北京新機場旅客航站樓及綜合換乘中心(指廊)工程BIM應用

(北京建工集團有限責任公司，北京 100055)

1 工程概況

1.1 項目簡介

北京新機場位于永定河北岸，北京市大興區(qū)禮賢鎮(zhèn)、榆垡鎮(zhèn)和河北省廊坊市廣陽區(qū)之間，北距天安門46km，西距京九鐵路4.3km，南距永定河北岸大堤約1km，距首都機場68.4km，屬于國家重點工程(圖1)。航站樓指廊區(qū)包括東北、東南、中南、西南、西北五條互呈60°夾角的放射狀指廊構成，總建筑面積30萬，各指廊長度約420m，最窄處44m，在端部放寬為120m，登機橋固定端數(shù)量50條，近機位共79個。建筑高度25m，地下一層，地上三層；工程結構類型：基礎為樁筏基礎，主體結構為鋼骨混凝土框架結構，屋面由鋼桁架網(wǎng)架組成的不規(guī)則自由曲面構成的復合金屬保溫屋面，首層外檐為鋁板外墻，二層及以上為玻璃幕墻。

北京新機場工程設計理念非常新穎，外觀形似“鳳凰”。五條候機指廊在航站樓周邊劃分出四片停機港灣，航站樓基底面積約27萬m2，停機岸線長度約4 300m。五條指廊端部均做放大處理，最大寬度約110m，共接駁了20個固定登機橋，約占固定橋總數(shù)的40%。

圖1 新機場效果圖

1.2 工程難點

本工程工程體量大，結構形式不規(guī)則。豎向支撐結構為混合結構，梁柱節(jié)點的鋼筋密集，實現(xiàn)柱筋、梁筋與鋼結構精確連接，必須確保鋼筋的定位精度。

施工現(xiàn)場分散，五個指廊分別位于航站樓的中央南側、西北、西南、東北及東南五個方向，相互之間距離較遠，需要分別布置施工現(xiàn)場。并且現(xiàn)場道路隨時在變化，給現(xiàn)場施工材料進出場和人員管理帶來了很大不便。

鋼屋面造型復雜。屋頂網(wǎng)架為不規(guī)則曲面造型，鋼結構組拼難度大，鋼結構體量大(用鋼量3萬t，焊接球8 472個，各類桿件55 267根)，指廊屋面桁架總長度(420m)，最大跨度(42m)，安裝精度要求高。

飾板造型繁雜。屋面鋁蜂窩裝飾板種類約7 700塊。由于屋面采用的是流線型曲面造型，所以7 700塊鋁蜂窩板每塊的尺寸均不一樣。

2 BIM組織與應用環(huán)境

2.1 BIM應用目標

通過在工程建設項目中的BIM實踐應用,將BIM應用貫穿于項目前及規(guī)劃、設計、投標、施工、運維等建筑的多個生命周期階段。從基礎建模、模型數(shù)據(jù)分析、綠色建筑規(guī)劃到深化設計、4D施工模擬、方案論證和專業(yè)技術、軟件開發(fā)等多個領域。面對以BIM技術為載體的新一輪建筑行業(yè)信息化浪潮，BIM中心發(fā)揚“建德立業(yè)，工于品質(zhì)”的企業(yè)文化精神，提出了“以創(chuàng)效為目標的BIM+智能建造”理念。立足于施工總承包BIM應用，并歸納總結具體實施的技術和要點，提高生產(chǎn)效率和質(zhì)量，增強企業(yè)核心競爭力[1]。

2.2 BIM組織架構

北京新機場工程BIM人員架構如圖2所示：由項目經(jīng)理作為整個項目的BIM總負責人，統(tǒng)籌各項工作和BIM協(xié)調(diào)事宜，下設技術部部長，安排技術和BIM溝通協(xié)作，BIM中心主任負責具體實施BIM計劃、安排工作，解決協(xié)調(diào)各專業(yè)BIM之間實際問題[2-3]。

圖2 BIM組織架構圖

2.3 BIM管理規(guī)范

項目的前期組織和策劃，制定BIM標準、規(guī)范BIM應用流程至關重要[4]。BIM在實際實施過程中，為了便于加強對BIM工作的管理，以《施工企業(yè)建筑信息模型(BIM)應用標準》和《建筑裝飾裝修工程BIM實施標準》為依據(jù)編制了本工程各專業(yè)BIM實施導則(圖3)，對模型搭建、交付標準以及BIM工作管理及流程等做出了明確規(guī)定[5-7]。

圖3 BIM實施導則

2.4 BIM軟硬件配置

BIM工作的開展需要一系列不同功能的軟件，對計算機硬件有較高的要求。根據(jù)工作需要，采購了用于建模的高配置電腦及相關軟件(圖4)[8-9]。

(a)軟件配置

(b)硬件配置圖4 BIM軟硬件配置

3 BIM技術基礎應用

3.1 場地布置

施工現(xiàn)場布置就是在滿足多個相互矛盾或者相互統(tǒng)一的布置目標和場地約束條件下，優(yōu)化利用場地空間[10-11]。新機場工程各類施工專業(yè)交錯施工，所需材料的堆放，運輸?shù)鹊龋夹枰崆耙?guī)劃好，以節(jié)約場地和時間。傳統(tǒng)的二維平面做法顯然不能夠滿足要求。特別是在裝飾裝修階段，幕墻、機電、裝飾交叉施工，各分包施工計劃和進度又不相同，施工現(xiàn)場塔吊、鋼筋加工棚、木工加工棚、配電箱的布置等等情況復雜。BIM此時就發(fā)揮了比較重要的作用，在電腦的虛擬三維世界里，可以搭建一個與現(xiàn)實中一樣的場地模型，進行各專業(yè)場地的布置與材料運輸路線的規(guī)劃，并區(qū)分以不同的顏色，一目了然(圖5)。不僅如此，BIM在場地布置中還可以隨著工程進度進行場地的實時更新變化。根據(jù)各分包的施工計劃和不同時期場地需求，與工程部、技術部、機電部、物資部等進行溝通，合理安排布置。對不同專業(yè)、不同工序進行場地沖突預警，供總包單位和施工單位作為解決問題的參考[12]。

圖5 場地布置效果圖

3.2 方案比選

立足于工程施工中遇到的實際問題，利用BIM技術進行方案模擬和比選，驗證方案可行性。用模型的形象直觀、動態(tài)模擬、碰撞分析及可視化信息，分析復雜的、技術要求高的安裝施工方案、施工工藝的可實施性，對空間定位、復雜的、技術要求高的工序進行全過程控制，縮短施工的工期。

由于中南指廊下有京雄高鐵、廊涿城際、新機場線、預留R4在內(nèi)的高鐵、地鐵并行穿越而過，在施工過程中，需要為這些線路預留下隧道。隧道施工要在外圍澆筑一道2m厚的混凝土墻。采用傳統(tǒng)的工藝澆筑，可能要延期。機場技術人員在項目班子帶領下，決定采用定型“木工字梁”整體模板。利用BIM搭建好的三維模型(圖6)，依據(jù)現(xiàn)場情況搭建“木工字梁”整體模板模型(圖7)，通過接口插件導入分析軟件，在此基礎上進行可行性分析論證。在經(jīng)過反復論證后，該方案可行。同時配合鋼木混合龍骨搭建結構骨架，配合使用混凝土智能化測試儀，采用傳感技術和微電腦技術，直接通過液晶顯示器顯示混凝土溫度、預測28天強度等參數(shù)，以此來控制混凝土質(zhì)量，確保質(zhì)量過關。2016年11月28日，3條下穿隧道混凝土澆筑“一次成活”，大大提升了施工效率。

圖6 木工字梁模板模型

圖7 木工字梁現(xiàn)場模板

3.3 管線排布和優(yōu)化

利用Navisworks進行碰撞檢測，解決不同專業(yè)之間的碰撞問題，減少無效成本投入[13-15]。

指廊工程區(qū)設備機房多，水、暖、電、通信等等各種管線錯綜復雜，各路管線密集交錯在一起。現(xiàn)實施工過程中如果直接進行排布的話，會遇到各種問題，各專業(yè)管線之間、管線與橋架之間、管線與結構板、結構之間的碰撞很常見。管線與結構之間，管線穿梁或穿過結構樓板，這些都可以通過搭建管綜模型(圖8)來進行碰撞檢測，形成碰撞檢測報告，交于施工人員，在結構施工初期進行預留洞口；管線之間的碰撞，就需要機電專業(yè)BIM人員在模型中對管線進行偏移(圖9)，在達到要求后進行二維圖紙的導出，并與設計人員進行溝通確認，然后開始施工。這些過程都是在計算機虛擬條件下虛擬施工，或者說是一種成本極低的管線排布施工演練，確認現(xiàn)實條件下可以進行施工再開始動工。避免現(xiàn)場直接施工出現(xiàn)碰撞后返工的現(xiàn)象，縮短工期，節(jié)約成本。

圖8 東北指廊管綜模型

(a)優(yōu)化前 (b)優(yōu)化后圖9 管綜優(yōu)化調(diào)整

3.4 預制化加工

BIM模型的數(shù)字化準確性，使其具備了很多可操作性。現(xiàn)實施工過程，無論怎么操作，總避免不了各種誤差的出現(xiàn)。而BIM模型的數(shù)字準確特性，使其能更準確地表達建筑構件的信息與甲方等的所想表達實際效果和意圖，更具有可操作性。

如鋼結構的預制化加工是預先通過BIM技術進行預拼裝(圖10)，將所有的桿件、節(jié)點連接、螺栓等信息全部輸入到模型當中，工廠加工詳圖均是通過BIM模型導出，保證了BIM模型與實際建造的鋼結構實體完全一致(圖11-12)，從而確保了構件定位和拼裝精度[16]。

圖10 鋼結構模型

圖11 鋼結構節(jié)點模型

圖12 現(xiàn)場模型

3.5 工程管理

3.5.1 遠程監(jiān)控管理

在施工現(xiàn)場安裝遠程監(jiān)控系統(tǒng)(圖13)，用于施工現(xiàn)場安全、質(zhì)量的監(jiān)控管理。系統(tǒng)攝影頭采用定制級36倍光學智能變焦一體機，雙濾光鏡片，不但能使夜視紅外距離高達120-150m，更能實時接收主控制器各項指令，秒速智能對焦旋轉，有效解決“燈下效應”造成的視頻模糊不清等施工難題，保障安全24小時可視。這有效提高了項目管理水平，通過監(jiān)控畫面(圖14)項目管理層及時了解和掌握現(xiàn)場施工過程信息，和BIM模型進行對比，并進行相關操作，及時高效做出決策，對加快施工進度起到了重要作用。

圖13 施工現(xiàn)場監(jiān)控攝像頭

圖14 施工現(xiàn)場監(jiān)控畫面

3.5.2 勞務管理系統(tǒng)

在施工現(xiàn)場安裝門禁閘機系統(tǒng)，對需要進出現(xiàn)場的管理和施工人員發(fā)放現(xiàn)場出入證明卡，刷卡進出(圖15)。同時，在門禁顯示屏上會顯示出人員姓名、照片、年齡、所屬勞務隊、工種及接受安全教育情況等信息(圖16)。系統(tǒng)實時將每日現(xiàn)場各勞務隊人員出勤情況等數(shù)據(jù)傳送給管理人員，形成考勤表，作為人員結算薪酬的依據(jù)。采用BIM技術與現(xiàn)場進度實時對比，將施工現(xiàn)場人員需求反饋至領導層終端，為領導管理層合理分配作業(yè)人員提供參考，實現(xiàn)智慧型人員管理。

圖15 人員刷卡進出現(xiàn)場

圖16 進出現(xiàn)場人員信息情況

3.5.3 施工進度管理

將BIM模型與施工進度計劃相關聯(lián)，對現(xiàn)場施工過程進行可視化模擬，或者直接使用Navisworks軟件編制進度計劃。利用三維模型加一個時間軸形成4D，也可以再附加上成本信息(5D)、質(zhì)量信息(6D)、安全信息(7D)等[17]。依據(jù)進度計劃進行模型搭建渲染模擬出現(xiàn)場施工情況，清晰直觀地展示進度計劃；再利用現(xiàn)場視頻監(jiān)控以及實地查看等得到的現(xiàn)場實際施工進度情況，做出模擬視頻，就可以直觀地看出計劃與實際之間的關系。根據(jù)計劃與實際施工的對比，預測出完成工期的時間，就能看出總體是提前還是滯后，滯后幾天。再根據(jù)實際情況進行工序優(yōu)化(圖17)。

圖17 施工進度模擬

3.6 安全防護

BIM在搭建建筑結構模型時，對各種預留洞口進行安全防護體系的模擬安裝，發(fā)現(xiàn)防護的薄弱環(huán)節(jié)，輔助安全人員進行洞口的統(tǒng)計，做好現(xiàn)場防護安裝工作(圖18)，降低事故發(fā)生幾率，實現(xiàn)綠色、文明施工。

圖18 安全防護`

4 創(chuàng)新應用

4.1 無人機

除了現(xiàn)場安裝的視頻監(jiān)控外，還置備了無人機設備(圖19)。隨著現(xiàn)代信息技術、計算機技術的發(fā)展，無人機的性能也得到很大提升。由于它的高機動性、低成本特性，在航空拍攝，測繪方面有了很大的推廣應用。機載系統(tǒng)由無人機、數(shù)字影像系統(tǒng)、導航和飛行控制系統(tǒng)、通信系統(tǒng)組成。通過專業(yè)人員駕駛操作，進行航拍測繪，將獲得的圖像(圖20)、數(shù)據(jù)傳送至地面系統(tǒng)，再將數(shù)據(jù)導入至專業(yè)軟件分析處理。為工程設計、施工監(jiān)測、提供了有力技術支撐。同時還能對整個工程的現(xiàn)場實施狀況、完成情況整體拍攝，為管理層優(yōu)化施工進度的決策提供幫助。

4.2 二維碼+VR

對現(xiàn)場特定部位或者特殊構件處進行模型的精細化，并將詳細信息諸如位置、施工工藝、構造等標注出來，存儲在二維碼(圖21)中。將二維碼粘貼在現(xiàn)場對應地方。現(xiàn)場人員在施工時就可以利用手機等移動設備進行掃描，獲得信息。三維模型的數(shù)據(jù)量一般較大，在移動端觀察整個模型，移動端的反應時間會比較長。利用VR技術，將關鍵部位、特殊節(jié)點的模型進行渲染制作為場景VR(圖22)，結合二維碼技術，粘貼在相應部位。使得現(xiàn)場施工、管理人員能夠對比現(xiàn)場和最終效果圖，了解施工質(zhì)量和進度，更加高效、準確、快速地獲得各類信息，提升工程管理效率和水平。

圖19 無人機設備

圖20 拍攝現(xiàn)場畫面

圖21 精裝樣板段二維碼

圖22 VR技術應用場景截圖

4.3 協(xié)同公共平臺

新機場工程規(guī)模浩大，搭建一個公共平臺極有必要。利用現(xiàn)有軟件和網(wǎng)絡計算機技術，借助互聯(lián)網(wǎng)平臺，建立一個可以共享資源信息的智慧工地平臺(圖23)。從自身基礎上搭建，要求技術質(zhì)量部、商務部、物資、財務等部門及各分包單位入駐平臺。

BIM處將模型及信息導入平臺作為基礎，其余各相關部門也監(jiān)理自己的子平臺，在其上發(fā)布信息。技術部的圖紙變更發(fā)布、質(zhì)量部的檢查通報、各分包的施工進度等等。真正使數(shù)據(jù)實時共享，為工程跨組織、跨專業(yè)多方協(xié)作提供更高效的溝通。下一步可以擴大平臺，接入與甲方、指揮部、監(jiān)理部門相關工作平臺，真正實現(xiàn)建設參與各方的數(shù)據(jù)資源共享。

5 項目應用效果及效益分析

5.1 經(jīng)濟效益

利用BIM技術實現(xiàn)了基于BIM的進度、生產(chǎn)及成本管理，使各專業(yè)之間更好地協(xié)同，降低了返工率，降低了材料消耗，優(yōu)化場地布置，材料運輸路線，節(jié)約運輸成本。共節(jié)約建造成本1 000萬，總縮短工期97天。

5.2 社會效益

實現(xiàn)基于BIM的現(xiàn)場文明安全標準化施工，規(guī)范化施工，獲得示范工程5項，得到社會認可。

5.3 技術創(chuàng)新

應用BIM技術創(chuàng)新解決了工程中遇到的難題，獲得國家QC成果獎1項，專利3項，工程運用了建筑業(yè)10項新技術中10個大項，47個小項，其他創(chuàng)新技術5項。

5.4 團隊管理

通過BIM云平臺的建立，使得各參與方溝通效率極大提高。針對各方提出的問題，利用BIM技術形成BIM解決方案，制定建模標準和應用流程，探索項目管理新模式，提升了精細化管理水平。

圖23 BIM協(xié)同平臺

6 總結

北京大興新機場建成后將成為世界上最大空港，在全世界備受關注。積極利用BIM技術，在工程建設的各個階段輔助施工。設計階段，模型藍圖的提前搭建讓各參建方能夠根據(jù)效果藍圖更好地做出決策。在二次砌筑時，房間布局的變化，可以利用三維模型來進行確認，然后利用三維模型出二維圖紙；施工階段，利用三維模型進行現(xiàn)場交底。對復雜工藝，制作三維交底視頻，更直觀明確；導入時間、質(zhì)量等參數(shù)進行5D施工進度管理。這些都為新機場建設提供了新的技術手段。BIM不僅僅是個搭建模型的軟件系列，更是一個建筑過程中各類信息數(shù)據(jù)存儲媒介。建筑施工要統(tǒng)籌施工過程中的人、機、料、法、環(huán)等諸多環(huán)節(jié)，是一個空間與時間、成本、安全、質(zhì)量、管理各種信息綜合統(tǒng)籌協(xié)調(diào)的過程。沒有BIM，這些數(shù)據(jù)信息量之大，關系錯綜復雜，僅僅依靠智能技術是不可能完成的。所以BIM和智能技術在施工中的集成應用是必然趨勢，這樣建筑行業(yè)的發(fā)展才更加順利，建造方式才能實現(xiàn)徹底轉變。