BIM技術在超高層寺廟建筑中的應用

(中國建筑第八工程局有限公司，上海 200135)

1 工程概況

1.1 項目簡介

太平報恩寺重建項目，位于華東地區，總用地面積5 799.6 m2，總建筑面積3 2240m2，其中地上建筑面積約24 661.44m2，地下建筑面積7 578.56m2，由一幢25層(裙房5層)、地下2層的超高層塔樓組成。其地下二層為臥佛殿、舍利塔區，地下一層為汽車庫，裙房分布有羅漢堂、上香廣場、天王殿、大雄寶殿、觀音殿、藥師殿、鐘鼓樓等，塔樓中部主要為辦公場所，塔頂為金剛寶座塔。項目效果圖如圖1所示。

圖1 項目效果圖

1.2 工程重難點

本工程為一座超高層塔式佛寺，設計打破常規，采用“塔寺合一”、功能區豎向布局方案，和國內常見的四合院、平面式寺廟布局有明顯不同，其造型、布局在國內外均比較罕見，工程重難點主要有以下6點：

(1)佛寺底部地宮，用于安奉舍利，其內飾效果需達到整潔、美觀、莊嚴，在舍利安奉法會后，考慮舍利及配飾物品安全，地宮頂板需快速封閉，所以1.3m厚地宮頂板免支模施工是難點；

(2)塔樓底板厚2.4～5.8m，其夏季大體積混凝土裂縫控制和鋼筋支架安全是重點；

(3)臥佛殿空間狹小、工廠加工條件受限，項目現場場地小、佛塔地上結構正常施工等對地下二層超大臥佛和臥佛殿設計、鑄造、安裝造成巨大困難；

(4)佛教功能區是寺廟重心，其裝飾效果異常重要。但是寺廟主持非建筑專業人士，無法通過圖紙表達和確認，采用常規樣板間等方式確認周期長，所以裝飾裝修效果及時確認是重點；

(5)宋式營造法式木作，構件繁多工藝復雜，超高塔式佛寺的木作設計、施工更是難上加難；

(6)佛塔頂部密檐式金剛寶座塔飛檐翹腳、異形大曲面造型復雜，鋼銅組合結構兩者配合的設計與施工難度非常大。

2 BIM團隊組織

為了圓滿、順利建設這一特殊寺廟，我們在局設計院和技術中心支持下，建立了以公司BIM總監牽頭指導、經理部總監牽頭策劃，項目總工負責協調、實施，三個BIM組負責具體執行的管理架構。項目BIM組織機構如圖2所示[1]。

3 BIM應用

3.1 超厚地宮頂板應用

佛寺底板下地宮，乃寺廟圣地，在舍利安奉后需立即封閉，封閉后地宮內部要整潔、美觀、莊嚴。而地宮四周混凝土結構非常厚，其中頂板厚度1.3m，跨度8m，頂板上方安裝一座超20t舍利塔(見圖3)。同時考慮舍利安奉法會舉辦流程、地宮內部成品保護及作為項目進度計劃關鍵工作的地宮頂板快速施工等不利因素，地宮頂板無法采用常規模板支撐架、預留拆模洞口施工方案，見圖4所示。

圖3 地宮結構示意

為了克服上述不利影響，本項目首先對比分析了超厚疊合板、多種鋼—混凝土組合結構的可行性方案，通過TEKLA、PKPM、ANSYS等軟件計算分析，初步確定將1.3m厚鋼筋混凝土頂板優化為1.3m厚組合鋼混結構頂板的方案。然后通過計算軟件和Revit軟件模型數據分析、轉換，Navisworks吊裝模擬，項目研發了一種超厚地宮頂板分層、分塊、免支模快速施工方法，將1.3m厚地宮頂板分下層500mm厚勁性板及上層800mm厚鋼筋混凝土樓板兩層施工(見圖5)，下層500mm厚勁性板鋼骨分三塊預制拼裝(見圖6)，能實現舍利安奉法會結束后地宮1h內初步封閉，頂管頂板整體施工速度快，工廠化機械化程度高，人工勞動強度低[2]。

圖4 常規施工方案示意

圖5 地宮頂板鋼結構模型分析圖

圖6 勁性板鋼骨分塊吊裝施工

3.2 超厚大體積混凝土筏板應用

塔樓區域筏板厚度最大達到5.8m，為了保證地宮及臥佛區域底板施工質量，夏季高溫季節控制大體積混凝土的裂縫發展是施工重點。項目通過ANSYS軟件分析，結合現場棧橋和底板高差、基坑降水回收利用，研發了超厚筏板冷卻循環水降溫工法(示意見圖7)，能有效控制大體積混凝土溫差，實現節約電、節約水資源目的。

圖7 超厚筏板冷卻水管降溫示意

同時，超厚筏板鋼筋支架安全和快速施工也重點，所以將鋼筋支架設計成鋼管支撐架。之后，利用Revit對冷卻循環水水管和鋼筋支架鋼管進行統一設計與放樣，將部分冷卻鋼管兼做鋼筋支架水平桿，實現一管兩用，節約鋼管，見圖8。

圖8 冷卻管施工圖

3.3 超大銅鑄佛像制作安裝綜合應用

地下二層安奉一尊超大銅鑄臥佛，長21m，寬6m，高5.3m，重30.6t，尺寸大、重量重，加上工廠條件和鑄造工藝限制、遠距離長途運輸限制、現場交通組織困難、塔樓主體結構同步施工以及臥佛殿空間狹小等不利因素，造成了臥佛設計、制作、安裝及臥佛殿設計困難。

面對如此諸多困難，項目相關方全面分析超大銅鑄佛像制作、運輸、安裝及臥佛殿設計各環節問題，統籌全過程，提出系統性解決辦法——傳統工藝+現代BIM相關技術融合應用。具體如下：

(1)首先通過傳統工藝制作1： 100泥塑臥佛小模型，確認佛像姿態方案，見圖9；

圖9 泥塑手工藝1： 100小模型

(2)通過三維掃描采集已確認佛像模型數據，經處理可適用于各BIM軟件，數據模型見圖10[3]；

圖10 三維掃描數據模型

(3)利用BIM軟件輔助分析鑄造廠條件和鑄造工藝限制、遠距離長途運輸限制、現場內交通組織困難、塔樓主體結構同步施工及臥佛殿空間狹小等不利因素，經工廠制作模擬、運輸模擬、現場安裝模擬，確定適合制作、運輸、安裝各環節的最佳佛像分塊方案(見圖11)，及確定相應佛像上部結構設計調整方案、吊裝預留洞口方案、佛像內部鋼結構設計方案、佛像制作方案、運輸和安裝方案[4]。

圖11 臥佛最佳分塊方案

(4)將佛像分塊數據轉換、導入3D數控雕刻機床，實現佛像模型智能化加工，提高加工精度和加工效率，配合超大臥佛分塊鑄造。最后臥佛現場安裝后，通過二次三維掃描，比對三維設計方案，核對安裝質量，采用3ds MAX進行臥佛殿照明與裝飾深化設計，見圖12所示[5]。

圖12 臥佛殿設計初步方案

3.4 金剛寶座塔銅鋼結構設計綜合應用

太平報恩寺塔頂金剛寶座塔由蓮花座、塔基層、五方塔構成，為鋼銅組合結構，外側為鑄銅結構，內部主體結構為鋼桁架。蓮花座異形大曲面，塔基層和五方塔飛檐翹角，造型獨特，外形設計難度大、內部鋼結構受力復雜以及鋼銅之間連接設計特殊。針對這些困難，首先專業單位利用Rhino軟件建立模型，進行外形設計，寺廟主持確定金剛寶座塔外形效果及整體空間布局[6]。

圖13 結構受力分析圖

然后設計院采用SAP2000、MIDAS進行鑄銅結構、主鋼結構和連接件等設計計算，如圖13。最后反復校對鑄銅和鋼結構模型(如圖14-15)確定鋼銅之間安裝空間、可調連接件，實現效果美觀、設計可靠、施工方便的目的。

圖14 蓮花座銅構件模型

圖15 蓮花座主鋼桁架模型

3.5 佛像模型確認與布局優化

寺廟佛像、法物多達568個，鑄造或雕刻時間長，為加快制作、安裝進度，項目通過三維設計確認其效果。同時針對羅漢堂空間小、500佛像多、布局和朝拜路線設計是難點，通過三維設計布局、VR浸式體驗朝拜路線，多方案比較，寺廟主持確定最佳佛像布局，優化朝拜路線(見圖16)[7]。

圖16 羅漢佛像安奉效果模擬

3.6 木作深化設計和木構件放樣應用

塔樓飛檐及裙房鐘鼓樓等木作采用宋《營造法式》，建筑精美，但構件繁多、工藝復雜，如其斗拱可分為柱頭輔作、補間輔作、轉角輔作三個部分，各部分斗拱采用華栱、耍頭、慢栱、下昂、櫨斗、泥道栱、令栱等若干構件組成。因此，項目采用Rhino軟件建立木作構件，將其導入Revit軟件內建立木構件族，完成木作深化設計和確認(見圖17)，同時完成木構件統計放樣，配合構件粗加工[8]。

圖17 木結構節點BIM模型

3.7 功能區裝修應用

寺廟舍利塔區、大雄寶殿等功能區是寺廟重地，其裝飾效果異常重要，通過3ds MAX設計功能裝飾效果，結合VR沉浸式體驗，方便了寺廟主持對裝飾效果感受、理解，加快了裝飾深化確認進度，見圖18所示。

3.8 其他應用

(1)舍利安奉法會規劃與預演

項目施工過程中穿插法會舉辦，項目管理要求非常高。項目通過活動場地規劃和路線模型，如圖19-20所示，確保法會過程300多名信眾安全有序參與[9]。

圖18 舍利塔區裝飾效果圖

圖19 棧橋層場地布置和路線規劃

圖20 安奉路線模擬

(2)節點深化設計

對于底板局部深坑復雜鋼筋節點、勁性柱梁柱節點、屈曲約束支撐預埋件節點進行BIM深化設計(見圖21)，優化鋼筋連接和排布，保證節點施工質量[10]。

圖21 屈曲約束支撐預埋件柱頭節點BIM 深化和現場相片

(3)總承包管理應用

以智慧工地、八局協同管理平臺為介質，提高項目總承包管理質量、管理效率，智慧工地平臺如圖22。

圖22 協同管理平臺

表1 BIM應用經濟效益

超厚地宮頂板通過BIM技術將1.3厚超厚地宮頂板進行設計優化,研發鋼混結構免支模施工樓板,并進行分塊及施工順序模擬;免支模施工將項目總工期提前32日,綜合成本節約了34.44萬元;超厚大體積混凝土筏板通過BIM技術對超厚混凝土筏板冷卻循環水水管和鋼筋支架布置進行設計及放樣;節約綜合成本節約了1.61萬元,加快施工進度20天;超大銅佛像制作安裝傳統工藝基礎上,融合三維掃描、三維設計技術、3D數控雕刻等現代BIM技術,統籌自設計、鑄造到運輸安裝等全過程施工;節約成本32.5萬元,縮短臥佛制作安裝周期75天;五方塔、蓮花座鋼結構設計運用PKPM、TEKLA等軟件進行鋼結構設計及建模,進行受力分析;加快鋼結構設計速度避免工期延誤;臥佛、舍利塔等功能區設計效果確認通過VR樣板體驗,讓業主身臨其境般地感受到舍利塔、臥佛等功能區設計效果;加快設計方案確認加快確認速度約2個月;節點深化設計對屈曲支撐預埋件、勁性柱鋼筋、局部深坑等特殊部位進行節點建模放樣,避免返修;節約施工工期約1個月節省預計返修費用約5萬元;施工協調及進度管理通過中建八局自身研發的BIM管理平臺進行施工進度管理,確保各施工面及工序的快速順利銜接。節約施工工期約3個月。

4 項目BIM應用效果

(1)科技成果

通過BIM技術輔助，項目攻克諸多工程難點，獲得了3項局級工法、5項省部級以上QC成果(其中2項國家級)、5項國家專利(其中3項國家發明專利)。

(2)BIM應用經濟效益

(3)其他效益

舍利安奉法會等活動圓滿舉辦，獲得社會各界和佛教信眾廣泛好評，提高企業品牌影響力。同時也提升項目整體管理效率和人才BIM技術水平。

5 總結

以太平報恩寺重建項目為例，對BIM技術在超高層寺廟建筑中的工程重難點及其解決方案進行了探討，BIM技術實施經驗總結如下：

(1)傳統工藝和現代BIM技術融合應用

佛像姿態變換萬千，采用常規制作1： 1模型鑄造佛像，效率低、成本高、工期長。通過三維掃描傳統工匠制作的小佛像模型，采集數據，融合三維設計、3D雕刻技術等現代技術，提高佛像鑄造效率、降低制作成本、大幅縮短制造工期。

(2)BIM多平臺綜合應用解決工程難題

BIM技術不僅應用于技術問題分析、施工模擬、場平布置、深化設計、智慧工地等常規應用，針對超高層寺廟建筑造型獨特，項目還通過Rhino、Revit、3ds MAX、SAP2000、MIDAS、VR等軟件或平臺數據綜合應用，解決金剛寶座塔、宋氏營造法式木作、功能區精裝修等復雜設計、施工難題。

(3)經驗教訓

目前還沒有某一軟件或平臺可以實現建模、設計計算、施工模擬、項目管理等多功能綜合運用，所以在數據在不同BIM軟件中轉換常會丟失，需要及時檢查、補充。目前傳統木作BIM應用還停留在深化設計階段，還無法做到建模設計計算、智能化加工。