基于BIM技術(shù)的大型異形公共建筑智慧建造研究與應(yīng)用

田仲翔 嚴(yán)心軍 張 濤 劉丕先 張超甫

(1.中鐵建工集團有限公司建筑工程研究院，北京 100160；2.中鐵建工集團有限公司西南分公司，貴州 550000)

引言

隨著科技進步和社會的發(fā)展，人們對于建筑物多元化的需求越來越高，新建公共建筑逐漸呈現(xiàn)出面積大型化、功能復(fù)雜化、造型多樣化的特點，這對于建筑施工行業(yè)提出了更高的要求。傳統(tǒng)建造方式和管理模式在科技高度發(fā)展的今天，往往難以滿足智慧建造和精細(xì)化管理的需求，而近年來，隨著BIM技術(shù)的發(fā)展，建筑業(yè)迎來了新的發(fā)展機遇。從單純的建筑信息模型，到BIM與VR、GIS等技術(shù)相結(jié)合的“BIM+”應(yīng)用，再到以BIM為核心的數(shù)字化建造，信息技術(shù)與建筑業(yè)發(fā)展的融合取得了突破性進展。本文以成都自然博物館施工為例，對基于BIM技術(shù)的大型異形公共建筑智慧建造做進一步的探討。

1 工程概況

1.1 項目簡介

成都自然博物館項目位于四川省成都市成華區(qū)成華大道十里店路以東，二仙橋東三路以北，成都理工大學(xué)西側(cè)，總建筑面積50 520m2，地下一層，地上四層。其中，地下建筑面積14 688m2，地上新建建筑面積31 856m2，老館加固改造面積3 591m2。

成都自然博物館整體造型新穎獨特，其設(shè)計靈感源自四川地區(qū)“連峰去天不盈尺，枯松倒掛倚絕壁。飛湍瀑流爭喧豗，砯崖轉(zhuǎn)石萬壑雷”的獨特地理盛景，致敬蜀山、蜀道、蜀水，以抽象的建筑造型，重現(xiàn)偉大的自然盛景。

圖1 成都自然博物館效果圖

本工程地下室為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，地上為鋼框架+支撐，屋面為焊接球網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，外幕墻主要為干掛石材幕墻、豎明橫隱玻璃幕墻，屋頂主要為采光頂系統(tǒng)和石材裝飾屋面構(gòu)成。

1.2 項目重點難點分析

(1)場地狹窄，現(xiàn)場臨時場地有限。平面不規(guī)則、空間不規(guī)則結(jié)構(gòu)施工組織順序及質(zhì)量、工期保障難度大。

(2)地上鋼結(jié)構(gòu)造型復(fù)雜、跨度大、施工工藝復(fù)雜，質(zhì)量控制、安全保障要求高。

(3)幕墻造型新穎獨特。國內(nèi)首創(chuàng)雙層異形幕墻設(shè)計，內(nèi)幕墻為鋁板，外幕墻為干掛石材幕墻，中間空隙容納LED照明系統(tǒng)和檢修馬道，施工難度大。

(4)建筑內(nèi)部空間形勢復(fù)雜，機電系統(tǒng)繁多，地上管線須穿越鋼桁架，管線排布難度大，末端定位困難。作為地標(biāo)建筑，功能及觀感質(zhì)量要求高，對于機電安裝及裝飾裝修都提出了較高要求。

1.3 應(yīng)用目標(biāo)

(1)建立全專業(yè)、高精度的建筑信息模型，實現(xiàn)基于BIM技術(shù)的智慧建造在項目全生命周期中的應(yīng)用[1]。

(2)針對本項目重點難點，運用BIM技術(shù)優(yōu)化施工組織，把控施工質(zhì)量、安全、成本和進度。

(3)通過BIM技術(shù)對機電、幕墻、鋼結(jié)構(gòu)等專業(yè)進行深化設(shè)計，優(yōu)化施工方案和指導(dǎo)現(xiàn)場作業(yè)。

(4)通過BIM管理平臺，解決工程項目建設(shè)中“監(jiān)管力度不強，管理手段落后”的難題，實現(xiàn)對施工現(xiàn)場“人、機、料、法、環(huán)”的全面掌控。

2 應(yīng)用路線

2.1 標(biāo)準(zhǔn)化模型建立

完整的BIM模型是實現(xiàn)基于BIM技術(shù)智慧建造應(yīng)用的基礎(chǔ)，一個完整的建筑信息模型應(yīng)包含兩部分內(nèi)容，一是完整的三維模型本身，二是三維模型中所包含的完整信息，即滿足工程應(yīng)用中對于模型精度和信息深度的要求。

由BIM負(fù)責(zé)人負(fù)責(zé)收集、整理設(shè)計院下發(fā)的圖紙，并對圖紙版本、設(shè)計變更及收發(fā)文進行總控，保證所有參與人員信息的一致性和對稱性。各專業(yè)工程師收到圖紙后，按照建模標(biāo)準(zhǔn)的要求對各專業(yè)BIM模型進行創(chuàng)建，并保證模型的幾何精度和信息深度滿足各階段要求。

2.2 基于BIM的施工組織優(yōu)化

施工組織設(shè)計，是用來指導(dǎo)施工組織與管理、施工準(zhǔn)備與實施、施工控制與協(xié)調(diào)、資源配置與使用的全面性技術(shù)、經(jīng)濟文件，是對施工活動全過程進行科學(xué)管理的重要手段[2]。

針對本項目重點難點，通過BIM技術(shù)優(yōu)化施工組織設(shè)計，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

(1)基于BIM的施組平面布置優(yōu)化

對各階段施組平面進行三維建模，充分利用BIM可視化和可優(yōu)化性的特點，優(yōu)化水平方向和垂直方向的交通組織，立體規(guī)劃生活區(qū)、辦公區(qū)、材料加工區(qū)、材料堆場、施工道路、大型機械設(shè)備、臨水臨電的布置[3]，使施工總體部署更加科學(xué)合理，最大程度地提高生產(chǎn)效率。

A：鋼結(jié)構(gòu)模型，B：建筑模型，C：石材幕墻模型，D：玻璃幕墻模型，E：機電模型，F(xiàn)：整體模型圖2 成都自然博物館各專業(yè)BIM模型

圖3 自然博物館三維場布

(2)基于BIM的施工模擬

通過BIM模型與施工進度計劃相關(guān)聯(lián)，可以實現(xiàn)工程全階段的虛擬建造，根據(jù)工程各種具體條件，優(yōu)化施工方案、施工流水、勞動力組織和技術(shù)組織措施等，為指導(dǎo)開展緊湊、有序的施工活動提供依據(jù)[4]。在施工過程中，也可作為工程進度的形象控制目標(biāo)，通過無人機、全景相機等設(shè)備采集各階段現(xiàn)場實際形象進度信息，與同階段虛擬建造模型進行比對，及時發(fā)現(xiàn)偏差并采取合理的應(yīng)對措施，調(diào)整作業(yè)安排，實現(xiàn)進度的動態(tài)管控。

圖4 地上鋼結(jié)構(gòu)安裝階段平面布置

(3)基于BIM的工程量統(tǒng)計

將成本及相關(guān)材料資源數(shù)據(jù)錄入到模型當(dāng)中，在進行施工模擬的同時也可實時查看在各個時間節(jié)點和施工段相關(guān)資源的投入情況[5]，直接為組織材料、機具、設(shè)備、勞動力需要量的供應(yīng)和使用提供數(shù)據(jù)[6]。

2.3 基于BIM的鋼結(jié)構(gòu)工程智慧建造

成都自然博物館鋼結(jié)構(gòu)共分為6個功能單體，通過桁架和單梁連接。主體由圓管斜柱+大跨平面桁架+單梁組成鋼框架，屋蓋為雙層折面網(wǎng)架。項目總用鋼量約1萬噸。

2.3.1 基于BIM的大跨度復(fù)雜空間造形結(jié)構(gòu)安裝形變及精度控制

本工程鋼屋蓋造型復(fù)雜、跨度大，不同部位剛度差異大。屋蓋呈平面折板造型，空間落差最高達12.2m，最大跨度37m。同時，屋面采用重屋面，焊接球體上部削冠方向與屋面坡度要求一致，現(xiàn)場定位困難。屋蓋網(wǎng)架采用分塊吊裝的方式安裝，施工過程結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)與設(shè)計狀態(tài)存在較大差異，易造成局部受力不均導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的變形，對安裝過程精度控制要求高。

針對以上難點，基于BIM技術(shù)解決的措施如下：

(1)通過計算分析，制定合理方案，指導(dǎo)現(xiàn)場施工。

圖5 成都自然博物館整體鋼結(jié)構(gòu)總覽

基于鋼結(jié)構(gòu)BIM模型，通過有限元分析軟件Midas/Gen按照實際施工過程中結(jié)構(gòu)的成型步驟、工況狀態(tài)建立計算模型，對結(jié)構(gòu)進行全過程計算分析，掌握各施工階段結(jié)構(gòu)的內(nèi)力及變形情況，并根據(jù)計算分析結(jié)果，反向指導(dǎo)現(xiàn)場施工，如合理的規(guī)劃、確定施工預(yù)變形，確保結(jié)構(gòu)吊裝施工過程和最終成型狀態(tài)的整體位形滿足精度要求。

(2)加強實測實量監(jiān)控

通過鋼結(jié)構(gòu)計算模型提取坐標(biāo)點，在安裝過程中對結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位點利用全站儀全程跟蹤測量，當(dāng)發(fā)現(xiàn)安裝誤差超過設(shè)計值時，及時進行校正。

(3)三維激光掃描校核糾偏

通過三維激光掃描，獲取鋼結(jié)構(gòu)的實際三維點云數(shù)據(jù)。生成三維點云模型后，與鋼結(jié)構(gòu)計算模型進行比對，及時發(fā)現(xiàn)、糾正誤差，保證施工質(zhì)量。

圖6 網(wǎng)架屋蓋吊裝成型施工模擬仿真分析

圖7 各施工步結(jié)構(gòu)桿件應(yīng)力比分析

2.3.2 基于BIM的外立面斜鋼柱安裝保證措施

本工程結(jié)構(gòu)外立面鋼柱為折線斜柱，從地面起向結(jié)構(gòu)外傾斜，到了二層樓面位置時又向內(nèi)傾斜，與垂直面最大夾角達33°。鋼柱分段數(shù)量多、偏移量大，且鋼柱傾斜方向和角度各不相同。如何確保外框鋼柱的施工質(zhì)量是本項目的難點。

基于鋼結(jié)構(gòu)BIM模型，對施工方案、施工工藝、施工工序進行模擬，直觀地了解整個施工組織和工序安排，并清晰把握施工過程中的難點和要點[7]，在不消耗實物的前提下達到對施工方案和施工工藝的優(yōu)化，最終確立了以下幾點應(yīng)對措施：

(1)采用無纜風(fēng)繩施工技術(shù)，通過對鋼柱分段間的臨時連接耳板及安裝螺栓進行設(shè)計，并經(jīng)過力學(xué)計算分析，保證能夠滿足鋼柱對接的臨時穩(wěn)固，解決了吊裝空間受限的問題，加快施工進度。

(2)高精度全站儀測量定位。柱底通過四條定位線與下節(jié)鋼柱對齊； 柱頂管口中心和關(guān)鍵牛腿角部設(shè)三個測量控制點，通過鋼結(jié)構(gòu)深化模型給出安裝空間坐標(biāo)，利用全站儀進行測量定位； 為避免累積誤差，每節(jié)柱的定位軸線均地面控制線為基準(zhǔn)線上引，不得從下層柱的軸線上引[8]。

(3)采用液壓千斤頂組合操作裝置來實現(xiàn)傾斜鋼柱構(gòu)件的校正。

圖8 柱底設(shè)四線定位過程模擬

圖9 鋼柱現(xiàn)場安裝

2.4 基于BIM的機電安裝智慧建造

2.4.1 基于BIM的機電深化

作為一座現(xiàn)代化、智能化的博物館，必然導(dǎo)致館內(nèi)機電設(shè)備種類繁多，機電管線密集，系統(tǒng)錯綜復(fù)雜[9]。由于地上主體為鋼結(jié)構(gòu)，管線需從桁架和網(wǎng)架孔內(nèi)穿過，更是增加了機電安裝工程施工難度。為了確保施工質(zhì)量，通過BIM技術(shù)對機電管線進行深化設(shè)計，合理優(yōu)化管線排布，指導(dǎo)現(xiàn)場施工作業(yè)。

(1)在滿足規(guī)范的前提下，合理、緊湊地布置機電管線，滿足控高要求，控制成本、優(yōu)化系統(tǒng)，為業(yè)主提供足夠的檢修、使用空間[10]。

(2)通過對系統(tǒng)的計算與校核，建立檢查清單，以優(yōu)化系統(tǒng)參數(shù)及設(shè)備選型。

(3)針對尺寸較大，無法穿桁架的風(fēng)管，進行合理拆分，保證風(fēng)量不受影響，如圖10所示。

圖10 穿越鋼桁架管線優(yōu)化

(4)輸出管線綜合排布圖、專業(yè)管線圖和預(yù)留孔洞圖，用于指導(dǎo)現(xiàn)場施工，避免后期由于圖紙問題或管線碰撞造成拆改。

2.4.2 基于BIM的風(fēng)管預(yù)制加工

將BIM機電深化設(shè)計模型導(dǎo)入Fabrication軟件中生成預(yù)制加工模型，通過輸入真實的加工數(shù)據(jù)，如材料、規(guī)格、法蘭等相關(guān)信息，實現(xiàn)對風(fēng)管的自動分段以及鈑金展開，并生成CNC數(shù)控代碼。將CNC碼導(dǎo)入等離子切割機和五線機等風(fēng)管加工設(shè)備，可以實現(xiàn)風(fēng)管和管件的快速生產(chǎn)。

通過風(fēng)管預(yù)制加工，一方面使大量原材料和加工任務(wù)搬離了施工現(xiàn)場，減少了對現(xiàn)場的占用及依賴，另一方面可以做到“量體裁衣”，大大減少了材料的浪費，提高了生產(chǎn)效率，做到了真正的“綠色施工”。

圖11 碰撞報告及BIM出圖

2.5 基于BIM的幕墻工程智慧建造

本項目主要幕墻類型包括石材幕墻系統(tǒng)、豎明橫隱玻璃幕墻系統(tǒng)、采光頂系統(tǒng)、石材裝飾屋面系統(tǒng)、單層防水卷材及石材屋面裝飾系統(tǒng)、雨篷系統(tǒng)等，其中石材幕墻系統(tǒng)由內(nèi)層鋁板幕墻體系、外層石材幕墻體系組成。幕墻與鋼結(jié)構(gòu)通過鋼支托進行連接，內(nèi)外層幕墻間距約800mm，內(nèi)置LED照明系統(tǒng)及檢修馬道。

圖12 風(fēng)管預(yù)制加工流程

圖13 預(yù)制構(gòu)件生成、鈑金展開及成品加工

受博物館異形、多折面的外部造型影響，每個館包含了十幾個展開面，在各展開面交接位置處全部為異形石材板塊，板塊大小、切角角度各不相同。各館異形板類型近上千種，且不同類型的石材數(shù)量僅為1塊，現(xiàn)場施工難度極大。

圖14 成都自然博物館幕墻系統(tǒng)

針對以上難點，基于BIM技術(shù)的解決措施如下：

(1)深化設(shè)計：以鋼結(jié)構(gòu)深化模型為基礎(chǔ)、幕墻設(shè)計圖紙為基準(zhǔn)，采用Dynamo對幕墻進行深化設(shè)計，建立高精度幕墻深化模型。

(2)放線定位：在深化模型中提取各構(gòu)件的坐標(biāo)點位直接用于放線定位、鋼結(jié)構(gòu)變形檢測、龍骨定位復(fù)核、面板安裝定位控制等。在本項目中，累計提取坐標(biāo)點近10 000個。

(3)材料下料：深化模型可直接用于鋼牛腿、龍骨、鋁板、石材下料，同時可統(tǒng)計各構(gòu)件的工程量，用于施工組織、進度計劃的編制、工程結(jié)算的依據(jù)等。

圖15 幕墻建模、編碼、下料與安裝

2.6 基于BIM的集成管理平臺應(yīng)用

為了提高項目整體信息化管理水平和BIM應(yīng)用水平，項目采用了集團公司自主研發(fā)的智慧工地管控云平臺，一方面服務(wù)于應(yīng)用需求量大、能為項目帶來實際效益的應(yīng)用點，另一方面可以提前發(fā)現(xiàn)并解決項目管理中潛在的問題，減少施工過程中的管理遺漏，預(yù)警監(jiān)控施工和管理中的各類風(fēng)險，達到互聯(lián)協(xié)同、全面感知、輔助決策、智能生產(chǎn)、科學(xué)管理的目的。

圖17 視頻監(jiān)控模塊

智慧工地管控云平臺集輕量化模型、人員管理、機械管理、材料管理、施工管理、監(jiān)測監(jiān)控及綠色施工等模塊為一體，綜合運用BIM、GIS、物聯(lián)網(wǎng)、云計算等技術(shù)手段[11]，通過各類傳感終端采集數(shù)據(jù)，實現(xiàn)建設(shè)環(huán)節(jié)中人、機、料、法、環(huán)的智能分析、人性化操控管理和集成展示，為項目增效創(chuàng)優(yōu)提供平臺支持。

圖18 基于平臺的BIM模型輕量化瀏覽

3 效益分析

3.1 經(jīng)濟效益分析

通過基于BIM技術(shù)的智慧建造應(yīng)用，有效提升了項目的精細(xì)化管理水平、施工質(zhì)量及施工效率，保障了項目施工誤差控制及美觀度要求，避免了后期拆改和粗放施工導(dǎo)致的材料、設(shè)備、勞動力浪費，為項目創(chuàng)造直接經(jīng)濟效益200.13萬元，節(jié)約工期40天。

3.2 環(huán)境效益分析

通過機電管道，鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架，幕墻龍骨、鋁板、石材等構(gòu)件的場外預(yù)制，減少了現(xiàn)場加工、焊接和涂裝作業(yè)，減少了環(huán)境污染和資源的浪費，也減少了施工現(xiàn)場高空作業(yè)的時間，改善了工人勞動環(huán)境，做到了真正的“綠色施工”。通過智慧平臺應(yīng)用，在關(guān)鍵部位布置實時環(huán)境在線監(jiān)測系統(tǒng)，實時監(jiān)測現(xiàn)場環(huán)境狀況，并可針對可能出現(xiàn)的污染及時采取措施，做到了環(huán)境保護的前置。

3.3 社會效益分析

成都自然博物館填補了西南地區(qū)綜合類自然博物館的空白，將對外講述中國西南地區(qū)，從喜馬拉雅山脈到四川盆地廣闊地域的自然演變和歷史進程。未來，標(biāo)本典藏、科學(xué)研究、展覽展示為其基本功能，文化休閑為其延伸功能，共同為科普教育服務(wù)。通過成都自然博物館智慧建造相關(guān)應(yīng)用，保障了成都自然博物館能夠如期開放，讓世界人民了解中國文化的同時，也讓世界人民了解中國建造水平的提升。成都自然博物館智慧建造的成功應(yīng)用也對今后大型異形公建項目的開展起到了引領(lǐng)示范作用。

4 結(jié)語

對于建筑施工行業(yè)來說，智慧建造意味著在建造過程中充分利用智能技術(shù)及其相關(guān)技術(shù)，提高建造過程智能化水平，實現(xiàn)管理水平與施工質(zhì)量的雙提升。本文從6個方面總結(jié)了BIM技術(shù)在大型異形公共建筑智慧建造中的應(yīng)用，為今后項目智慧建造的落地實施提供了參考。目前我國在智慧建造領(lǐng)域總體尚處于初級階段，基礎(chǔ)理論仍待突破，集成化應(yīng)用仍有很大發(fā)展空間，相信隨著社會的進步和科技的發(fā)展，BIM技術(shù)和智慧建造領(lǐng)域的應(yīng)用將會越來越廣泛、全面。