淺談西安國際足球中心 EPC 總承包項目全過程 BIM 應用技術

劉 富，陳佳偉，井坤龍，蔣興科

（陜西建工集團股份有限公司，陜西 西安 710068）

0 引言

EPC 施工總承包工程在建設過程中，專業(yè)分包多，外部協(xié)調工作量大，需從設計、施工、工期、質量、費用等方方面面進行工程管理［1-3］。如何做好各分包單位之間信息的整合，提升圖紙深化設計的效率、質量，使設計圖紙切實可行，減少施工現(xiàn)場操作的難度，以達到管理升級、降本增效的目的，是 EPC 施工總承包單位施工管理的首要問題，而 BIM 技術的應用是解決此問題的有效手段［4-6］。

1 工程概況

西安國際足球中心是 2023 年亞洲杯主場館之一，可容納 60 000人進行觀賽，場館整體設計將“周秦圣殿、漢唐雄風”元素與動感、時尚、活力等特色完美結合，“下方上圓”的經典馬鞍形造型，獨具一格的通風加熱錨固系統(tǒng)，多彩變換的智能照明系統(tǒng)以及全球首創(chuàng)的雙層雙向正交索網(wǎng)結構，充分展現(xiàn)了西安這座古都的歷史文化底蘊。項目主樓北側為外挑尺寸最大達到 36 m 的大跨度懸挑結構，外圍大面積外傾幕墻類型多樣、整體形變不易控制，如圖1 所示。

項目建設過程中，充分結合 EPC 總承包項目優(yōu)勢，將各專業(yè)的 BIM 模型相互融合，全過程利用 BIM 技術指導優(yōu)化設計、方案策劃與現(xiàn)場施工，最大程度發(fā)揮了 BIM 技術在工程建設中的優(yōu)勢。

2 施工重難點

1）作為 EPC 總承包項目，項目工程專業(yè)多，總承包管理與協(xié)調工作量大，各專業(yè)施工整體功能、建設品質要求高，需要進行高效率的信息傳遞。

2）勁性柱受力復雜，存在 SRC+BRB 埋件+豎向斜梁，SRC+水平斜梁等復雜節(jié)點，周邊梁鋼筋配筋數(shù)量很多，如何保證節(jié)點處鋼筋綁扎及混凝土澆筑質量是關鍵。

3）工程外圍大面積外傾幕墻類型多樣，包括大跨度玻璃幕墻，曲線鋁板幕墻，陶土板幕墻等形式，整體形變不易控制，安裝難度大。

3 BIM 技術輔助工程管理

3.1 設計階段—樁基荷載設計

在結構設計階段，采用 BIM 技術對樁基沉降進行計算，保證建筑物樁基礎（不含樁長）埋深控制≥1/18 建筑物總高。沉降計算采用 YJK 2.0.1 版基礎設計模塊，計算結果如圖2 所示。最大沉降量 20 mm，框架柱之間的沉降差 16 mm，＜0.002L（L為框架柱距），滿足規(guī)范要求。

圖2 樁基沉降計算結果

3.2 設計階段—混凝土結構分析

場館主體混凝土結構為超長無縫設計，采用盈建科 YJK2.0.1 版和 SAP2000 V22.1.0 兩種空間有限元分析程序對下部混凝土結構進行抗裂分析，得出結構主要的樓板應力均在 2.20 N/mm2以下，施工過程中對局部應力集中部位可以通過增加抗裂纖維及樓板鋼筋配置等措施來減小混凝土裂縫的產生，混凝土結構模型如圖3 所示。

圖3 混凝土結構示意圖

3.3 設計階段—屋蓋結構分析

為了能正確合理地分析屋蓋結構，采用了足尺結構模型進行整體結構分析。模型的反應譜分析采用 CQC 組合，同時采用 SRSS 法考慮雙向地震的扭轉耦連效應。計算時考慮阻尼比，對于鋼結構和混凝土結構采用不同的阻尼比，鋼結構的阻尼比取 0.02，混凝土結構的阻尼比取 0.05。為驗算屋蓋網(wǎng)殼桿件的穩(wěn)定性，驗算過程中在恒載、活載以及風荷載作用的基礎上，同時充分考慮溫度作用、地震作用的影響，將以上荷載進行組合，確保驗算結果的準確性。鋼構件在各工況組合下最大應力比 0.96，出現(xiàn)在屋蓋鋼結構北側 45°，下弦與索網(wǎng)交界處桿件。最大應力比＜1.0，滿足規(guī)范的要求。屋蓋結構主要振型如圖4 所示。

圖4 屋蓋結構主要振型演示

3.4 施工階段——方案模擬

利用 BIM 模型可視化的特點，建立行復雜節(jié)點的模型，提前找出施工過程中可能存在的問題。尤其是對結構鋼筋與鋼構、混凝土柱、梁交叉節(jié)點進行重點分析，討論和交流得到最佳施工方案，提升現(xiàn)場人員管理水平，如圖5 所示。

圖5 梁柱節(jié)點 BIM 模型交流

3.5 施工階段——深化設計

考慮到本工程專業(yè)眾多，二次深化需避免各專業(yè)發(fā)生碰撞問題，通過 BIM 模型優(yōu)化出圖、深化界面節(jié)點，解決各專業(yè)設計不合理問題，提高施工方案編制的可操作性，尤其是避免發(fā)生建筑與結構產生標高或位置偏差、型鋼混凝土柱鋼筋綁扎及澆筑困難、門、窗安裝、開啟方向不正確等問題。

3.6 施工階段——總平面管理

本工程主體結構設計有大量裝配式模塊化單元，包括上部外環(huán)網(wǎng)殼結構、內場預制混凝土看臺以及外部大面積陶鋁板幕墻等。在上部屋蓋施工階段，大量物資同時進場，且鋼結構網(wǎng)殼單元施工與內場清水混凝土看臺吊裝間存在交叉作業(yè)工作。如何有效利用內外場場地，尤其是內場場地，避免交叉作業(yè)中產生工序空間及時間上的碰撞是項目管理的重點。為解決以上問題，項目在施工準備階段采用 BIM 技術可視化的特點進行項目整體物資平面布置，全過程吊裝模擬，分區(qū)域進行吊裝作業(yè)，屋蓋吊裝采用就近吊裝，在內外分別布置兩處吊裝點，避免與看臺板吊裝發(fā)生碰撞問題。同時根據(jù)吊裝點的位置確定物料堆放位置及范圍、最佳物資運輸路徑及吊裝范圍，可減少物資搬運距離，有利于開展綠色施工。

3.7 施工階段——工程量計算

項目土建、機電、幕墻及鋼結構等專業(yè)工作量大，采用傳統(tǒng)手算方法工作量大，浪費人力，且錯誤率高，匯總繁瑣。項目采用 BIM 軟件進行工程量計算，采用電腦生成工程量匯總表，可大幅度減輕工程量計算及復核問題，如圖6 所示。

圖6 BIM 工程量計算

4 BIM 技術指導現(xiàn)場施工

4.1 BIM 空間定位技術

本工程空間定位復雜，看臺、鋼結構、幕墻需進行三維空間定位，現(xiàn)場設置三級平面布置網(wǎng)，引進 BIM 空間定位技術（見圖7），應用放線機器人進行三維空間定位，簡化坐標計算，以保證定位精度，提高放線效率。

圖7 三維空間定位

4.2 預制看臺構件 BIM 預拼裝

本工程看臺體量龐大，總量為 6 295 塊，類型多樣，規(guī)格型號達到 1 187 種，采用 BIM 技術進行配板設計及吊裝模擬，保證看臺整體達到清水效果，如圖8 所示。

圖8 BIM 模擬預拼裝

4.3 BIM 技術輔助吊裝設備布置

項目屋蓋結構為非常新穎的剛性環(huán)殼和柔性索網(wǎng)組合的大跨度結構，本工程根據(jù)鋼結構設計的形式、特點，劃分吊裝單元塊體的重量、吊裝半徑等，選用不同吊裝機械進行吊裝。根據(jù)吊裝塊體的重量、重心位置確定吊點及吊繩長度，結合 BIM 模型進行受力分析及安裝模擬，模擬吊裝每一個塊體單元，確定出吊機站位、吊臂長度回旋半徑等，得到最終確定吊裝方案，保證吊裝過程一次成功就位，如圖9 所示。

圖9 吊裝設備布置（單位：mm）

4.4 BIM 輔助結構計算

主樓北側設計為大跨度懸挑結構，橫跨軸線 S12-S33，整體延伸出一個扇形區(qū)域，總跨度約為240 m，外挑尺寸達到 17～36 m，施工及吊裝難度大。采用 BIM 模擬技術對外伸結構以及幕墻支撐結構進行分析計算以及安裝模擬（見圖10）。在1.0D+1.0L荷載工況下，通過計算外懸挑端部的最大豎向位移為 32 mm。滿足規(guī)范L/400=2L0/400=148 mm 的要求。水平構件應力比最大為 0.893，出現(xiàn)于支撐的懸挑主梁，斜柱應力比最大 0.78，均滿足結構安全要求。

圖10 北側懸挑結構模型及計算

4.5 BIM 模型索膜結構施工全過程模擬

在索結構施工中預應力達到設計要求時，整個結構才是穩(wěn)定的，不能在牽引的過程中產生超過壓環(huán)所能承受的彎矩，否則有可能在牽引過程中，壓環(huán)達到它的極限而失穩(wěn)。通過建立 BIM 模型，選擇多點整體牽引的方法，在每根索的端頭都設置牽引索，采用 ANSYS 等軟件，經過復雜的計算分析（見圖11），對索網(wǎng)施工全過程進行仿真模擬，并進行實體縮尺試驗，分析索網(wǎng)在不同牽引狀態(tài)下索體的內力及整體形態(tài)，最終確定不同索體和膜共同受力，牽引過程中進行動態(tài)控制，精確控制每根索體的拉力，并且要經歷多次調索，最終才能確保設計形態(tài)的實現(xiàn)。

圖11 BIM 建模 ANSYS 分析

4.6 BIM 技術指導綜合管線排布

本工程采用“機電管線及設備工廠化預制技術”，經 BIM 對各專業(yè)綜合排布，由模塊化生產廠家定制生產，經驗收合格后分塊運至現(xiàn)場裝配式施工（見圖12），現(xiàn)場應用率約 30 %，該技術的應用提高了預制率和裝配率，有效地提高了工效和工程質量。

圖12 BIM 管線排布

本工程地下室區(qū)域凈高管綜排布復雜多變，機電安裝系統(tǒng)龐大復雜，管道規(guī)格和材質種類繁多，體量較大，設備與管線分布密集，大量管道呈不規(guī)則變曲率圓弧形，預制及安裝難度大。通過 BIM 模擬、預建造、排布，發(fā)現(xiàn)不滿足凈高問題，及時調整。

4.7 幕墻節(jié)點深化

本工程大面積幕墻包括百葉幕墻、玻璃幕墻，陶土板幕墻等，形式多樣、整體形變不易控制、安裝難度大，幕墻面板幾何長度均成漸變趨勢，采用 rhino 設計軟件對外圍幕墻進行優(yōu)化設計，首先建立場館的外觀整體模型，再利用其對外幕墻進行精確分割排版，然后根據(jù)構件尺寸確定對接方案和接頭的位置，得到最優(yōu)的組裝方案，最終確定采用特制扇形板進行屋面型材百葉幕墻組裝，達到屋面曲面設計效果，如圖13 所示。

圖13 幕墻外觀模型及節(jié)點

5 結語

西安國際足球中心項目全專業(yè)應用 BIM 技術進行深化設計，合理進行場地布置，克服施工過程中的難題，提升工程質量品質，實現(xiàn)項目精細化、集成化、智能化的管理，可為類似 EPC 總承包工程的管理提供一定的參考價值。Q