異形結構施工總承包項目中智慧建造技術的綜合應用
——景德鎮御窯博物館項目

萬仁威 姜月菊 張 東 韓 陽 肖曉嬌

（1.中建一局華江建設有限公司，北京 100161 ；2.中國建筑一局（集團）有限公司，北京 100161；3.中國建筑一局（集團）有限公司華北公司，天津 300457）

1 研究背景

相對于上世紀追求功能及經濟效益的“方盒子”建筑，后現代、結構主義等設計理念下的異形建筑的出現，為施工企業的建造過程帶來了諸多難題，可以說是基本沒有任何經驗可參考。

目前BIM技術在項目的應用，更多的作用是項目設計成果展示、規避設計失誤風險，于施工方的意義在于一定程度上減少返工，提高施工質量。

隨著BIM技術及智能化設備的推廣普及與引進，為施工企業在解決異形結構施工過程中的測量定位、可視化交底等問題，提供了新的解決方案。

為此，作為施工總承包企業，需提出一套能夠在異形建筑項目中有顯著效果的解決方案：既能夠讓BIM技術參與完善設計圖紙、輔助增強施工技術交底效率，也可以在施工過程中深度使用BIM模型，并將BIM應用延伸到施工后的實測實量、檢查糾偏的工作中。

圖1 國內各色異形建筑[4]

2 項目概況

景德鎮御窯博物館項目，位于江西省景德鎮市，珠山區，御窯廠遺址周邊。

項目由博物館主體、歷史街區修繕、市政道路改造等多個部分組成，其中博物館建筑總面積10 400m2，為雙曲面異型拱體結構。

圖2 項目整體概況

御窯博物館主體為著名建筑師朱锫設計，取用窯的拱形元素，通過 8個體量、高度、朝向、雙曲率等均不同的單體拱體的組合、聚集而成，地下局部二層，雙曲面拱體結構從地下一層升起，最高點到地上9m，整個結構體系半藏于地下。

圖3 博物館完成效果

拱體采用混凝土為主體，外部采用砌筑窯磚幕墻，內部采用干掛窯磚幕墻，窯磚幕墻均需滿足結構的雙曲面效果。景德鎮御窯博物館項目部從業主管理方、工程總包到施工分包均從未有該類型項目的施工經驗，從技術方案到施工工藝均為全球首創。

圖4 室內窯磚幕墻效果圖

2.1 雙曲面結構難點

鑒于雙曲面結構的特殊性，為保證雙曲面結構精準度，設計團隊以每隔50cm的剖面作為控制點，針對項目的8個拱體分別出具了800余張拱體剖面圖，而且由于雙曲面結構的復雜性，對于結構主體的施工、模板支設控制以及澆筑完成后混凝土實體的實測實量工作均無類似的工程經驗來借鑒。

圖5 雙曲面結構精度控制難度高

2.2 御窯遺址廠區場地運輸規劃

御窯博物館設計在景德鎮老城區市中心御窯廠遺址原址之上，地下埋藏歷朝歷代重要歷史遺址及文物，前期施工地下工程的清理運輸需要科學的進行考察和規劃。

圖6 施工場地運輸主干道出土遺址

在施工場地大門及材料運輸主干道發現了明代城墻遺址，為保護歷史遺跡，考古所及政府將改主干道進行了封鎖，并需要進行頻繁的周邊考古活動，對我們的施工材料運輸工作造成了極大的困擾。

圖7 施工場地周邊歷史民居密集

同時，施工場地周邊均為迷宮般的御窯歷史民居街區，人力測量難以準確得到民居巷弄道路走向，另外規劃運輸道路頗有難度。

3 項目BIM資源配置

3.1 人員配置

團隊配備方面，項目部采用矩陣式組織架構。

由指定專業工程師負責專項技術，形成一個17人的涵蓋項目全履約部門的項目級BIM應用團隊。

圖8 項目級BIM團隊

為了將智能建造技術切實應用到雙曲面拱體的質量控制過程中，將QC小組與BIM小組成員深度融合。

圖9 BIM+QC融合

3.2 軟件配置

根據項目施工的難點需求及階段目標，采用了：廣聯達三維場布、Rhino、Revit、VDP、Trimble(TOP及Realworks插件)等軟件。

3.3 硬件配置

針對于解決雙曲面結構的智能精準施工問題，項目部采購了7臺高配BIM工作站、天寶RTS771BIM放樣機器人、Hololens混合現實頭盔以及三維激光掃描儀。

圖10 項目采用的各類BIM+設備

4 基于BIM的智能設備在博物館施工中的應用

4.1 遺址環境場地規劃

周邊區域內有大量的民居及巷弄，且房屋、院落錯綜復雜、非常密集。施工區域內無法保障大規模的堆料場及加工場。地下工程的清理物料運輸不便，大量的歷史土層渣土無處堆放。

圖11 周邊巷弄密集復雜航拍

在錯綜復雜，身處其中難以分辨方位的巷弄中難以發現代替路徑解決材料進出問題，通過利用無人機對周邊街巷進行航拍，建立了該部位的三維BIM實景模型。

圖12 無人機及實景航拍自動路徑規劃

圖13 對街巷進行實景建模

我們發現，在距周邊街區迎瑞上弄不遠的新當鋪上弄里，內部可以打通一條運輸路線，供物料及設備進出。

圖14 新當鋪巷弄較為寬敞

同時，也通過該方式從多個街巷中，確定了彭家下弄等四條主要運輸路線作為博物館地下工程的運輸路線。

圖15 新當鋪運輸路徑及實景模型

4.2 雙曲面異型拱體結構的智能建造解決方案

針對于雙曲面異形結構獨特的施工要求，項目部根據工程施工流程節點，將 Hololens全息眼鏡、三維放樣機器人及三維激光掃描儀分別運用于施工的前期模型交底、中期施工控制、后期實測實量階段。

圖16 基于BIM的智能設備在施工中的應用邏輯[5]

4.2.1 模型深化

在模型技術方面，單一的Revit模型已經無法滿足一個異形建筑項目BIM技術的需求，因此項目部針對不同技術難點采用了不同的軟件配置。

結構：主要利用設計方提供的犀牛模型，通過3dmax和Sketchup軟件的互導，得到dwg格式文件，再導入Revit中建立雙曲面拱體模型，結合機電模型，在Revit中進行碰撞綜合，修改得到了結構深化模型。

圖17 結構、支吊架深化模型及雙曲弧形噴淋管模型

機電：利用Revit的MEP板塊，進行了機電專業的深化工作。由于本項目結構異形的特點，機電管線的弧形安裝也是一個難點，我們前期花了大量時間精力進行管線優化工作，建立了包含支吊架在內的LOD350的深化設計模型，在進入安裝階段后期,通過深化模型的快速出圖并結合智能設備，提高安裝工作的精確度。

項目部采用了多種模型軟件，從特殊幕墻節點構造、異形模架體系，到對現場臨建規劃，施工展示樣板區均進行了可視化的模擬和交底。

4.2.2 MR技術工程交底

圖18 BIM+MR技術應用流程原理[5]

Hololens作為一種可穿戴智能設備應用場景，項目部發揮了另一個優勢就是用1：1等大模型與施工現場結合。

圖19 Hololens+擴展屏輔助方案討論

項目部將拱體模型、幕墻施工節點模型以及機電支吊架模型在施工現場等比例顯示，找到模型與現場的重合角點，讓施工現場與模型重合。使用 Hololens的業主、工程師、施工班組在施工現場直接進入了已完成的建筑模型中，直觀檢查異形拱形結構、幕墻施工節點以及機電支吊架完成的情況，總包工程師對模型直接進行位置，尺寸以及體積等信息進行一一講解，將模型與現實混合起來，真正達到了所見即所得的效果。

圖20 Hololens現場交底

4.2.3 雙曲面模板精準放線

利用一個能夠基于BIM模型進行三維空間放樣的智能型全站儀，其工作部件主要由幾部分組成：智能觸控手簿、智能全站儀本體、反光棱鏡等。

4.2.3.1 操作流程

在TrimbleRealworks插件中，用深化調整后的BIM模型上生成控制點清單，只需要一個測量工程師，就可以對建筑的任何部位進行抓點、放樣及完成面校核工作。

圖21 放樣機器人應用流程團里

由于放樣控制點眾多，首先需要編制項目級的放樣基點編號列表并確定命名規則。

圖22 在Trimble Field Points中抓控制點設置

將模型導入放樣機器人的手簿中，然后使用 BIM放樣機器人對現場放樣控制點進行數據采集；直接通過手簿選取BIM模型中所需放樣點，指揮機器人發射紅外激光自動照準現實點位，實現“所見點即所得”，從而將BIM模型精確地反應到施工現場。

圖23 拱體模板放線

圖24 拱體結構校核

4.2.3.2 效能評估

（1）測量精確度提升

放線機器人能夠導入三維模型，選取模型任意點進行激光/棱鏡放線工作，對異形構造、復雜機電管線定位十分有價值；

放線機器人相對于普通全站儀在放線工作中的人為操作環節減少：

1）自動追蹤棱鏡環節；

2）減少在全站儀操作的時候因震動的誤差；

3）人為手動輸入數據的誤差；

在放線定位調整校對時，不存在普通全站儀2秒的人工誤差；

綜合計算，每100m中，普通全站儀綜合誤差在1 cm左右；放線機器人的誤差在5mm之內。

（2）工作效率提升

1）簡化放線流程，通過手持手簿進行全站儀放線及測量的各項工作，加大提人工工作效率；

2）一天預計能測130個點；

3）相對于普通全站一合計節省平均每天2個人工。

4.2.4 雙曲面拱體結構實測實量

圖25 三維掃描對拱體實測實量流程

對于雙曲面拱形結構的實測實量技術目前在行業內尚無可尋的參考方法與規范，而三維掃描進行實測實量是一個能全面體現拱體施工質量精度的方法。

圖26 三維掃描實測實量流程

以5#拱為例。在掃描工作開始之前，項目部成員先對掃描拱體周圍換進進行了勘察，確定了拱體周圍的遮擋物及內部空間情況，

圖27 標靶紙張貼

在相鄰兩站之間，不同平面，均勻分布了3-4個表把球，保證對任意測站點至少有 3 個標靶與其通視

圖28 標靶球放置

架設好之后需對儀器進行調平，保證后期點云模型的水平對正.

圖29 掃描參數設置

掃描過程持續5-9分鐘不等，整個5#拱的掃描工作，包括搬運、標靶紙張貼、標靶球設定在內，一共持續了3個小時。

圖30 多角度設站

用掃描儀對已完成的雙曲面結構進行三維掃描之后，在Trimble Realworks中自動將多站點云模型進行拼接調整，然后將得到的完整拱體點云模型與BIM模型疊合，生成了實測適量色塊偏差圖。

圖31 點云實測實量色塊偏差圖

此類異形結構的測量相關工作，三維掃描儀的應用有著直接的效率提升，解決了傳統實測實量方式無法解決異性結構的難題。

5 效益總結

圖32 雙曲面結構完程航拍全貌

5.1 雙曲面拱體模板創效

通過基于BIM的質量控制過程，研發出了滑軌移動式可調曲率模架體系，大大提高模架使用效率，交底考核效率、測量數據分析效率，達到 6個拱體結構的一次合格通過驗收，降低了大量返工費用，提高了施工效率，單個拱體平均節約工期15天，自行研發專利模架體系，模板施工成本減少31.2萬元。

圖33 QC活動效果柱狀圖

5.2 科技成果總結

通過項目 BIM團隊對各項技術的不斷實施和總結，目前形成了以下科技成果。

表1 科技成果總結

5.3 社會品牌效益

圖34 首都國企開放日BIM展區

由于本工程技術方面的難度和利用BIM技術成果解決了雙曲面拱體的施工難題，中央領導、地方領導、新聞媒體多次到項目進行檢查指導和采訪，特別作為中建一局國企開放日的重要站點迎接廣大市民參觀，并作為中央四套《走遍中國》智能施工板塊中的重要展示項目接受專訪，并于2018年8月13日在全國播出，樹立了中建一局科技領域方面的良好企業形象。

圖35 走遍中國·智慧建造直播畫面

6 結束語

BIM的基礎技術在行業內越來越堅實，成熟的智慧建造技術也離我們越來越近，我們目前需要思考如何利用現有的智慧建造手段通過組合、策劃來解決項目的實際難點，如何更好的利用和傳遞現有的BIM模型，達到“一模多用”的效果。

景德鎮御窯博物館項目BIM應用中，針對異型結構建筑所使用的智慧建造技術，使BIM技術從曾經的錦上添花轉變成了當下高效、精細化、信息化施工中不可缺少的技術手段，也可為其他施工項目提供了一些可供參考的實際應用案例。