采用50 mm×50 mm×5 mm 鍍鋅角鋼角碼鉆孔，通過M12 不銹鋼擴底螺栓與頂板連接；轉(zhuǎn)換層吊桿則可采用50 mm×50 mm×5 mm 鍍鋅角鋼，長度大于1.5 m 時增加鍍鋅角鋼反支撐，轉(zhuǎn)換層吊桿與頂板角碼、轉(zhuǎn)換層主龍骨連接均采用M10 螺栓。

4.2.4 吊頂龍骨安裝

角鋼轉(zhuǎn)換層安裝完成后，在核心區(qū)采光天窗中心點以圓形方式往四周發(fā)散布設(shè)，以與中心圓相切方向按照圖紙排版尺寸進(jìn)行龍骨安裝。龍骨采用41 mm×41 mm×3 mm 鍍鋅C 型鋼，龍骨間距根據(jù)圖示分析得出間距（分格高度）在約910 mm，最不利情況為2000 mm。天花龍骨與轉(zhuǎn)換層連接方式為龍骨在轉(zhuǎn)換層角鋼主龍骨上呈十字交叉狀態(tài)，用特制U 型抱箍固定件通過M10 螺栓與角鋼進(jìn)行連接固定。

4.2.5 異形天花方通安裝

以天眼圓心平均分成8 個相等扇形區(qū)域進(jìn)行安裝控制，在每個扇形區(qū)域施工中嚴(yán)格控制安裝縫隙的誤差，除每一榀安裝過程控制外，在1/8 扇形區(qū)域安裝完成時，使用三維放線機器人對該區(qū)域再次進(jìn)行尺寸復(fù)核，若存在誤差，在該扇形區(qū)域最后一榀時進(jìn)行最后的調(diào)整，確保1/8 扇形區(qū)域每一個起始圈與結(jié)束圈的安裝誤差減至最小。

根據(jù)裝配式安裝優(yōu)勢和安裝空間特點，采用曲臂車、剪叉式登高車、移動操作平臺等輕便靈活的設(shè)施進(jìn)行構(gòu)部件的安裝。

首先將米字節(jié)（轉(zhuǎn)接件）與駁碼固定，然后將鋁方通通過駁碼與米字節(jié)相連，調(diào)整好位置后用端頭固定件將方通與米字節(jié)固定，最后依次將其他鋁方通按照上述方式連接固定即可。因每圈層的“米字節(jié)”及弧形方通僅存在角度和弧形半徑上的細(xì)微差別，目測無法正確辨別出安裝位置，實施過程中廠家對應(yīng)物資編碼嚴(yán)格復(fù)核檢查，操作人員使用時交底清晰，嚴(yán)格按照圖紙排版編號進(jìn)行方通及米字節(jié)的安裝，避免因個別方通及米字節(jié)安裝位置不對造成大面積的弧度錯誤，影響進(jìn)度。

米字節(jié)與變形縫。室內(nèi)吊頂方通構(gòu)件會因溫度和濕度等因素的變化而產(chǎn)生脹縮變形。本工程吊頂鋁方通的變形縫為伸縮縫。變形縫設(shè)置在米字節(jié)中間腰部，縫寬10 mm。變形縫大小與方通和米字節(jié)的造型凹槽相似，有機融入吊頂整體造型，無損吊頂外觀視覺效果。

5 結(jié)語

崗廈北綜合交通樞紐城軌區(qū)“費馬螺旋”異型吊頂，基于BIM 技術(shù)，采用人工智能機器人輔助作業(yè)，成功解決了超大超高且復(fù)雜的異形吊頂優(yōu)化、安裝等難點，提升施工效率和施工質(zhì)量，最大化還原了設(shè)計效果，為室內(nèi)大跨度、高空間的吊頂裝飾裝修施工提供了有利的探索及參考。吊頂安裝完成效果如圖1 所示。

圖1 “費馬螺旋”異形吊頂實景圖（來源：作者自攝）