BIM技術(shù)在山東新科技館項目的應(yīng)用研究

許忠縣 劉 斌 李明闖 唐子明

(中國建筑第八工程局有限公司,上海 200122)

1 工程概況

1.1 項目介紹

山東省科技館新館項目地處山東省濟南市西部新城文化商務(wù)核心區(qū)，位于城市東西服務(wù)發(fā)展軸和南北生態(tài)休閑景觀軸的交點上。北望省會大劇院，西鄰臘山河城市綠帶，東靠城市五七公園，南臨中開院創(chuàng)業(yè)街。新館的定位是山東省科技傳播中心、山東省學術(shù)交流中心、山東省創(chuàng)客體驗中心，總建筑面積約8萬m2，預計2020年投入使用，建成后將躋身全國十大科技館行列，工程項目將數(shù)學符號∞”嵌入形體，意為“無限”，隱喻隨著社會進步，科技領(lǐng)域無限未知、無限發(fā)展并有無限可能，如圖1和圖2所示。

1.2 工作難點與特點

工程兼具了“大、高、難”等特點：

(1)“大”包括超大的鋼結(jié)構(gòu)桁架和超大的混凝土殼體結(jié)構(gòu)。

單品鋼結(jié)構(gòu)桁架最長46m，最重60t。拼接后整體天窗桁架1 000余t。

工程球幕影院殼體直徑28m，高度20.1m，是目前國內(nèi)最大的純混凝土單層薄殼殼體結(jié)構(gòu)。雙曲面定位、架體支設(shè)、模板施工以及混凝土澆筑均為復雜的施工工藝。

(2)“高”表示高支模區(qū)域的占比高。

工程標準層高8.8m(常規(guī)住宅層高3倍)，高支模區(qū)域占比82.8%，最高達到25.25m，相當于9層住宅樓高度，單梁最大高度3.1m，寬度1.3m，重量92.5t。

(3)“難”表示梁柱節(jié)點復雜且施工標準高。

1)工程原設(shè)計有102顆型鋼柱，鋼柱截面大、操作空間小，梁柱縱筋直徑大、數(shù)量多，單個梁柱節(jié)點最多有381根鋼筋在此交匯，每根鋼筋均需精細加工及安裝。各類看臺、展廳、報告廳結(jié)構(gòu)交錯重疊，異形層出，施工難度巨大。

2)項目定位高

質(zhì)量管理目標：“魯班獎”

安全管理目標：AAA級安全文明標準化工程

綠色施工目標：全國建筑綠色施工示范工程

為保證設(shè)計理念得以完美實現(xiàn)，我們在施工管理和技術(shù)工藝上做了諸多創(chuàng)新。以“共享+集成”為核心思路進行智慧工地集成管理，建立集成化控制機房，實現(xiàn)揚塵在線監(jiān)測及自動化噴淋、施工現(xiàn)場全方位監(jiān)控、全國勞務(wù)實名制管理、智慧物業(yè)； 同時，使用建筑3D打印數(shù)字建造技術(shù)，該技術(shù)的使用使得傳統(tǒng)的建造技術(shù)被數(shù)字化建造技術(shù)所取代，從而滿足建筑中日益增長的非線性、自由曲面等復雜建筑形式的設(shè)計建造要求[1]， BIM技術(shù)通過與VR、AR的集成，結(jié)合3D打印技術(shù)，實現(xiàn)了交互式三維智慧圖紙的創(chuàng)新； 通過BIM深化設(shè)計、工業(yè)化生產(chǎn)、定位配送實現(xiàn)模塊化裝配式施工，確保施工質(zhì)量與進度符合建筑要求； 通過樣板引路，保證過程精品，確保工程質(zhì)量。并且，我們還倡導環(huán)保理念，踐行綠色施工，打造綠色工地。

圖1 科技館新館項目效果圖

圖2 科技館新館項目立面效果圖

2 BIM組織與應(yīng)用環(huán)境

BIM是建筑學、工程學以及土木工程的新工具。它能夠?qū)崿F(xiàn)建筑信息的集成，貫穿建筑項目的全壽命周期，還可以有效提高工作效率、節(jié)省資源、降低成本，以實現(xiàn)建筑行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[2]，其核心用途是建立建筑工程的三維模型，利用數(shù)字化技術(shù)，為模型提供完整的、與實際情況相同的建筑工程信息[3]，進而可以提高建筑工程信息的集成化程度，從而為工程項目提供一個信息交換和共享的平臺[4]。

2.1 實施方案

山東新科技館新館項目是以BIM技術(shù)的多方協(xié)作智慧管理為基礎(chǔ)，通過BIM技術(shù)全生命周期應(yīng)用輔助施工管理，進行重難點分析、設(shè)計優(yōu)化、方案選型、平面布置及進度管控。

項目開發(fā)智慧工地平臺，如圖3所示，集成了塔吊防碰撞系統(tǒng)、GPS 定位管理系統(tǒng)、物料驗收稱重系統(tǒng)和物料跟蹤系統(tǒng)、質(zhì)量和安全巡檢系統(tǒng)、多方協(xié)同系統(tǒng)，運用無人機逆向建模和熱感成像技術(shù)以及 TSP 環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)對現(xiàn)場進行智慧管理。項目指揮部以智慧大屏進行實時動態(tài)展示，并與 BIM 結(jié)合應(yīng)用，便捷高效地進行智慧建造管理[5]。

圖3 智慧工地管理平臺

2.2 BIM軟硬件環(huán)境

(1)硬件環(huán)境：BIM應(yīng)用采用高端臺式機與移動工作站相結(jié)合的方式來運算項目模型。具體配置如表1和表2所示。

(2)軟件環(huán)境：軟件主要包括三維建模軟件、鋼結(jié)構(gòu)軟件、幕墻軟件、裝飾軟件等，其軟件名稱和軟件版本如表3所示。

表1 硬件準備一覽表

表2 硬件配置

表3 軟件配置

3 BIM應(yīng)用

本項目在設(shè)計優(yōu)化、施工組織管理、技術(shù)交底、平臺集成、智慧工地等方面對BIM技術(shù)進行了全方位的應(yīng)用[6]，減少了設(shè)計變更，提高了施工效率。

3.1 設(shè)計優(yōu)化

(1)土建深化

圖6 幕墻節(jié)點深化

各專業(yè)進行綜合建模，通過BIM建模“以建代閱”，精準發(fā)現(xiàn)圖紙內(nèi)存在的問題。建模過程中共發(fā)現(xiàn)碰撞問題1 961項，結(jié)構(gòu)、建筑、人防及鋼結(jié)構(gòu)問題109項，與設(shè)計單位協(xié)調(diào)解決的問題為38項，最終形成圖紙會審內(nèi)容71項，施工過程中及時更新BIM模型，保持模型時效性。

進行綜合排磚，通過BIM深化+限額領(lǐng)料制度提高材料利用率，做到“一墻一圖”，減少材料浪費。如圖4、5所示。

圖4 二層結(jié)構(gòu)排版

圖5 一墻一圖

(2)鋼結(jié)構(gòu)幕墻優(yōu)化

深化鋼結(jié)構(gòu)圖紙，簡化施工流程，確保施工質(zhì)量。通過對設(shè)計圖紙的校核與優(yōu)化，節(jié)約了371t鋼材。

優(yōu)化幕墻節(jié)點，針對曲線異形部位、細部節(jié)點進行重點控制，實現(xiàn)BIM藍圖指導現(xiàn)場施工，如圖6所示。

(a)管道分段預制加工圖 (b)管道分段二維碼標簽 (c)管道分段二維碼標簽 圖7 機電安裝

圖8 塔吊優(yōu)化圖

(3)機電安裝優(yōu)化

通過對碰撞檢查，管線綜合排布，凈高優(yōu)化，來出具BIM施工藍圖，進而指導施工。同時，應(yīng)用公司自主研發(fā)的BIDA裝配式一體化施工技術(shù)及智慧圖紙技術(shù)進行輔助管理，確保工程施工高效優(yōu)質(zhì)，如圖7所示。

3.2 施工組織優(yōu)化

(1)塔吊優(yōu)化

對塔吊數(shù)量進行了優(yōu)化。在滿足垂直運輸需求的情況下，將原投標方案中6臺塔吊優(yōu)化為3臺塔吊。累計節(jié)約成本288萬元。

通過BIM技術(shù)的輔助，實現(xiàn)了對塔吊使用工況的監(jiān)控，分析了塔吊的施工臂長和吊重，并研究了吊次的合理頻次，驗證了方案的可行性。同時，位置有效避開鋼骨梁及預應(yīng)力大梁，如圖8所示。

(2)電梯優(yōu)化

通過對施工電梯進行精準定位，將投標方案中的4部電梯優(yōu)化為2部。

工程地上四層，局部有夾層，為了增加施工電梯的利用率，位置定位必須能夠同時到達普通樓層及局部夾層。通過結(jié)構(gòu)模型與機械模型的合并與碰撞，選擇電梯的合理位置，使電梯的利用率達到最大化。優(yōu)化效益47萬元，如圖9所示。

3.3 技術(shù)管理服務(wù)

(1)鋼結(jié)構(gòu)方案優(yōu)化

對鋼結(jié)構(gòu)進行虛擬預吊裝，優(yōu)化吊裝順序； 進行支撐架選型及驗算，輔助鋼結(jié)構(gòu)吊裝方案，指導現(xiàn)場施工； 進行吊點設(shè)計、吊裝機械組合設(shè)計，確保施工過程經(jīng)濟合理，如圖10所示。

(2)梁柱節(jié)點優(yōu)化

進行梁柱節(jié)點的連接方式創(chuàng)新，模型建立、排布鋼筋、連接選型、節(jié)點優(yōu)化，最終確定“焊接板+長套筒+中空溜槽”的施工方案。減少了安全隱患和質(zhì)量問題，縮短了工期，節(jié)約了成本。

腹板開孔：傳統(tǒng)的開孔方式是最直接的貫通方式，是傳力效果最好的方式。

套筒連接：能夠有效保證施工質(zhì)量，減少施工成本，保證安全。

焊接板：焊接板能夠減少現(xiàn)場施工誤差，單個節(jié)點能夠節(jié)省1d，保證工期。

長套筒：能夠有效提高施工質(zhì)量，單個節(jié)點能夠節(jié)省1d，減少施工誤差，如圖11所示。

分別從穿孔對位、繞鋼骨貫通、附加補強、長套筒連接等進行優(yōu)化選型，優(yōu)化焊接位置，套筒排布、以及鋼筋排布。多方案比選，確定最優(yōu)方案，如圖12所示。

圖9 電梯優(yōu)化圖

圖10 鋼結(jié)構(gòu)優(yōu)化圖

圖12 方案的選擇

圖13 模板支設(shè)方案選型

圖14 BIM技術(shù)展示

球幕影院進行流水段施工作業(yè)，首先選擇流水劃分部位，避開主梁交叉位置，減少質(zhì)量、安全隱患，如圖12所示。其次建立LOD400BIM模型，應(yīng)用BIM技術(shù)的精確、可視化優(yōu)勢進行控制點放線，輔助內(nèi)架排布，制定內(nèi)架方案，制定球幕影院滿堂架及外防護架施工方案，如圖13所示。最后對龍骨及模板進行選型，繪制細部龍骨加工圖紙，制定模板支設(shè)方案，進行現(xiàn)場指導施工，通過BIM模型實現(xiàn)3D打印，進行直觀交底。如圖13所示。

4 BIM技術(shù)輔助智慧建造

4.1 教育基地

作為后臺保障，公司建立企業(yè)級BIM+安全教育基地，基地涵蓋了隱患排查體驗、機械設(shè)備認知體驗、AR增強現(xiàn)實體驗、VR虛擬體驗，以及安全通關(guān)測試區(qū)等[7]。工人入場前，項目需組織全部工人到教育基地進行集體教育，通關(guān)測試合格后方可入場施工，如圖14所示。

4.2 BIM集成平臺

八局BIM協(xié)同管理平臺對項目進行基于BIM 的各方集成，包括協(xié)同管理、文檔管理、質(zhì)量管理、安全管理、計劃管理、物資管理、設(shè)計管理、二維碼管理以及監(jiān)控管理[8]，通過與模型對接，實現(xiàn)BIM+的集成化管控，如圖15所示。同時平臺內(nèi)部集成公司施工組方案、交底庫及后臺族庫，可從庫中直接提取二維碼進行掛接，現(xiàn)場進行二維碼張掛交底，如圖16所示。平臺也對質(zhì)量安全問題的檢查進行錄入及跟蹤管理； 同時，導入工期計劃，實現(xiàn)施工模擬及工期管理，通過實際進度與錄入進度的對比達到工期預警自動推送[9]。

圖15 BIM協(xié)同管理平臺

圖16 BIM協(xié)同管理平臺中二維碼庫

4.3 智慧工地

引入BIM+三維掃描+無人機航拍進行平面管理、動態(tài)管控； 利用三維掃描進行鋼結(jié)構(gòu)桁架的精準定位和模型比對，控制鋼結(jié)構(gòu)加工及安裝偏差[10]。如圖17所示。同時，建立集成控制機房，打造BIM綜合看板，作為項目管理的“云大腦”，對信息進行收集與處理，對工地大數(shù)據(jù)進行管理，從而達到基于BIM的數(shù)字化管控[11]。

(a)鋼結(jié)構(gòu)三維掃描

(b)無人機三維掃描與BIM技術(shù)的應(yīng)用圖17 BIM技術(shù)的應(yīng)用

5 總結(jié)

5.1 創(chuàng)新點

BIM在建造階段中工具屬性較為凸顯，研究與應(yīng)用僅僅圍繞項目的提質(zhì)增效開展，通過應(yīng)用BIM技術(shù)實現(xiàn)降本增效。

新科技館項目通過對BIM技術(shù)的應(yīng)用，實現(xiàn)了對塔吊、電梯、設(shè)計、管線以及鋼結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，同時，還將系統(tǒng)化思維融入到技術(shù)應(yīng)用、經(jīng)營把控和管理工作之中，從系統(tǒng)的角度分析施工問題，使得BIM應(yīng)用成為一種工作模式，利用BIM+3D打印技術(shù)進行實體翻模，打印重難點部位，建立實體可視化模型，實現(xiàn)精準交底。使用智慧建造管理平臺，以一個數(shù)據(jù)中心為載體，對項目建設(shè)的所有數(shù)據(jù)進行集合，實現(xiàn)了對項目建設(shè)過程中的成本、進度、質(zhì)量、環(huán)境、勞務(wù)、工程資料的全面管控，節(jié)約了項目成本，縮短了項目工期。

5.2 經(jīng)驗教訓

BIM在碰撞問題上有很強的優(yōu)勢，但在檢查模型的樁號、尺寸、角度等具體設(shè)計方面較為繁瑣，如何可以簡化該問題是未來解決的方向。