2022年卡塔爾世界杯第四分區(qū)體育場設(shè)計(jì)BIM技術(shù)應(yīng)用

魏 欣 鄒 涵

（1.中南建筑設(shè)計(jì)院股份有限公司，武漢 430071；2.湖北工業(yè)大學(xué)土木建筑與環(huán)境學(xué)院，武漢 430068）

引言

BIM技術(shù)自21世紀(jì)開始得到快速發(fā)展。目前美國采用BIM技術(shù)的項(xiàng)目數(shù)量不斷增加，超過65%設(shè)計(jì)院所采用BIM技術(shù)，而政府所負(fù)責(zé)建設(shè)的項(xiàng)目，更是要求全部使用BIM技術(shù)[1]；德國的BIM應(yīng)用率為45%，而且德國國內(nèi)自主研發(fā)的軟件在占據(jù)了主導(dǎo)地位；法國當(dāng)前的BIM技術(shù)應(yīng)用率為47%[2]；日本、韓國、新加坡都陸續(xù)引入了BIM技術(shù)，在政府的主導(dǎo)作用下逐步推廣BIM技術(shù)的應(yīng)用[1]。

當(dāng)前BIM技術(shù)在國內(nèi)建設(shè)工程項(xiàng)目中的應(yīng)用主要有：建立三維建筑結(jié)構(gòu)模型、多專業(yè)管線碰撞檢查、復(fù)雜節(jié)點(diǎn)的深化設(shè)計(jì)、施工進(jìn)度動畫模擬、施工進(jìn)度的控制以及場地設(shè)施布置[3]。這些技術(shù)應(yīng)用在一些大型公共建筑或超高層建筑的設(shè)計(jì)及施工過程中，取得了較好的效果。

在技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)方面，2007 年美國建筑科學(xué)研究院發(fā)布了國家BIM標(biāo)準(zhǔn)“NBIMS（NIBS - NationalInstitute of Building Sciences）”；英國政府也制定了統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，明確要求各個企業(yè)、設(shè)計(jì)院所在統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)下實(shí)現(xiàn)協(xié)同工作。

我國于2016年12月發(fā)布了BIM國家標(biāo)準(zhǔn)《建筑信息模型應(yīng)用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T51212-2016），是我國第一部在施工領(lǐng)域中應(yīng)用BIM技術(shù)的工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，對BIM技術(shù)的應(yīng)用提出了基本要求，是國內(nèi)BIM技術(shù)發(fā)展的一個重要里程碑。

目前在綠色公共建筑、超高層建筑中BIM技術(shù)的應(yīng)用案例較多，但是關(guān)于將BIM技術(shù)應(yīng)用在體育館設(shè)計(jì)中的研究尚不多見，尤其是重大國際體育館項(xiàng)目的相關(guān)案例鮮少。本文即試圖以2022年卡塔爾世界杯第四分區(qū)體育館設(shè)計(jì)為例提供相關(guān)參考。

1 項(xiàng)目概況

2022年卡塔爾世界杯第四分區(qū)體育場位于卡塔爾首都多哈東南部的海岸，是2022年世界杯的主要比賽場館。總用地面積80.9萬㎡，體育場建筑面積8.97萬㎡，總座位數(shù)4.65萬個，滿足所有運(yùn)營模式下的國際足聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)，體育場在賽后將被完全拆除，原址將重新開發(fā)（圖1）。

本項(xiàng)目是完全由中國人投資、中國人設(shè)計(jì)和施工的PPP項(xiàng)目。中南建筑設(shè)計(jì)院股份有限公司作為設(shè)計(jì)總包方，嚴(yán)格執(zhí)行國外設(shè)計(jì)規(guī)范和BIM標(biāo)準(zhǔn)，其要求遠(yuǎn)高于國內(nèi)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。設(shè)計(jì)成果除圖紙、BIM模型外還有多種詳細(xì)的專業(yè)報(bào)告。

圖1 總體鳥瞰效果圖

本項(xiàng)目的設(shè)計(jì)難點(diǎn)在于完全執(zhí)行國外設(shè)計(jì)規(guī)范。主要有美國消防協(xié)會、卡塔爾交付與遺產(chǎn)最高委員會（業(yè)主）、國際足聯(lián)等提出的規(guī)范和要求。其深度、廣度和細(xì)致度要求遠(yuǎn)高于國內(nèi)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

2 BIM項(xiàng)目策劃

為保證建筑信息的有效傳遞，在項(xiàng)目開始之前根據(jù)業(yè)主對本項(xiàng)目的 BIM要求，參考美國 AIA和英國AEC標(biāo)準(zhǔn)制定《BIM項(xiàng)目標(biāo)準(zhǔn)》,各參與方統(tǒng)一按此項(xiàng)目標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)用BIM技術(shù)。

2.1 COBie信息化管理

施工運(yùn)營建筑信息交換 COBie( Construction Operations Building Information Exchange) 是傳輸和管理建筑設(shè)施信息的國際標(biāo)準(zhǔn)。它將獲取的有關(guān)建筑設(shè)施的文檔信息與數(shù)據(jù)資料加以整合、存儲和共享。利用IFC等格式，在不同的建筑利益相關(guān)者之間交換，規(guī)定了從設(shè)計(jì)到運(yùn)維階段內(nèi)信息的獲取交換技術(shù)、交換標(biāo)準(zhǔn)、交換流程[4]。

本項(xiàng)目采用COBie標(biāo)準(zhǔn)，在建筑全生命周期管理建筑設(shè)備信息。根據(jù)國際足聯(lián)要求，在初步設(shè)計(jì)階段需要考慮建筑設(shè)施維護(hù)和管理，其提供的COBie表格，對體育場房間、空間、設(shè)施種類進(jìn)行分類、整合、儲存（圖2）。數(shù)據(jù)庫構(gòu)建完畢后即可根據(jù)建筑設(shè)施管理的功能要求進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，建立基于BIM-COBie 技術(shù)的建筑設(shè)施信息化管理系統(tǒng)。

圖2 體育場COBie信息

2.2 BIM報(bào)告

作為成果提交給業(yè)主和國際足聯(lián)的BIM報(bào)告有：《項(xiàng)目BIM手冊》、《 BIM項(xiàng)目管理計(jì)劃》、《項(xiàng)目BIM質(zhì)量保證計(jì)劃》、《BIM合規(guī)報(bào)告》。

《項(xiàng)目BIM手冊》：包含對BIM模型命名與表達(dá)、BIM文件的操作規(guī)范、內(nèi)部信息交換等一系列操作和協(xié)作問題，保證各專業(yè)在制圖和建模過程中保持一致。

作為設(shè)計(jì)總包方，我們制定了《 BIM項(xiàng)目管理計(jì)劃》：項(xiàng)目信息，項(xiàng)目BIM階段交付計(jì)劃（含：設(shè)計(jì)模型、施工模型、信息交換、節(jié)點(diǎn)的項(xiàng)目交付、BIM質(zhì)量保證計(jì)劃和BIM會議時(shí)間表等），以及BIM成果交付計(jì)劃（含：成本設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)分析、能源分析、碰撞檢測、賽后規(guī)劃、施工規(guī)劃、施工運(yùn)營建筑信息交換等）。

根據(jù)國際足聯(lián)的BIM要求，制定《項(xiàng)目BIM質(zhì)量保證計(jì)劃》，提出BIM的管控措施，確保高質(zhì)量地完成設(shè)計(jì)。

《BIM合規(guī)報(bào)告》：在交付成果文件前，根據(jù)報(bào)告里的內(nèi)容依次打分，來檢測交付的模型及文件是否符業(yè)主的要求。合規(guī)報(bào)告分為建筑、結(jié)構(gòu)和機(jī)電五個專業(yè)的評測內(nèi)容。每次的任務(wù)節(jié)點(diǎn)都需要提交《BIM合規(guī)報(bào)告》，以便業(yè)主了解和記錄BIM模型的進(jìn)度和質(zhì)量。

3 BIM應(yīng)用

3.1 外表皮參數(shù)化設(shè)計(jì)

體育場通過融合傳統(tǒng)阿拉伯特征與現(xiàn)代設(shè)計(jì)，賦予獨(dú)特的超越時(shí)代的建筑形象。外觀設(shè)計(jì)靈感來自伊斯蘭城市特有的一種傳統(tǒng)阿拉伯圖案，其對稱、均衡、規(guī)則排列的幾何紋理非常適用于體育場的形狀和體積，表現(xiàn)了伊斯蘭建筑的藝術(shù)特征（圖3）。

圖3 傳統(tǒng)阿拉伯圖案

圖4 人視效果圖

圖5 外表皮參數(shù)化設(shè)計(jì)

復(fù)雜雙曲線外表皮用傳統(tǒng)方法無法精確表達(dá)設(shè)計(jì)，故采用參數(shù)化設(shè)計(jì)：以 Revit為核心三維建模軟件，以 Rhinocero和 Grasshopper為外表皮建精確的體量模型，根據(jù)屋頂洞口的日照分析調(diào)整參數(shù)，推敲屋頂造型，確定造型后導(dǎo)入Revit進(jìn)行精細(xì)化設(shè)計(jì)（圖5）。

經(jīng)過多次修改完善后，得到屋頂合理的開洞和天窗布置形式。經(jīng)過細(xì)節(jié)深化，由16個單元組組合成一個橢圓形，最終形成一個巨大的阿拉伯帳篷外表皮。

3.2 外表皮再利用

外表皮采用白色聚酯纖維膜材料，自重極輕、柔軟、易于安裝，非常適合于臨時(shí)性的世界杯體育場。

我們充分考慮體育場外表皮的再利用，因此對每塊膜進(jìn)行了編號，使每個膜可以重新組裝，在體育場拆除后用于濱海商業(yè)街的遮陽（圖6）。

圖6 外表皮再利用

3.3 視線分析

體育場觀眾席視野非常重要，先采用Ecotect軟件對球場看臺進(jìn)行整體視線分析計(jì)算，得出結(jié)論：體育場看臺對球場有很好的視野效果，全場觀眾席中最不利位置視線為300m2，80%的座位有3 000+m2的良好視野，能看到比賽場地全場（圖7）。

圖7 看臺視線分析1

圖8 看臺視線分析2

國際足聯(lián)對看臺視線要求比常規(guī)場館更嚴(yán)苛，座位C值需要高于90才符合其要求。對體育場所有座位進(jìn)行詳細(xì)的視線分析，得出所有座位的C值。看臺最高層視線最大角度控制在 32.91°，原座位總數(shù)為 46 557，根據(jù)C值得出滿足標(biāo)準(zhǔn)的凈座位數(shù)為41 691（圖8）。

3.4 房間統(tǒng)計(jì)

《體育場功能空間表》是國際足聯(lián)合規(guī)報(bào)告中非常重要的部分，根據(jù)報(bào)告的要求，對體育場所有房間進(jìn)行細(xì)致繁瑣的信息輸入和分類，設(shè)定顏色方案（圖9）。

圖9 房間信息輸入與分類

Revit可以更高效便捷地對體育場一千多個房間進(jìn)行信息輸入和屬性分類，這是在傳統(tǒng)軟件CAD中無法做到的。在明細(xì)表中完善信息后，《體育場功能空間表》可以直接導(dǎo)出Excel格式。

3.5 賽后規(guī)劃

圖10 體育場組成元素

考慮到體育場賽后將被拆除，所在地塊將用于新的開發(fā)，我們在整個設(shè)計(jì)中充分考慮了“回收”的概念。體育場約 65%面積由預(yù)制的標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件組成（圖10），便于此地塊新開發(fā)的重復(fù)使用，剩下的部分將作為遺址公園成為2022年世界杯的永久回憶。標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件采用8×8m的尺寸，結(jié)構(gòu)相互匹配，易于拆卸和組裝施工，使重復(fù)利用成為可能。

3.6 BIM的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.6.1 結(jié)構(gòu)體系

體育場的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分為基礎(chǔ)、看臺、屋面三部分。基礎(chǔ)采用鋼筋混凝土，看臺和屋頂均采用鋼結(jié)構(gòu)，且所有樓層為空心預(yù)制樓板，方便施工安裝和拆卸，并在比賽后進(jìn)行回收和再利用。體育場屋面結(jié)構(gòu)體系由16組柱和看臺支撐單元組成（圖11）。

圖11 屋面結(jié)構(gòu)體系

圖12 看臺節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

3.6.2 看臺節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

看臺節(jié)點(diǎn)采用了一種易安裝、拆卸的鋼框架連接節(jié)點(diǎn)，使施工現(xiàn)場安裝過程中無焊接，施工簡單方便，易于工人操作，在縮短鋼構(gòu)安裝工期的同時(shí)，降低了安裝人力成本（圖12）。

若臨時(shí)建筑或構(gòu)架采取此連接方式，拆卸更加方便，而且在拆除過程中不會對原構(gòu)件產(chǎn)生損傷，便于拆除構(gòu)件后重復(fù)利用。

3.6.3 看臺標(biāo)準(zhǔn)化

看臺采用標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，降低建設(shè)成本，并且便于安裝和拆卸，拆卸后易于使用。用BIM模型模擬看臺拆卸過程（圖13），可指導(dǎo)施工。

圖13 看臺拆卸模擬

圖14 結(jié)構(gòu)拆除模擬

3.6.4 結(jié)構(gòu)拆除

世界杯比賽結(jié)束后，體育場將被完全拆除。拆下的建筑材料將在賽后重新使用。基于BIM模型模擬體育場結(jié)構(gòu)拆除過程（圖14），用于指導(dǎo)施工。

3.7 BIM的照明設(shè)計(jì)

夜幕降臨，體育場像一朵盛開在天空中的荷花，照明分為頂部、中部、底部三部分實(shí)現(xiàn)動態(tài)效果。立面所有照明都是開放和淺色的，提供公共區(qū)域的照明和實(shí)現(xiàn)立面照明的變化（圖15）。

圖15 立面照明

3.8 室內(nèi)設(shè)計(jì)

基于BIM模型進(jìn)行室內(nèi)精裝修設(shè)計(jì)，保證項(xiàng)目的品質(zhì)達(dá)到預(yù)期的標(biāo)準(zhǔn)。VVIP大堂位于視野最好的第四層，大面積玻璃為室內(nèi)觀看提供良好的自然光，其裝飾具有獨(dú)特的卡塔爾文化韻味（圖16）。

圖16 VVIP大堂精裝修展示

3.9 綠色建筑能效分析

對體育場進(jìn)行通風(fēng)熱環(huán)境模擬，得到如下計(jì)算結(jié)論：不設(shè)空調(diào)，觀眾區(qū)和球場標(biāo)準(zhǔn)有效溫度較大，熱舒適度差；設(shè)置座椅送風(fēng)，觀眾區(qū)和球場標(biāo)準(zhǔn)有效溫度小于32℃，熱舒適度性好。

4 總結(jié)

2022年卡塔爾世界杯第四分區(qū)體育場在設(shè)計(jì)階段，全專業(yè)嚴(yán)格執(zhí)行國外的設(shè)計(jì)規(guī)范和BIM標(biāo)準(zhǔn)，采用COBie信息化管理，運(yùn)用BIM技術(shù)實(shí)現(xiàn)了外表皮參數(shù)化設(shè)計(jì)、看臺視線分析、房間功能空間信息統(tǒng)計(jì)、建筑構(gòu)件拆除模擬、精細(xì)化設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)管理、算量統(tǒng)計(jì)等。

海外團(tuán)隊(duì)和國內(nèi)團(tuán)隊(duì)同心協(xié)力，經(jīng)過艱苦的努力，高質(zhì)量、高效率地完成了世界杯體育場的設(shè)計(jì)，得到國外業(yè)主和國際足聯(lián)專家的高度贊揚(yáng)。

BIM技術(shù)極大地提高了項(xiàng)目的設(shè)計(jì)質(zhì)量，經(jīng)過這個項(xiàng)目，我們了解了國際上高水平的設(shè)計(jì)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，打開了國際市場，為后續(xù)其他重大國際項(xiàng)目的建設(shè)提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。