BIM在湖北省科技館新館建設中關鍵技術研究與應用

趙偉佳 劉成偉 明德剛 陳松清

(1．武漢光谷地產(chǎn)有限公司，武漢 430074； 2．中國電力工程顧問集團中南電力設計院有限公司，武漢 430071)

引言

大型展館與一般民用建筑及工業(yè)建筑相比具有建筑規(guī)模大、造型復雜、結構復雜，需要設計圖紙表達的信息量大，建造階段組成項目的構件類型繁多等特點。上述特點導致該類建筑在設計階段很難避免產(chǎn)生錯誤，施工階段安全風險大，易發(fā)生安全事故。此類建筑傳統(tǒng)建設過程，施工效率低，工期不可控，過程中不同專業(yè)之間易產(chǎn)生“打架”等問題。大型展館多由于空間大，存在回聲、聚焦、混響等問題，給建筑物使用造成較大困擾； 建造過程中多面臨鋼結構深化，復雜節(jié)點等問題，需多專業(yè)協(xié)同化設計。BIM技術針對此類問題，有著很好的解決辦法，且使得建設更加高效、智能。但BIM技術在我國實際工程中的應用效果并不理想[1]，尤其是大型展覽館等公共建筑，例如云南省科技館新館項目，BIM僅用在部分結構吊裝、施工方案的驗證中[2]，模型標準不統(tǒng)一、數(shù)據(jù)流通受阻[3]、未能應用在全過程，且在關鍵技術上未能體現(xiàn)出BIM的優(yōu)勢。

1 項目概況

湖北省科技館新館位于武漢市光谷五路以東、高新大道以北，建筑面積70 300m2，項目由主展館科技館、球幕影院、動力中心三個部分組成，本工程地上四層，局部設夾層，建筑高度51.1m，最大層高17.5m。項目建成后將成為國內(nèi)一流、中部領先的新一代現(xiàn)代化數(shù)字科技館。

湖北省科技館新館項目，采用鋼框架—支撐+跨層桁架+屋面桁架及單層網(wǎng)殼結構。建筑占地為158.4×150m，橫向跨19軸(1-19軸)，縱向跨20軸(A-V軸)。湖北省科技館新館鋼結構主要由五個部分組成：

(1)核心筒鋼結構；

(2)二層以下鋼框架；

(3)二層至三層間環(huán)形跨層主桁架+旋轉(zhuǎn)懸掛結構面；

(4)三、四層鋼桁架；

(5)中庭沉浸影院網(wǎng)殼結構。

具體如下圖1、圖2所示。

圖1 項目鋼結構整體概況圖

圖2 項目層高示意圖

2 基于BIM協(xié)同化設計

2.1 聲學模擬

項目中庭沉浸式影院空間大，且四周圍合，極易產(chǎn)生噪聲與回聲、混響時間長的聲學問題。聲學問題是困擾大型展館建筑的最主要問題之一，此問題直接關系著建筑物使用舒適程度。

基于BIM的虛擬現(xiàn)實技術，在設計階段，通過不斷調(diào)整吊頂和墻面布置吸聲材料的方式提高中庭的整體吸聲量，使聲能可以得到快速的衰減。針對影院設備噪聲對中庭的干擾問題，通過調(diào)整吸聲材料的類別、面積以及鋪設方式，將逸散的聲能吸收。同時有效解決了聲聚焦的聲缺陷。也能夠通過降低中庭內(nèi)部混響時間，提高語言清晰度。通過Revit不斷調(diào)整材料的各項參數(shù)，精確設定各項指標控制值，通過模擬、對比分析、篩選，室內(nèi)混響時間及其頻率特征、語言傳輸參數(shù)以及背景噪聲允許值均滿足對應指標要求。如圖3沉浸影院的混響時間縮短至原始狀態(tài)的1/3，過長的混響時間得到明顯改善。BIM這一關鍵技術的應用，不僅在聲學方面，還能在光學、消防逃生等方面得到很好應用。

圖3 沉浸影院混響時間分布圖

2.2 鋼結構深化設計

項目施工圖設計階段鋼結構規(guī)模為2.5萬t，深化完成后實際的鋼結構規(guī)模為3.5萬t，主要原因是深對節(jié)點的深化時，為確保受力與結構安全，節(jié)點間需增加大量的隔板與牛腿，導致節(jié)點構件異常復雜，由此也說明，深化設計的復雜程度與重要性。經(jīng)過對比分析現(xiàn)階段常見的鋼結構深化設計軟件PKPM、3D3S、MTS、Tekla等[4]，結合項目BIM模型平臺Revit的兼容與項目的復雜程度，本文選擇基于BIM的Tekla深化設計。Tekla能方便、快捷地建出整體模型、能快速建立次梁連接節(jié)點、能準確快捷地導出深化圖紙，由三維模型直接出圖，自動生成材料明細表，全過程實現(xiàn)自動化，能最大程度地減少圖紙錯誤。

2.2.1 深化設計流程

深化設計的節(jié)點構造、放樣、工藝設計、制作、運輸、吊裝等過程在BIM模型文件中可以體現(xiàn)，BIM模型文件是指導工廠加工及現(xiàn)場安裝的有效文件，可以快速導出預埋件構件平面布置圖、構件立面布置圖、零件圖、構件清單、零件清單、螺栓清單等。具體流程如圖4。

圖4 鋼結構深化設計流程

2.2.2 設計加工安裝協(xié)同化

基于BIM的建筑信息共享性，以Revit為平臺，針對所有零構件均能在同一個界面實現(xiàn)設計、加工、施工信息的共享，為工程不同的管理人員提供了不同的查看方式——3D模型、二維圖紙、物料清單表格、數(shù)控管理文件。實現(xiàn)工程數(shù)據(jù)多維度表達，多環(huán)節(jié)使用，如圖5設計、加工與安裝三維度協(xié)同。

圖5 設計、加工與安裝三維度協(xié)同

2.3 設計錯誤識別

省科技館新館項目作為大空間公共建筑，涉及給排水、中水回收、通風、消防、空調(diào)機電等多種專業(yè)，項目的橋架、風管、支架、電纜、給排水管、消防管、空調(diào)管等設備管道眾多，允許安裝的空間有限，如何在有限的空間將不同專業(yè)的管道合理準確設計布置對傳統(tǒng)二維設計難度較大。傳統(tǒng)的二維圖紙設計中，在結構、水暖電等專業(yè)圖紙匯總后，由總圖工程師人工發(fā)現(xiàn)和解決不協(xié)調(diào)問題，對設計人員的技術能力、專業(yè)水平提出較高要求，同時需要大量的時間與精力[5]。采用二維圖紙進行會審，人為的失誤在所難免，使施工出現(xiàn)返工現(xiàn)象，給進度控制與投資控制帶來極大挑戰(zhàn)。

應用BIM技術進行三維管線的碰撞檢查，不但能夠徹底消除硬碰撞、軟碰撞，優(yōu)化工程設計[6]，減少在建筑施工階段可能存在的錯誤和返工的可能性，對空間優(yōu)化，管線、橋架合理排放布局也有很好的功效。工程師可以利用檢測后的效果圖與方案，組織施工交底、模擬施工，極大提高施工質(zhì)量與業(yè)主溝通效率。省科技館新館項目在設計階段，設計各專業(yè)基于Revit平臺，共享項目所有信息，各專業(yè)設計完成后，統(tǒng)一集成在BIM模型中，對全部的構件單元進行碰撞沖突檢測，對有沖突的構建生成檢測報告并標記，根據(jù)檢測報告修改沖突設計，實現(xiàn)“零設計變更”，如圖6碰撞檢測后的設計模型。

圖6 碰撞檢測校核模型

3 基于BIM的數(shù)字化建造

3.1 施工構配件數(shù)字化查詢

基于BIM的協(xié)同化設計，對建筑物每個組成部分進行了參數(shù)化定義，建筑構件具有數(shù)字化唯一屬性，為建筑物組成構件的采購、加工、制作、安裝等環(huán)節(jié)的追溯、管理提供了條件，可實時對建造施工環(huán)節(jié)進行動態(tài)化管理。

根據(jù)構件的不同，將構件材料的物理特性與相關的力學特性用數(shù)字統(tǒng)一分類表示，包括桿件的長度、斷面尺寸、桿件連接角度、節(jié)點連接、焊縫形式，注明構件所在位置，并將構件的具體信息集成為一連串的數(shù)字字符。根據(jù)不同信息屬性，將不同的信息進行歸類，歸口為施工建造密切相關的進度、成本以及模型屬性信息。對具體的材料構件從采購到施工，全過程可追溯，并對與具體的施工時間節(jié)點與造價信息可實施查詢，針對不在計劃時間內(nèi)完成的施工建造構件，可即時預警、即時糾偏。如圖7，構件施工信息查詢顯示示意圖。

圖7 構件施工信息查詢顯示示意圖

3.2 施工構配件數(shù)字化制造

省科技館新館項目鋼結構在建模深化完成后，即進入工廠進行加工制造。BIM模型可以輸出清單文件、NC格式的數(shù)控數(shù)據(jù)文件或DWG格式的圖紙文件。NC格式的數(shù)據(jù)控制文件包含了這個構件的基本尺寸、開孔位置、開槽切割等具體信息。

圖8 構件加工路徑數(shù)字管理

BIM平臺將鋼結構作業(yè)流程細分為十余道數(shù)字化工序，被標記的零構件與加工制作路徑逐一對應，加工制作與施工流程用相應的數(shù)字代碼標記。利用集成的構建信息，生成二維碼，項目和應用車間、安裝工人均能借助掃描等方式對工位路線進行實時動態(tài)反饋，實現(xiàn)對建造的全過程跟蹤，快速識別即將安裝所需的構件，準確定位構件在建筑中的位置，如圖8構件路徑識別。這一關鍵技術的應用，對本項目鋼結構加工制作工期節(jié)約20%。

4 可視化施工管理

湖北省科技館新館施工由于結構復雜，鋼結構規(guī)模大且受力、節(jié)點連接復雜，是一項動態(tài)系統(tǒng)工程。進行虛擬化施工仿真模擬，在可視化的基礎上，制定更加科學、實用的施工方案[7]，預判實際施工中可能發(fā)現(xiàn)的問題，以節(jié)約工期與節(jié)省投資。

4.1 鋼結構施工流程

主體鋼結構安裝開始前對柱腳、埋件進行復測，鋼結構主體安裝主要使用2臺塔吊(D1100-63塔吊70m臂長)和2臺塔吊(ZSC-1000塔吊60m臂長)進行吊裝。堆場和拼裝場地布置4臺50t汽車吊負責構件拼裝及轉(zhuǎn)移。主體結構安裝按照如下施工順序進行安裝：

(1)先裝4個核心筒，后裝跨層主桁架；

(2)先裝角部結構，后裝中部結構；

(3)先徑向，后軸向，具體安裝流程如圖9所示。

圖9 鋼結構安裝流程圖

基于BIM模型，針對流程中包括的每一具體步驟生成詳細的作業(yè)任務書與零構件清單，同時附加詳細的作業(yè)指導想模型，將作業(yè)工人需要通過二維圖紙獲取的施工信息可視化，表達直觀、可重復性高可以實現(xiàn)施工方案的優(yōu)選以及技術交底的演練[8]，極大減少施工中的錯誤、消除隱患。以柱腳預埋施工為例，將該分項工程分為4步驟，通過BIM虛擬化施工技術，將所有步驟可視化，如圖10所示。

圖10 鋼柱腳預埋施工可視化

4.2 可視化虛擬施工

基于BIM的虛擬建造可以在工程建設中對項目的全過程進度進行有效控制。虛擬施工能對實際建造過程中可能發(fā)生的問題進行提前預警，建立提前預警機制，事前修改完善，將可能發(fā)生的問題在事前解決。最終優(yōu)化的進度計劃與施工方案，更好更高效地指導實際項目的實施，提高現(xiàn)場作業(yè)的安全性。項目在鋼結構吊裝施工階段，通過BIM虛擬施工確定材料構件的最佳對方位置、最佳吊裝路徑、最佳的吊裝參數(shù)、以及吊裝工具的匹配，將施工方案可視化，驗證施工方案的可行性，并進行相應調(diào)整。

圖11 結構吊裝虛擬施工

湖北省科技館新館項目在施工期間，存在大量空間交叉作業(yè)，塔吊、汽車吊等空間機械同時吊裝時易產(chǎn)生時空碰撞的風險?；贜AVISWORK的虛擬施工與可視化管理，可將塔吊、汽車吊等機械設備在施工過程中建立相應的危險預警時空，以藍、黃、橙、紅四種顏色分別表示重大風險、較大風險、一般風險、較低風險，代表不同時空范圍內(nèi)的危險。在虛擬施工階段，當施工人員進入不同危險級別的時空范圍時，相應范圍顯示相應顏色預警，預判實際施工階段的安全風險與危險因素，減少實際建造階段的不安全行為。

5 結語

本文詳細介紹了BIM在湖北省科技館新館項目中協(xié)同設計、數(shù)字化制作以及可視化管理方面的研究與應用。闡述了BIM在解決傳統(tǒng)設計、施工很難解決的相關問題方面的應用，以設計階段中的聲學問題、施工建造階段中的鋼結構加工制造、吊裝以及安全風險管理為例，顯示出BIM在大型展館等公共建筑建設中具有很好的應用，在建筑功能、建造效率、智能化施工、施工風險等方面具有很大應用前景。工程實踐表明，BIM在大型展館建筑聲學優(yōu)化方面具有良好的應用，對項目的協(xié)同化設計以及鋼結構數(shù)字化加工制作、建造等環(huán)節(jié)具有可復制性，虛擬建造與可視化施工建立預處理機制，對復雜的展館建設具有切實可行的指導意義，為類似建筑的建設提供一種方法、管理手段和經(jīng)驗。