2019年中國北京世界園藝博覽會中國館項目工程施工BIM深度應用

(北京城建集團有限責任公司，北京 100088)

1 工程概況

1.1 項目簡介

2019年中國北京世界園藝博覽會中國館，其外觀靈感來自于中國傳統吉祥物—如意，借鑒中國傳統的斗拱、榫卯結構，效仿古人“巢居”、“穴居”的智慧，將主要展廳覆蓋于梯田之下，梯田上的金色屋頂籠罩著錦繡繁花。琉璃磚瓦，宏頂華蓋，波光流轉間盡顯一派盛世恢弘，傳遞大國氣象，如圖1所示。

中國館總建筑面積23 000m2，地上2層，地下1層，建筑高度23.8m。本建筑由展廳、多功能廳、辦公、貴賓接待、觀景平臺、室外梯田等構成。

2019年中國北京世界園藝博覽會中國館項目建筑方案由中國工程院院士、中國建筑設計研究院總建筑師崔愷主持設計，北京城建集團有限責任公司為工程施工總承包。

1.2 工程特點難點

本工程結構異常復雜，整體呈半環狀，80%為弧形或異形結構，框梁分布密集，板型均不規則，結構標高變化多，并設有50m大跨度雙曲面拱梁(如圖2)、六角核心筒等異形結構，施工難度巨大。

圖1 世園會中國館示意圖

圖2 50m大跨度雙曲面拱梁模型示意

本工程室外梯田最高處約15m，總方量約14萬m3，最陡坡比為1:1.5，多專業平行施工，土方堆筑施工組織是本工程難點之一。

本工程鋼屋蓋是由兩側魚腹式桁架和中部單梁組成的人字形屋蓋，鋼構件的安全吊裝是本工程的難點之一；本工程包括61根鋼骨柱、83根鋼骨梁，梁柱節點復雜，勁性結構安裝是本工程的難點之一。

本工程屋面幕墻采用光伏玻璃，確定其采集效果及排布是本工程的難點之一；同時屋面幕墻屬于構件式幕墻，其每一塊玻璃的尺寸均不相同，玻璃加工精度要求高、施工安裝管理難也是本工程的難點之一。

2 BIM組織與應用環境

2.1 應用目標

本工程BIM應用目標為：根據工程特點難點，優化原設計方案，切實有效解決施工技術難題，實現施工方案技術和經濟的最優化；實現鋼構件預制化加工，高效保質完成建設任務；實現項目精細化管理，掌控成本、管控進度、專業深入、質量安全可控。

2.2 應用標準

項目根據應用目標，參照國際標準ISO16739、數據交互標準ISO29481及國家標準GB/T 51212-2016(建筑信息模型應用統一標準)，詳細策劃了深化設計、施工模擬、預制加工、進度管理、預算與成本管理、質量與安全管理、竣工驗收等方面建筑信息模型的創建、使用和管理的具體要求，明確了模型細度、應用流程及應用框架，統一了編碼和命名規則，提出了模型共享、模型集成等相關要[1]。

2.3 團隊組織

為實現應用目標，BIM團隊由施工總承包方北京城建集團建筑部BIM中心主任親自帶隊，下設項目部BIM應用小組，項目經理及總工程師進行統籌協調各項事宜，成員涵蓋結構、鋼結構、幕墻、機電等專業BIM工程師，并由北京城建智慧院、廣聯達公司提供技術支持。

2.4 實施方案

本項目BIM應用分為建模、基礎應用、集成應用三部分，涉及各方主體。利用廣聯云平臺，使各專業協同工作，及時發現問題并調整設計，通過虛擬施工，降低技術風險、工程變更風險及成本控制風險，應用流程如圖3所示。

2.5 軟硬件環境等

項目綜合運用Revit、Rhino、Tkela、lumin、Navisworks等多項軟件，搭建BIM5D平臺，實現信息共享和模型協同；配置三維激光掃描儀等硬件設備，采用大內存和高性能顯卡塔式工作站3臺，移動工作站8臺及個人移動終端，確保BIM技術在施工過程深度應用。

圖3 BIM實施管理總流程圖

3 BIM應用

3.1 建模

本工程根據施工需求建立了結構、鋼結構、建筑、機電、幕墻、室外梯田等模型，如圖4所示。根據應用標準，要求深化設計模型細度不低于LOD350，包含構件的基本尺寸等主要信息，便于快速建模及修改；施工過程模型細度不低于LOD400，列如鋼構件模型包含穿筋孔、焊縫、插銷等細節，幕墻模型包含鋁板規格、開啟扇組角碼、合葉等細節(如圖5所示)，可直接用于工廠加工。

圖4 各專業BIM整體模型

圖5 屋面幕墻細部模型

3.2 BIM應用情況

(1)高大模架設計與驗算

Revit結構模型可直接導入廣聯達3D模架軟件(如圖6所示)，利用軟件快速計算不同材質支撐體系工程量用以確定模架方案選型[1][2]。軟件同時可識別高支模區域，并自動排布架體。因結構弧度影響導致架體斷開區域，利用模型補充立桿、短橫桿使之連成整體。

對于定型方鋼三角架等異形模板支撐體系，我們將Revit三角架模型導入Structure Analysis Program 2000(如圖7所示)，將二維框架線性分析轉換為三維非線性動力分析，確保應力比危險桿件截面驗算等滿足施工要求。

圖6 3D模架軟件應用

圖7 SAP 2000軟件應用

(2)關鍵工序模擬

對于沿高度方向起拱4.4m，沿水平方向前傾3米的地下室北側拱梁，為保證拱梁成型質量及架體的安全穩定，通過虛擬施工，不斷調整搭設方案，最終確定搭設只沿高度起拱的擴大平臺，將水平方向起拱的弧度囊括進去，降低了龍骨的加工難度，有效保證了拱梁的成型弧度，并在荷載最大的起拱處增設定型方鋼三角架，確保整體架體的安全。 通過虛擬施工，詳細闡述了雙曲面拱梁模板架設和安裝的各項施工要點(如圖8所示)。

圖8 雙曲面拱梁施工模擬

(3)大方量梯田堆筑施工組織

項目集成各專業BIM模型，充分考慮土方堆筑制約因素，提前策劃施工方案，利用三維動畫演示分層分段回填、毛石擋墻、土工格柵鋪設等施工工藝，明確土工布、濾石層及出戶管管道拼接質量要求，提供景觀、機電、防水、市政等多專業平行施工指導意見，把控關鍵節點質量，確保工程如期推進(如圖9所示)。

圖9 室外梯田施工模擬

(4)深化設計

1)針對中國館標高變化多、框梁密集的復雜結構，通過三維建模優化原設計結構實體未封閉、框梁重合等問題；

2)完成了屋面一萬余根桿件連接方式的深化，明確了勁性結構鋼筋的連接方式；

3)精確考慮日光投射角度和光伏采集效果，深化出光伏玻璃、普通玻璃和開啟扇組合的最佳排布效果，并指導現場施工。除此之外，集成結構及各專業BIM模型對機電管線綜合排布、凈空要求等進行深化(如圖10所示)。以上深化內容均出圖后指導現場施工。

圖10 機電管綜集成模型

4 應用效果

4.1 攻克難題

針對全國首例50m大跨度雙曲面鋼筋混凝土拱梁結構，項目全方位運用BIM技術，利用三維模型的可視化與信息化，比選多種施工方案，充分模擬關鍵工序，結合虛擬施工，最終攻破此項技術難關，完美呈現出了設計意圖。此外，通過集成各專業模型，還有效地解決了大方量室外梯田施工組織難題。

4.2 節省工期

鋼結構廠家將設計確認的BIM深化模型直接導入SinoCAM套料原件，提供原始加工數據信息，包含：零件的結構信息，如長度、寬度等；零件的屬性信息，如材質、零件號等；零件的可加工信息，如尺寸、開孔情況等。SinoCAM適用于各種數控切割機的放樣和數控編程，排版套料結束后，對結果進行輸出，實現精準的預制化加工，保證了相應部位的工程質量，大大提高鋼結構施工的工業化程度[4]，縮短加工周期18天。

4.3 精細化管理

中國館造型獨特，涉及專業較多，應用BIM5D平臺，通過各專業BIM模型集成進度、預算、資源、施工組織等關鍵信息(如圖11所示)，對施工過程進行模擬，及時為施工過程物資、商務、進度、生產等重要環節提供準確資源消耗、技術要求等核心數據，提升溝通和決策效率，從而達到了節約時間和成本、提升項目管理質量的目的[5]。終端設備VR模式可幫助管理人員快速、方便深入了解BIM模型及方案演示，提高管理效率(如圖12所示)。

圖11 BIM5D平臺應用

圖12 終端設備VR應用

5 總結

5.1 創新點

(1)結合Revit模型與sap2000交互，解決傳統安全計算軟件無法進行異形模架的受力分析，為保證現場安全實施提供了技術保障。

(2)建立以 5D 模型為核心的基礎應用平臺，加以建模軟件和 BIM 審圖、BIM 瀏覽器等應用，實現技術、生產和商務的橫向綜合應用，以5D平臺為紐帶，打通項目施工、商務、資料、質安之間的溝通壁壘，以建模、集成、協同應用為主要流程線的 5D 模型應用[5]。

5.2 經驗教訓

BIM技術在項目應用過程中，難免出現各種阻力和問題，其中最主要的原因是：人才缺乏及參建各方對BIM技術認識深度不同。在北京城建集團建筑部BIM中心的主導下，邀請廣聯達專業顧問駐扎施工現場，不僅對應用團隊成員進行具體業務指導，如3D模架軟件，同時也對參建各方主體進行培訓，使其更加深入了解BIM技術。