國家速滑館項目基于BIM的智慧建造實踐

文/北京城建集團有限責任公司 張 怡 蘇李淵 史自衛 駱建坡 唐馨庭

1 國家速滑館項目概況

1.1 項目簡介

國家速滑館工程北臨國家網球中心，西臨林萃路，是2022年冬奧會重要的比賽場館（見圖1）。國家速滑館建筑面積約9.7萬m2，主場館外輪廓線投影呈橢圓形，南北長約240m、東西寬約178m，地下2層，地上3層，檐口高度15.4～33.8m，總坐席12058座。國家速滑館外立面幕墻由22根曲線環形玻璃環繞而成，形成美輪美奐的“冰絲帶”，營造出冰與速度的完美結合。建成后將與“鳥巢”“水立方”分別象征“冰”“火”“水”在奧運賽區交相輝映，共同組成北京這座世界首個“雙奧之城”的標志性建筑群。

1.2 工程重難點

1）社會關注度高 作為2022年冬奧會最重要的標志性比賽場館，項目自開工以來受到社會高度關注。

2）工期異常緊張 合同工期僅2年，而國內外類似工程一般為3～5年。如何在高難度的前提下按時高標準完成建設任務，是項目團隊面對的巨大挑戰。

3）施工難度大 多標高多規格復雜群嵌套基槽、大型傾斜型鋼-混凝土組合異形勁性結構、全國首例弧形預制看臺板、大跨度空間雙曲馬鞍形屋蓋環桁架、國內最大跨度單層雙向正交馬鞍形屋面索網、天壇型曲面玻璃幕墻、單元式柔性屋面等是工程施工面臨的一系列技術難題。

圖1 國家速滑館項目效果

4）質量安全標準高 工程質量需確保中國建筑工程鋼結構金獎和中國建設工程魯班獎，安全生產創建全國建設工程項目施工安全生產標準化工地。

2 項目實施策劃

2.1 采用BIM技術的原因

1）工程造型復雜、難度大、工期緊，通過在深化設計、加工、施工階段應用BIM技術，實現工程精準、高效建造。

2）項目參與方眾多，通過總承包BIM管理，實現對項目進度、技術、質量、安全等方面的智慧、協同管理。

3）利用以BIM為核心的信息化技術助力智慧建造，并為未來智慧場館運營奠定基礎（智慧工地→智慧建造→智慧場館）。

2.2 項目團隊構架

本工程基于BIM的智慧建造由項目執行經理牽頭，項目總工程師分管，機關BIM中心協助指導，項目BIM中心主任負責制定BIM實施導則并落實。項目BIM中心進行總承包自施范圍內模型創建工作及對各專業分包實施總承包BIM管理。專業分包BIM工程師人數根據現場需要和實施階段進行動態調整。

3 BIM技術應用

3.1 BIM建模輔助圖審

1）混凝土結構建模 土方開挖前，在東南管溝建模過程中發現筏板與管溝層頂板發生沖突，及時反饋給設計，將問題解決在槽底土方開挖之前，避免了土方、混凝土返工，節約工期和成本。

2）看臺結構建模 通過對預制看臺建模，發現東北、西北、東南、西南角位置處踏步標高繁多且不確定?？紤]到預制難度，通過與設計溝通改為現澆看臺，減少開模數量，并經過標高優化，最終保障了造型和功能。

3）室外管道建模 通過建立室外市政管道模型，發現部分市政管道需從現有臨建下方穿過，涉及臨建拆除或移動。將該問題與設計溝通后進行避讓優化，節約了施工成本。

3.2 基于BIM的深化設計

1）鋼結構BIM深化 鋼結構深化范圍主要為勁性結構鋼骨、鋼環桁架、臨時看臺鋼結構和檢修馬道。鋼結構深化過程中發現部分幕墻撐桿節點與桁架桿件相貫節點現場焊縫碰撞，經設計同意后調整桿件位置；并發現天窗梁牛腿與屋面索牛腿有沖突，經設計同意調整天窗梁位置以避讓屋面索牛腿。

2）索結構BIM深化 索結構深化范圍主要為連接耳板設計、提升張拉工裝設計。對承重索提升工裝、承重索張拉工裝、穩定索張拉工裝進行三維實體放樣，以保證滿足提升和張拉施工構造的需要。

3.3 BIM算量輔助人、機、料準備

由于土建結構十分復雜，特別是不同標高筏板之間的高低跨連接處及多處嵌套坑之間連接處構造極其復雜，傳統手工算量困難且繁瑣。將施工模型依據流水段劃分，得出各流水段理論凈混凝土方量，并在該流水段施工前將方量報至工程部，為人、機、料等施工部署提供參考。

3.4 三維可視化交底

3.4.1 多標高、多規格復雜群嵌套基槽

國家速滑館基槽極其復雜，變標高多，最高-6.700m，最低-15.800m，基槽最深處落差達7.700m。且基槽中包含大量多規格電梯井、集水坑，形成“大坑套小坑”的復雜群嵌套基槽。項目團隊通過建立開槽BIM模型，優化開槽圖設計，生成可直觀理解的三維開槽施工模型（見圖2）。模型制作完成后對施工隊進行三維可視化交底，直觀展現開槽施工的最終狀態；導出復雜區域槽頂底邊界點x、y、z坐標，利用全站儀復核，確保開槽精度。

3.4.2 大型傾斜型鋼-混凝土組合異形勁性結構

國家速滑館異形勁性斜柱由混凝土和超規格型鋼組成，截面隨高度改變，形狀不規則，地面以上柱體背向場館傾斜。環場館一周的勁性柱共48根，與水平面夾角為70.84°～76.09°。因勁性柱節點極其復雜，鋼筋規格多樣、穿筋復雜，利用柱帽穿筋工藝模擬，幫助管理人員和現場工人掌握施工工序，提高施工效率，節省施工成本（見圖3）。

3.5 三維可視化施工進度管理

針對施工周期短、工期緊等問題，研發了針對本工程的智建SaaS化管理平臺。通過將Project計劃進度關聯到多維信息的輕量化云端BIM模型，工程師現場采集數據、拍攝照片并實時上傳，實現實際進度與計劃進度實時對比、多層級進度信息展示、關鍵線路及里程碑節點管控、輕量化三維模型施工進度管理。施工管理人員可通過計算機端、手機微信端直觀掌握工程建設進度情況，輔助調配現場人、機、料等資源。

4 基于BIM的智慧建造

4.1 全國首例弧形清水預制看臺板

國家速滑館看臺板首次采用弧形預制技術，并采用再生骨料混凝土。清水混凝土看臺構件主要用于地下室樓梯、下層看臺和上層看臺3個區域，共1911塊、331個規格。

在深化設計時統籌協調機電、轉播機位的預留預埋，基于BIM技術對看臺板截面和構造進行標準化定型設計；特制鋼模板進行構件加工，保證澆筑構件的尺寸精度和成型質量（見圖4）。針對再生骨料堆石混凝土、裝配式再生混凝土構件制備及結構、預制再生清水混凝土看臺板性能等，項目聯合清華大學、北京工業大學、河北工業大學等進行科技攻關。

圖2 群嵌套基槽BIM模型

圖3 勁性柱連接節點三維交底

圖4 多專業集成預制看臺現場效果

4.2 大跨度空間雙曲馬鞍形屋蓋環桁架

鋼環桁架平面投影外形尺寸為226m×153m，節點采用管-管相貫焊接形式連接，包括328根主弦桿和2220根腹桿，總重約8500t。截面為組合式桁架，包括7根主弦桿和12根腹桿。桿件截面規格多樣，弦桿截面尺寸大，鋼管最大截面尺寸為1600mm×60mm。

本工程環桁架采取“南北區吊裝+東西區滑移”的總體施工方案（見圖5）。在施工前對滑移方案進行仿真模擬計算。環桁架總體分4個分區，南、北區采用原位分段吊裝。東、西滑移分區總長181.9m，寬40.5m，重約2750t，采用“場外高空拼裝和高低二次滑移就位”的安裝方法，共鋪設8條下滑移軌道及4組滑移支撐架。桁架采用履帶式起重機從中間向兩端進行高空拼裝，拼裝完成后，將滑移機器人設置在下滑移軌道梁上，將桁架滑移至場館6.1m層結構邊，完成上滑移軌道梁對接，再將桁架二次滑移至安裝位置。

為確保吊裝區與滑移區的結構能準確對接，吊裝區兩端設置嵌補分段，當滑移區桁架落架后采用履帶式起重機安裝。嵌補分段安裝焊接合龍后，進行結構整體卸載（見圖6）。

4.3 國內最大跨單層雙向正交馬鞍形屋面索網

索網南北向最大跨度198m，東西向最大跨度124m。本工程首次采用國內完全自主研發的高釩封閉索，承重索和穩定索均采用雙索設計，通過索夾固定。拉索總長約20410m，總重約968t。

為驗證結構建造過程的可行性和安全性，國家速滑館項目與浙江大學聯合進行1∶12實體模型仿真試驗，并在結構上布置監測點進行全程健康監測。經方案比選，綜合考慮施工安全、成本、工期等因素，采用“地面組裝索網、整體提升張拉”的總體施工方案。

地面索網鋪裝順序為：先安裝承重索后安裝穩定索，承重索展索順序為從北向南，穩定索展索順序為從西向東，全部采用全站儀根據索地面投影點坐標進行精準放樣（見圖7）。

索網地面鋪裝完成后利用提升機器人進行98根承重索同步提升。承重索提升就位后，張拉兩端各3榀承重索和60根穩定索。索網張拉時分階段、分級對稱同步張拉，保障張拉過程安全和最終索網成型效果（見圖8）。

圖5 環桁架總體施工方案

圖6 環桁架合龍卸載后效果

圖7 地面索網鋪裝

圖8 索網成型效果

4.4 曲形玻璃幕墻構筑美輪美奐“冰絲帶”

玻璃幕墻呈天壇輪廓造型，由160根S形鋼龍骨斜向支撐，幕墻單元玻璃為雙夾膠中空曲面玻璃，由4層8mm玻璃兩兩夾SGP膠片，再復合成12mm厚中空Ar層玻璃單元，玻璃單元共3360塊（見圖9）。幕墻外側設置22道622m深彎半圓玻璃管，管內設LED燈帶。幕墻龍骨系統主要由曲面幕墻S形鋼龍骨、弧形連接梁、絲帶支撐桿、絲帶圓鋼管組成。最長S形鋼龍骨為32.7m，最短為17.8m。

在施工前對預埋件及牛腿進行現場測量復核，反饋至BIM深化設計，確保深化設計準確度。構件下料加工數據利用GH插件從BIM模型導出，保障加工數據與深化設計的一致性。最后利用高精度測量儀器進行放樣安裝。通過在深化設計、下料加工、測量放樣、施工安裝全過程使用統一的參數化BIM模型，保障曲形玻璃幕墻加工和施工精度（見圖10）。

4.5 基于平行施工的復雜結構高效施工管理

通過對土建結構、鋼環桁架、索網進行基于多專業平行施工的仿真模擬，論證施工方案可行性，最大程度節約工期。環桁架采取“南北區吊裝+東西區滑移”的總體施工方案，索結構采取“地面拼裝+整體提升”的總體施工方案。

平行施工即地下車庫封頂后，在車庫東西兩端進行環桁架拼裝；南北看臺上部的環桁架則待看臺結構施工完成后，立即采用履帶式起重機插入原位分段吊裝；地上結構施工的同時進行預制看臺板安裝；東西看臺結構施工完成后，采用同步滑移施工方案將環桁架安裝就位，與此同時，對已完成的預制看臺采取防護措施，進行地上展索鋪裝；最終實現混凝土結構、預制看臺結構、鋼環桁架、索網的平行施工。

4.6 基于大數據和人工智能的精細化管控

1）基于人工智能的勞務管理 應用人臉識別技術，實現人臉識別與閘機聯動，取代門禁刷卡等傳統勞務管理手段；基于機器學習，實現系統自動識別工人不帶安全帽、抽煙等不文明行為，聯動廣播及后端管理人員及時進行處理；通過以臉搜臉界面，拍攝作業人員照片并上傳，實現實時人臉匹配，從數據庫中調出該作業人員所有錄入信息及人員軌跡，形成集團層面工人大數據挖掘和應用。

圖9 幕墻內視效果

圖10 幕墻龍骨施工

2）智能化安全管理 實現施工現場、工人生活區、辦公區的監控全覆蓋及主要道路、重點區域的監控。塔式起重機上球機配合云臺實現720°旋轉及變焦，實現運籌帷幄于千里之外；通過風速報警、防傾斜、禁行區域設置保護、防碰撞、制動控制、黑匣子等多種功能，輔助塔式起重機安全運行。

5 結語

國家速滑館項目通過深化設計階段減少錯漏碰缺，構件加工階段回收利用廢舊樁頭及模板周轉，施工前優化方案及進行三維可視化交底，施工階段復雜結構多專業平行施工，節約大量工期和項目成本，實現工程精準高效建造。

未來，我們將基于現有國家速滑館項目智慧建造數字資產基礎及智慧工地“感知階段”大數據積累，打造2022年智慧冬奧場館，為世界奉獻一場精彩、非凡、卓越的冬奧盛會。