援柬埔寨體育場項目BIM技術集成化應用

楊慧椋 潘建國 王群清 郭亮亮 安瑞雪

(中國建筑第八工程局有限公司 華北分公司,天津 300450)

1 項目概況

援柬埔寨體育場項目(圖1)位于柬埔寨首都金邊市湄公河畔，總建筑面積8.24萬m2，是一座6萬座特大型體育場，其中檐口高度39.9m，索塔高度99m，中國政府迄今為止援助規模最大、等級最高的體育場，設計方案融合柬埔寨文化符號由首相洪森親自選定，屬“一帶一路”重點工程，建成后，將作為2023年東南亞運動會的主會場，見證中柬兩國深厚友誼萬古長青。

圖1 項目整體效果

2 項目重難點

2.1 人字形三維度空間變曲面清水混凝土索塔

世界首例99m高人字形三維度空間變曲面混凝土索塔結構(圖2)，造型獨特，多曲面、曲線傾斜、中空，截面面積由385m2縮減為12m2，分雙肢對稱并于78m處合攏，結構最大傾斜27m，塔身外輪廓形狀及弧度持續變化。

圖2 大傾斜塔身截面自下而上逐漸縮減

2.2 世界首創柔性斜拉—索桁罩棚結構

世界首創的柔性斜拉—索桁罩棚結構(圖3)，跨度大、構件多、變形大、成型難，由2.2萬m拉索、219t索夾節點和3.2萬m2PTFE膜組成，其結構形式相當于“索桁罩棚結構”與“斜拉索橋梁”的結合體，施工難度極大。

圖3 斜拉—索桁罩棚結構空間節點圖

2.3 大傾角環梁環柱結構

74根大截面(2750mm×800mm)環柱，高度傾角不一，傾角在67.01°～79.50°持續變化； 大截面(2800mm×1200mm)環梁高度不一，呈空間變曲線布置，弧頂標高從26～39.9m持續變化，平面由三段不同半徑圓弧連接而成，如圖4所示。環柱傾斜角度大，在自重及施工荷載作用下變形較大。設計要求張拉初始態為設計幾何態，變形控制難。

圖4 大截面環梁環柱

2.4 海外欠發達地區預制清水看臺

圖5 復雜造型預制看臺板

本工程預制清水混凝土看臺板(圖5)總量為10 743m3，共7 208塊，包括4 624塊預制看臺板、2 392塊踏步、192塊預制欄板，板塊類型涉及U型板、T型板、L型板、一字平板等，質量要求表面色澤一致均勻，無滲漏。國內類似工程如鳥巢等體育場均在預制工廠定制加工，本項目地處海外欠發達區域，實施難度大。

3 BIM應用環境分析

3.1 采用分析

本項目為全BIM設計，結構復雜、體量龐大，方案創作伊始就運用BIM技術，其索塔、罩棚結構無BIM無法施工，其他各專業無BIM也很難順利地實施，同時，項目地處海外，利用BIM的可視化可最大限度地提高中柬雙方技術人員的溝通效率。

3.2 軟硬件配置

根據公司BIM管理辦法結合項目實際情況，項目配置HoloLens MR眼鏡、三維激光掃描儀、VR眼鏡、無人機、formlabs光固化3D打印機、五臺專業BIM電腦等BIM設備，搭配各專業計算分析及建模深化設計軟件，以滿足BIM應用需求。

3.3 BIM實施目標

項目開工伊始就確立了較高的目標，通過推行“三全(全員、全專業、全過程)BIM應用”明確職責分工，努力在建筑全生命周期實現“設計零變更、加工高精度、現場零存儲、施工零返工、運維低成本”的目標，達到“能夠配合業主進行模型空間、設備養護及高效運維管理”的標準。

4 BIM技術集成化應用

4.1 基于BIM的索塔結構施工應用

(1)參數化建模

人字形三維度空間變曲面清水混凝土索塔結構的外輪廓由五條空間曲線組成，傳統的二維圖紙難以具體描述出索塔結構形態，更無法對復雜結構進行計算分析。為此，使用Dynamo插件建立參數化模型可最大程度保證建模精度(圖6)。

(2)結構分析優化施工段

項目運用Abaqus、Ansys等結構計算分析軟件，分析施工過程各階段的力學狀態，為施工措施選型提供依據； 合理劃分施工段，優化機械配置； 為控制施工過程中的過大形變，基于BIM結構計算分析提供的數據，設計了臨時鋼支撐塔作為變形控制結構兼豎向綜合垂直運輸通道(圖7)。

圖6 Dynamo參數化建模

圖7 綜合垂直運輸通道設計

(3)鋼結構數控加工

基于高精度的Tekla模型提取數據(圖8)，導入數控機床，為鋼結構的精細加工提供保障。

圖8 造型木模板體系

(4)BIM施工過程管控

依據建立的高精度模型做各專業的整合，索塔結構的圖紙補充、鋼筋定位、鋼結構安裝、模板拼裝等施工定位依據全部來自BIM模型導出的坐標及控制點。

為保證結構造型效果，基于模型開發了造型木模板配模專利技術(圖9)。將原施工方案的定型鋼模具優化為造型木模板體系，通過對索塔結構復雜造型模板體系進行重新設計，優化模板龍骨及面板組成，保證造型尺寸，降低模板重量，便于施工，不僅保證了造型效果，同時極大降低了造價，優化經濟效益達79萬元。

圖9 造型木模板體系

將加工完成的模板運用三維激光掃描點云模型與設計的模板模型進行復核(圖10)，合模前完成整改，避免返工，保證成型精度。

圖10 點云模型復核造型木模板

索塔結構施工過程中的機械協調及布置、鋼骨柱分節、豎向垂直運輸及使用的液壓爬架系統拆改、架體轉換等關鍵工序均進行了施工動畫模擬(圖11)，以提升交底效率并保障實施效果。

根據索塔結構施工過程中各面的爬架+掛架的使用范圍不同，結合模型對索塔各面分別進行模擬爬升，確定方案。

(5)索塔結構實施效果

基于BIM手段探索形成的索塔結構成套施工技術的現場實施過程順利，實施效果良好。

4.2 基于BIM的裝配式施工

(1)自建預制工廠

國內像鳥巢、深圳大運會體育場等類似工程看臺板均采用專業廠家代生產，運輸至現場。本項目地處海外，運輸成本高，基于BIM對預制看臺廠進行規劃設計，自建工廠，不僅滿足本項目的看臺板生產需要，還可以供應海外其他項目預制構件生產，節約成本，創造產值。

(2)預制看臺板深化設計

看臺結構設計僅提供概念模型。基于BIM技術以相鄰鋸齒梁為基準，確定看臺板長度，根據鋸齒梁截面確定看臺板截面，體育場相鄰梁間弦長與弧長相近以折線代替曲線，確定看臺板為直面設計，最終運用Revit建模型深化出：U型、T型、L型等看臺板4 324塊，欄板、踏步2 884塊，共計7 208塊(圖12)。

圖12 看臺板效果圖

(3)精細化建模及深化設計

通過自建286個看臺族，對7 208塊看臺板進行精細化建模(圖13)。

針對屬地常年高溫多雨條件，預制看臺設置“看臺板搭接”、“結構導水槽”、“關鍵部位結構防水加強板”三道防水線(圖14)，保障看臺結構的防水效果。

將286組深化后模型根據截面形態進行分析對比，對相似造型的模具進行重組設計，從而設計出L形雙面調節、T形三面調節、U形多面調節等系列可調整式鋼模具(圖15)，僅需46套即可完成全部7 208塊看臺板的生產需求。

圖14 防水設計

圖15 鋼模具生產統計

(4)三維激光掃描復核整改

看臺結構鋸齒梁施工標高控制難，施工誤差較大，看臺板施工前利用三維激光掃描儀獲取鋸齒梁點云模型，與設計模型進行比對、質量整改； 對掃描獲取的看臺板點云模型進行虛擬預拼裝(圖16)，確保施工時的準確性。

圖16 三維激光掃描復核

圖17 基于C8BIM平臺的BIM+二維碼技術

(5)“獨立二維碼”精細管控

通過C8BIM云平臺對所有構件進行二維碼編號，制作“獨立二維碼”，通過掃碼瀏覽生產圖紙、定位堆放位置、獲取安裝位置、完成質量驗收等(圖17)。

4.3 基于BIM的環梁環柱體系施工優化

大傾角高懸臂環柱體系在施工過程中變形過大不能自穩，為控制其變形，原方案投入7 000余噸滿堂盤扣架體不可周轉，為保證罩棚張拉時結構的精度，需后罩棚張拉架體才能拆除，架體滯留期長，耗費大。為此，項目對腳手架方案進行優化，使用Midas及Sap2000進行網格劃分，逐級試算不同施工段穩定性，經過16次對比分析，確定了“五柱四跨”為流水段結合臨時支撐結構體系(圖18)。

圖18 五柱四跨架體周轉方案

掛架+新型“自卸荷臨時鋼支撐”架體方案，優化后的架體可拆除周轉使用，架體需求量減半。架體周轉循環使用14次，通過模擬方案驗證可行性，節約腳手架4 100噸，直接經濟效益達968萬元。

4.4 基于BIM的柔性罩棚施工探索

(1)索膜結構數值分析

柔性斜拉—索桁罩棚結構，安裝精度高、張拉控制難、成型難度大。運用ANSYS驗算索系張拉全過程(圖19)，并借助BIM進行全真施工模擬，進行可視化交底，確定工藝流程，最終形成一套有效的柔性索桁結構施工形態綜合控制施工技術，為本項目罩棚結構的施工提供技術支撐。

圖19 ANSYS驗算索系張拉全過程

通過Autodesk simulation CFD對體育場不同部位風環境進行模擬分析(圖20)，為屋面罩棚、金屬幕墻提供設計依據，確保體育場各部位的通風舒適性。

圖20 風環境進行模擬分析

(2)1： 15實體模型

針對新型結構成型困難、形態控制的難題，與浙江大學合作，制作1： 15模型模擬罩棚張拉過程(圖21)，對比ANSYS模型全過程跟蹤分析驗算。

圖21 浙江大學1： 15模型試驗

(3)節點深化設計

根據數值模擬分析結果，基于BIM模型，對大噸位復雜索夾節點進行深化設計，進行交叉節點處協調配合，避免索夾節點與膜張拉機構沖突。

5 新技術應用

5.1 VR/AR/HoloLens MR

項目基于FUZOR模型借助HTC VIVE設備進行VR沉浸式體驗、基于可視+AR軟件進行AR增強現實交底、基于SketchUp軟件借助HoloLensMR設備進行數字沙盤等技術輔助施工交底，充當與當地政府、國際機構團體間交流的媒介，獲得各方的一致稱贊。

5.2 UAV傾斜攝影

使用傾斜攝影技術獲取的實景模型(圖31)，結合Revit模型，可用于全面感知現場進度、合理規劃現場布置。借助Agisoft Metashape Pro制作的實景模型可用于幫助各方了解現場實時進展。

5.3 3D打印

項目基于Revit模型，通過工業級3D打印機制作沙盤模型，formlabs 3D光固化打印機制作索塔、環梁環柱等結構，使現場技術交流更加直觀。

5.4 三維激光掃描

項目多次利用激光掃描技術對索塔模板拼裝質量、環梁環柱變形復核、預制看臺構件預拼裝、預制鋼模具誤差復核等，用以復雜結構的施工質量過程的控制。

6 總結

(1)作為該地區首個系統應用BIM的公共建筑項目，立足世界標準，采取高效的全過程管控，具有里程碑式的意義。體育場包含的全球首創索塔結構、斜拉索桁柔性罩棚體系從設計到施工均無可借鑒的經驗，項目將BIM思維創造性地與實體模型融合試驗，總結出了針對復雜結構施工的成套BIM應用思路，具有可復制性和較強的推廣價值。

(2)作為海外項目，BIM在實施前期要充分地考慮國內外軟件使用的兼容性以及交付所在國家運維的高效性。 項目基于自主研發的C8BIM平臺實現了國內外施工過程的高效管控，為后期項目的竣工驗收、運維管理集成了海量數據。基于BIM的高效管控為項目縮短工期55天，節約材料費用1 168萬，節省建造費1 200萬，綜合經濟效益高達3 000萬以上。

(3)體育運動是和平的象征，通過BIM應用與當地團體和國際組織進行交流，表現形式更具生命力，承載著國與國之間的友誼，傳遞世界和平的訴求。在項目上設置與金邊大學、皇家理工大學交流的教學點，將系統性BIM應用作為教學實例，提升相關專業教學水平。項目受到TCMS(柬埔寨奧林匹克技術委員會)的高度認可，應當地多家地產投資集團的邀請，提供BIM策劃咨詢，提高了當地建筑行業的BIM認知水平，用BIM手段協助打造援外工程標桿，推動中國標準的國際化進程。