2022世界杯主場館BIM技術(shù)綜合應(yīng)用*

鄭天立

(中國鐵建國際集團有限公司，北京 100039)

0 引言

BIM(building information modeling)技術(shù)以三維模型為基礎(chǔ)，能較好地展現(xiàn)建筑、工程設(shè)計和施工的本質(zhì)特征，還能提供實用性信息化工具，使得建筑物和基礎(chǔ)設(shè)施的規(guī)劃、設(shè)計、施工和運營管理更有效率[1]。BIM技術(shù)在工程項目的每個階段都能產(chǎn)生價值，但是在工程項目全生命期一體化應(yīng)用更能發(fā)揮其本質(zhì)的價值[2]。隨著國家“一帶一路”倡議的推進，中國建筑企業(yè)也逐漸有機會參與國際化高端項目的建設(shè)和管理，由于這些項目多采用國際標(biāo)準(zhǔn)，并聘用國際化管理團隊，需要對項目進行全生命周期一體化的策劃和實施，這對中國企業(yè)參與世界頂級項目的BIM技術(shù)應(yīng)用水平提出了更高的要求[3]。

以2022年卡塔爾世界杯主場館盧賽爾體育場項目為例，該項目由中國鐵建與卡塔爾當(dāng)?shù)仄髽I(yè)組成緊密型聯(lián)營體共同承建，是近年來中國參與建設(shè)的最具國際影響力的項目之一[4]。該體育場在項目規(guī)模、投資總額、實施難度、技術(shù)先進性等方面均超越國際上同類世界杯主場館項目，尤其在BIM技術(shù)應(yīng)用方面投入了大量資金，采用了國際標(biāo)準(zhǔn)和工程項目全生命期一體化應(yīng)用的理念。目前項目施工已經(jīng)接近尾聲，該項目的BIM技術(shù)應(yīng)用產(chǎn)生了顯著效果，體現(xiàn)了BIM技術(shù)的本質(zhì)價值。近一年的時間，該項目成果已經(jīng)獲得了3項國內(nèi)頂級BIM大賽的最高獎，受到了國內(nèi)外同行的廣泛關(guān)注。

1 BIM技術(shù)應(yīng)用特點

1)項目規(guī)模大、復(fù)雜度高

項目占地面積100萬m2，建筑面積19萬m2，觀眾容量92 100人，是世界上規(guī)模最大和最先進的體育場之一，也是目前世界上在建規(guī)模最大的專業(yè)體育場[5]。

體育場單個最大吊裝鋼結(jié)構(gòu)重450t，274m交叉魚尾索屋面為世界最大跨度索網(wǎng)結(jié)構(gòu)，包含22個大類專業(yè)和100多個專業(yè)子系統(tǒng)，中心模型由近500個數(shù)字模型組成，集成度與復(fù)雜度高，是在全球范圍技術(shù)領(lǐng)先的體育場館項目。項目建筑效果如圖1所示。

圖1 盧賽爾體育場效果

2)國際化資源整合與協(xié)同難度大

本項目的策劃和實施遵從國際足聯(lián)和國際最高標(biāo)準(zhǔn)，直接和間接參與本項目的企業(yè)來自全球50多個國家，數(shù)量達200余家，其中設(shè)計咨詢類公司約30家、施工企業(yè)超過50家、供應(yīng)商100余家[6]。與國內(nèi)項目相比，這些分散在全球各地的國際化資源大大增加了BIM技術(shù)整合難度，對承包商的BIM協(xié)同能力提出了較高要求。

3)全生命周期BIM應(yīng)用要求高

項目管理團隊在項目策劃階段就參照英國標(biāo)準(zhǔn)學(xué)會(BSI)等國際標(biāo)準(zhǔn)，提出了BIM技術(shù)在規(guī)劃設(shè)計、施工建造和賽后運維等項目全生命周期各階段的應(yīng)用要求[7]。

項目在BIM技術(shù)應(yīng)用方面投入近1億元人民幣，聘請專業(yè)技術(shù)團隊進行系統(tǒng)性策劃，制定了完善的BIM技術(shù)實施組織機構(gòu)和實施計劃，該計劃貫穿項目策劃到運營改建的全過程。通過統(tǒng)一數(shù)據(jù)環(huán)境(CDE)，保證了BIM數(shù)據(jù)向建筑管理系統(tǒng)(BMS)和資產(chǎn)管理模型(AIM)的有效傳遞。項目采用30多款BIM技術(shù)應(yīng)用軟件，竣工交付成果符合LOD500標(biāo)準(zhǔn)。

4) 新技術(shù)應(yīng)用多

項目團隊以數(shù)字BIM技術(shù)為基礎(chǔ)，集成了數(shù)字仿真、3D掃描、無人機、GIS、云技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，解決了諸多管理和技術(shù)難題，包括遠程協(xié)同、超大型構(gòu)件運輸和高精度吊裝、魚腹式索網(wǎng)屋頂提升、水冷看臺空調(diào)設(shè)計安裝、裝配式看臺預(yù)制安裝、高標(biāo)準(zhǔn)草坪培植養(yǎng)護等世界級技術(shù)難題。

2 BIM應(yīng)用管理體系

2.1 BIM管理團隊組織架構(gòu)

本項目BIM技術(shù)的應(yīng)用涵蓋了所有項目參與方，包括業(yè)主、項目管理方、監(jiān)理、設(shè)計總包/分包、施工分包和供應(yīng)商等。在項目招投標(biāo)階段業(yè)主即提出總承包商必須具備BIM能力的要求。在項目實施階段，總承包商將下游單位是否具備BIM能力作為能否參與項目實施的硬性指標(biāo)，所有下游企業(yè)必須設(shè)置BIM部門或配備專職BIM人員[8]。項目外部BIM管理團隊組織架構(gòu)如圖2所示。

圖2 項目外部BIM管理團隊組織架構(gòu)

在總承包商項目部內(nèi)設(shè)立專門的BIM工作室，按照項目總體BIM管理架構(gòu)建立國際化BIM管理團隊，各參與方根據(jù)工作范圍和職責(zé)分工，明確并細化了角色分工，形成了項目BIM總體實施的責(zé)任矩陣表(responsibility matrix)，該矩陣表對應(yīng)項目全生命周期中建模、審查、協(xié)同配合和數(shù)據(jù)級應(yīng)用等各項工作角色進行了定義，并進行了責(zé)任劃分。總承包商的BIM工作室作為整個項目BIM實施與管理的中樞，在全球范圍整合專業(yè)化人力資源，來自希臘、中國和印度約20余位專業(yè)人員組建了BIM團隊，分布在印度和中國等多個國家的專業(yè)化團隊提供了后方支持。總承包商BIM工作室組織架構(gòu)如圖3所示。

圖3 總承包商BIM工作室組織架構(gòu)

2.2 BIM數(shù)據(jù)資源管理模式

通過建立項目統(tǒng)一數(shù)據(jù)環(huán)境(CDE)，實現(xiàn)貫穿項目全生命周期各階段的數(shù)據(jù)資源管理，保證了數(shù)據(jù)的一致性和可靠性。

在前期策劃階段，本項目形成了較為完善的數(shù)據(jù)治理結(jié)構(gòu)。業(yè)主牽頭建立電子文檔管理系統(tǒng)(EDMS)，并制定了該系統(tǒng)的使用手冊，建立了詳細的數(shù)據(jù)共享規(guī)則和數(shù)據(jù)共享解決方案，用以解決業(yè)主、項目管理方、總承包商和主要分包商間的信息共享難題。

在規(guī)劃設(shè)計階段，由設(shè)計總包牽頭建立中心數(shù)字模型，利用Revit工作集解決同專業(yè)內(nèi)不同模型間的數(shù)據(jù)共享，利用Revit外部銜接解決不同專業(yè)間的數(shù)據(jù)共享，利用CDE解決各設(shè)計分包間的數(shù)據(jù)共享。

在項目實施階段，在總承包商BIM工作室主導(dǎo)下，按照業(yè)主規(guī)定的原則，建立本地局域網(wǎng)(local server)、WEB端和云端服務(wù)，并對數(shù)據(jù)資源進行實時更新管理，實現(xiàn)了業(yè)主、總承包商項目部內(nèi)部各部門和分包商之間的信息共享。

在項目移交階段，本項目融合了《施工運營建筑信息交換標(biāo)準(zhǔn)》(COBie)，該標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)列入美國、英國和新加坡的設(shè)計和施工合同，相比傳統(tǒng)方式，它可以用更低的成本和更高的質(zhì)量提供有關(guān)設(shè)備和空間的信息。COBie的采用保證了數(shù)據(jù)資源從建設(shè)階段的項目信息模型(PIM)到運維階段資產(chǎn)信息模型(AIM)的低成本和高效率傳遞。

2.3 BIM數(shù)據(jù)格式管理

本項目選用Revit為統(tǒng)一建模軟件，近500個分專業(yè)模型均需轉(zhuǎn)化為RVT格式。為了便于瀏覽、審查和碰撞檢查等，規(guī)定所有Revit模型均需導(dǎo)出為Navisworks的NWC，NWD和NWF格式。同時，為了保證不同BIM軟件之間的兼容性，所有模型還需轉(zhuǎn)化為IFC格式；對于圖紙類型的設(shè)計成果，本項目規(guī)定格式為Revit圖紙集、CAD的DWG格式和Microsoft的PDF格式。對于設(shè)計報告等文檔類的設(shè)計成果，本項目規(guī)定格式為Microsoft的DOC格式和PDF格式。

3 BIM技術(shù)具體應(yīng)用分析

3.1 規(guī)劃設(shè)計階段BIM應(yīng)用

在規(guī)劃設(shè)計階段，本項目的BIM技術(shù)融合了GIS技術(shù)，實現(xiàn)了對體育場選址和大場區(qū)布局的優(yōu)化，并通過BIM對大場區(qū)賽時設(shè)施進行布置與客流組織設(shè)計。效果圖與漫游動畫技術(shù)強化了設(shè)計方案表現(xiàn)，加快了業(yè)主決策，為世界杯賽事宣傳提供了數(shù)字化基礎(chǔ)支持。利用Revit實現(xiàn)了100%正向設(shè)計，所有圖紙均從模型中直接導(dǎo)出，實現(xiàn)了全球多點協(xié)同設(shè)計，顯著提升了設(shè)計工作效率與設(shè)計成果質(zhì)量。

本項目以BIM技術(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合數(shù)字模擬仿真技術(shù)，進行多方案優(yōu)化設(shè)計，在保證功能和舒適度的前提下，將EPC建設(shè)投資額降低約40%。采用數(shù)字模擬技術(shù)對每個座位的觀眾視線進行仿真分析，確保體育場無視線遮擋座椅達到8萬座。通過流體力學(xué)仿真計算對賽場和觀眾看臺區(qū)的溫度、濕度等環(huán)境參數(shù)進行了優(yōu)化，最大限度滿足了國際足聯(lián)嚴苛的觀賽環(huán)境要求。BIM技術(shù)優(yōu)化方案設(shè)計如圖4所示。

圖4 方案優(yōu)化前后主體結(jié)構(gòu)

基于三維數(shù)字模型的多專業(yè)數(shù)字模擬仿真分析為本階段的一大亮點：包括賽時客流模擬優(yōu)化、擁堵點預(yù)測分析、日照溫度仿真模擬、節(jié)能分析、觀眾視線模擬分析、體育場內(nèi)部微環(huán)境仿真模擬分析、室內(nèi)外燈光模擬、草坪光照模擬、體育場標(biāo)語可視度模擬、媒體評論區(qū)視線模擬、構(gòu)件和結(jié)構(gòu)體系力學(xué)模擬分析等。設(shè)計階段的仿真分析結(jié)果作為優(yōu)化設(shè)計的主要依據(jù)，能顯著降低設(shè)計優(yōu)化成本，提高項目設(shè)計效率。仿真分析的參數(shù)取值和結(jié)果分析離不開設(shè)計、施工和運維等專業(yè)人員的經(jīng)驗和判斷。體育場燈光模擬分析如圖5所示。

圖5 體育場燈光模擬

3.2 施工建造階段BIM應(yīng)用

本項目以BIM技術(shù)為基礎(chǔ)，采用動態(tài)模擬仿真技術(shù)，實現(xiàn)了施工場地優(yōu)化布置與塔式起重機沖突檢查，優(yōu)化后的施工場地布置如圖6所示。

圖6 優(yōu)化后施工場地布置

利用P6和Navisworks等軟件進行4D施工模擬，并與基準(zhǔn)進度進行對比，掌握實際進展并及時進行調(diào)整。利用BIM進行鋼結(jié)構(gòu)虛擬預(yù)拼裝，優(yōu)化大型構(gòu)件吊裝、屋頂提升、空調(diào)機組垂直運輸?shù)仁┕ぜ夹g(shù)方案，并對大場區(qū)物流規(guī)劃組織進行優(yōu)化。

選用FARO S350高精度激光掃描儀，在地形測繪、堆料體積計算、大型鋼結(jié)構(gòu)施工精度控制、施工缺陷修復(fù)、鋼結(jié)構(gòu)卸載監(jiān)控和竣工數(shù)字化移交等領(lǐng)域進行了創(chuàng)新應(yīng)用，為本項目的順利完工和施工質(zhì)量保障奠定了有力基礎(chǔ)。在缺陷修復(fù)指導(dǎo)方面，當(dāng)現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)澆筑后，通過將缺陷部位的掃描數(shù)據(jù)與設(shè)計模型數(shù)據(jù)進行對比，可檢查相關(guān)構(gòu)件是否存在施工偏差。當(dāng)偏差超過規(guī)定后，可以通過高精度數(shù)據(jù)采集和對比結(jié)果對缺陷部位制定科學(xué)的修復(fù)方案。

主體鋼結(jié)構(gòu)卸載監(jiān)測是本項目3D掃描技術(shù)與BIM技術(shù)進行結(jié)合應(yīng)用的一大亮點和創(chuàng)新點。在鋼結(jié)構(gòu)臨時支撐塔架卸載過程中，項目部開創(chuàng)性地將高精度3D激光掃描基于用于V柱位形監(jiān)控，分別在卸載前和卸載后對整個體育場的外部主體結(jié)構(gòu)進行掃描，一方面可以實現(xiàn)對主體鋼結(jié)構(gòu)卸載前后任意位置進行對比，另一方面可以將卸載后的掃描點云與卸載后的設(shè)計模型進行對比，當(dāng)全站儀監(jiān)測位移量過大時對相應(yīng)部位進行掃描以發(fā)現(xiàn)問題，同時還可以利用掃描做卸載過程記錄，為后期索網(wǎng)施工和主體結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測等提供充實的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

由于全部看臺梁板均為預(yù)制構(gòu)件，利用BIM進行建模后，可進行快速批量化預(yù)制。同時，本項目利用BIM技術(shù)實現(xiàn)了幕墻連接件等鋼結(jié)構(gòu)的批量化生產(chǎn)，模型數(shù)據(jù)可直接導(dǎo)入切割和焊接設(shè)備，實現(xiàn)精準(zhǔn)下料和焊接加工。

在建模時即遵從英國皇家特許測量師學(xué)會的新量測規(guī)則(NRM2)，利用Revit的明細表功能直接導(dǎo)出準(zhǔn)確的工程量，實現(xiàn)5D工程量自動提取，可直接用于成本核算與物資采購。

3.3 賽后運維階段BIM應(yīng)用

本項目竣工時以多種格式交付資產(chǎn)信息模型(AIM)包含建造過程和資產(chǎn)運維的主要信息，實現(xiàn)工程的數(shù)字化移交。利用3D掃描儀對體育場所有空間和結(jié)構(gòu)進行數(shù)字逆向建模，為后期運維提供真實建筑竣工后的點云數(shù)據(jù)。以國際通用的COBie格式生成所有空間、設(shè)施和設(shè)備的結(jié)構(gòu)化表單，作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)導(dǎo)入運維管理系統(tǒng)，為數(shù)字化運營打下了良好基礎(chǔ)。

利用Revit直接生成主要空間、設(shè)施和設(shè)備資產(chǎn)的二維碼，并制作成金屬材質(zhì)電子標(biāo)簽固定在相應(yīng)部位。在后期運維階段，可以直接利用移動設(shè)備通過BIM 360 Field等軟件掃描金屬二維碼，建立物理實體與后臺數(shù)字模型對應(yīng)關(guān)系。在項目建造和運營期，以BIM技術(shù)為基礎(chǔ)，采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和現(xiàn)代通信技術(shù)，對重點結(jié)構(gòu)構(gòu)件進行健康監(jiān)測，為結(jié)構(gòu)安全保駕護航。以BIM技術(shù)形成系統(tǒng)性數(shù)據(jù)資源，通過與建筑管理系統(tǒng)(BMS)的整合與集成，實現(xiàn)燈光控制系統(tǒng)、門禁安保系統(tǒng)、能源計量系統(tǒng)、消防聯(lián)動控制系統(tǒng)、空調(diào)通風(fēng)控制系統(tǒng)等的可視化信息管理。

本項目的BIM數(shù)字模型融合了地理信息系統(tǒng)(GIS)，可以給城市信息模型(CIM)提供體育場高可靠度數(shù)字孿生模型，為智慧城市建設(shè)提供了方便條件。

本項目BIM技術(shù)支持運維階段的智能門禁系統(tǒng)、比賽控制系統(tǒng)與賽事管理系統(tǒng)，并以AR、VR和MR技術(shù)結(jié)合，助力賽事運營，將顯著提高觀眾互動體驗。

項目EPC聯(lián)合體，以BIM技術(shù)為基礎(chǔ)，制定了科學(xué)合理的幕墻維修養(yǎng)護方案。

盧賽爾體育場在世界杯結(jié)束后將改造成酒店、醫(yī)院、學(xué)校等，服務(wù)于當(dāng)?shù)厣鐓^(qū)，實現(xiàn)項目可持續(xù)發(fā)展。在建設(shè)過程中，項目團隊就利用BIM技術(shù)進行了賽后改建的同步設(shè)計，場館建設(shè)過程中充分考慮了賽后改建的便利性和構(gòu)件的循環(huán)使用，最大限度降低建筑全生命周期成本，體現(xiàn)了綠色低碳的環(huán)保理念。同時，BIM技術(shù)廣泛應(yīng)用于賽后改建場館布局、改建方案制定、大場區(qū)改建布局和景觀綠化等方面，體育場賽時階段和賽后改建階段的大場區(qū)布局如圖7所示。

圖7 賽時和賽后階段大場區(qū)布局

4 應(yīng)用效果分析與評價

作為大型國際工程，本項目已經(jīng)成為“一帶一路”上智能建造示范項目。由于國際足聯(lián)和業(yè)主期望值高，本項目建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)超越了以往各屆世界杯主體育場，建筑結(jié)構(gòu)復(fù)雜工期短。

在策劃初期就導(dǎo)入了BIM技術(shù)，并且按照國際標(biāo)準(zhǔn)在項目的全生命周期進行了系統(tǒng)性應(yīng)用，實現(xiàn)了項目管理、項目實施和運維等各個階段的數(shù)字化，為項目的成本、進度和質(zhì)量控制提供了技術(shù)保障，也為項目的竣工提交、運營和賽后改建提供了數(shù)字化基礎(chǔ)。同時也為各個參建企業(yè)積累了BIM技術(shù)全生命周期應(yīng)用的寶貴經(jīng)驗。項目團隊采用BIM技術(shù)，保證了項目工程質(zhì)量和工期，還節(jié)省了大量工程投資。

本項目BIM技術(shù)應(yīng)用成效顯著。在設(shè)計階段，利用BIM技術(shù)與模擬仿真技術(shù)結(jié)合，對各專業(yè)設(shè)計方案進行了優(yōu)化。優(yōu)化后主體結(jié)構(gòu)鋼材用量大幅減少，基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)更合理，節(jié)省工程投資將近40%；利用云技術(shù)實現(xiàn)了全球協(xié)同設(shè)計。在施工階段采用激光點云技術(shù)對大型構(gòu)件的加工和安裝進行數(shù)字模擬，確保了施工精度；實現(xiàn)了4D進度管理和5D工程量自動提取；利用360 field實現(xiàn)了遠程報批報驗和施工交底。在項目提交和運維階段，采用COBie和二維碼技術(shù)，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)資源從項目信息模型(PIM)向資產(chǎn)信息模型(AIM)的低成本和高效率傳遞。

5 結(jié)語

作為超大型國際工程，本項目BIM技術(shù)的應(yīng)用體現(xiàn)了國際化、系統(tǒng)性、先進性和多技術(shù)融合性，是高附加值全生命周期應(yīng)用的典范項目。

由于建設(shè)體制差異，中國建筑行業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈一體化程度低，近年來雖然有了長足進步，但是仍然存在產(chǎn)業(yè)鏈銜接不暢的問題。這導(dǎo)致BIM技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)制定和基礎(chǔ)理論研究滯后，也使得中國建筑企業(yè)推廣應(yīng)用BIM技術(shù)普遍晚于發(fā)達國家。與發(fā)達國家工程公司主導(dǎo)的BIM技術(shù)應(yīng)用相比，我國的BIM應(yīng)用一體化程度較低，階段性和點狀應(yīng)用較多，全生命周期應(yīng)用處于起步階段。這種狀況制約了BIM技術(shù)本質(zhì)價值的發(fā)揮。

BIM技術(shù)應(yīng)用綜合性強，涉及管理流程、人和技術(shù)諸多方面的合理設(shè)置，更離不開先進理念的指導(dǎo)。中國企業(yè)在參與國際項目實施方面應(yīng)該注重消化吸收國內(nèi)外BIM技術(shù)應(yīng)用成功經(jīng)驗，在此基礎(chǔ)上對BIM技術(shù)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)制定和基礎(chǔ)理論研究上有所創(chuàng)新，才能真正跟上全球建筑行業(yè)數(shù)字化和智能建造技術(shù)發(fā)展的步伐。