BIM技術在鄭州博物館新館項目的應用

劉 明 王學福 陳 曦 張國文 武 斌

(1.中建三局集團有限公司，武漢 430064； 2.鄭州市建設投資集團有限公司，鄭州 450000)

1 項目概況

1.1 工程概況

鄭州博物館新館總建筑面積約14.7×104m2，地下兩層，地上五層，建筑總高67.797m，建成后為全國第二大博物館。鄭州博物館新館秉承“中華之中、黃帝之冠”的設計理念，以弘揚中原黃帝文化為切入點，凝練鄭州地域特色，將象征黃帝文明的“冕冠”作為設計原型，同時引借聚寶盆的形象語言，提煉出剛勁有力的曲線動勢，生成建筑主體形象，表達中原地區(qū)光輝燦爛的文明歷史。項目結構形式為“勁性鋼骨柱+勁性鋼骨梁+核心筒鋼—砼組合截面剪力墻”混合結構體系，屋面為螺栓球網架與雙向正交鋼管桁架混合結構體系。項目效果圖見圖1。

圖1 鄭州市博物館新館項目效果圖

1.2 項目重難點

(1)設計難度大

建筑造型復雜，屋面為弧形坡面鋼屋面。外立面為弧形幕墻，材料采用雙腔弧形玻璃、異形GRC、陶板、鋁板等構造復雜，北側為弧形碗狀GRC幕墻。鋼結構空間定位難，功能分區(qū)多。

(2)施工復雜

項目含有10個異形勁性核心筒，鋼板剪力墻、鋼管柱等鋼結構異常復雜、鋼結構與鋼筋穿插節(jié)點施工復雜，工程量大。

(3)工期緊

項目需配合全國少數民族運動會投入使用，總工期約20個月，工期緊張。

(4)新技術應用多

共應用建筑業(yè)十項新技術共10大項、39小項，存在大量連梁阻尼器、屈曲約束支撐等新技術。

2 BIM組織與應用環(huán)境

2.1 BIM應用目標

項目BIM應用總體目標為利用BIM技術實現節(jié)約成本、優(yōu)化工期、打造精品工程。

具體實施目標為：

(1)設計施工一體化

強化設計施工一體化融合的工作模式，降低綜合成本。

(2)精細設計

應用BIM技術提前解決了設計問題，提高建筑品質，促進施工。

(3)精益施工

應用BIM技術實現精細化管理。

(4)探索創(chuàng)新應用

圖2 BIM管理組織結構

打造智慧工地，探索VR、物聯(lián)網等技術與BIM的融合應用。

2.2 實施方案

制定項目BIM應用導則(制定BIM應用目標，確定BIM應用應取得的實施效果，明確各方職責)、BIM實施方案(結合項目特點制定具體實施的應用點和實施方法，指導BIM工作落地)、BIM應用制度(制定實行制度，明確獎罰措施，促進管理提升)[1]。

2.3 團隊組織

項目建立以建設單位主導，設計、施工、監(jiān)理、咨詢單位全體參與的BIM管理組織架構，見圖2。

2.4 軟硬件環(huán)境

項目以REVIT2016為核心，用于土建、機電、分包、現場平面布置等模型的創(chuàng)建。TEKLA用于鋼結構模型創(chuàng)建和深化，NAVISWORKS用于進行模型的碰撞檢測，FUZOR、LUMION用于建筑方案設計、模型瀏覽、漫游、動畫、VR應用，MIDAS用于結構設計分析，廣聯(lián)達BIM5D用于項目進度、質量、安全、技術、商務、物資管理，廣聯(lián)達GMJ用于模板、腳手架模型的創(chuàng)建和應用。

硬件方面項目配備相應的計算機、觸屏電腦、大屏電視、VR眼鏡、無人機等。

3 基于BIM的設計管理

設計單位提供滿足施工深化的BIM模型，再通過代表業(yè)主的BIM咨詢單位進行模型二次復核最終達到可進行施工模型深化的設計模型。設計單位起到了承上啟下的作用，既對圖紙負責同時也要配合施工單位完成施工模型。

3.1 設計階段管理措施

在設計階段，設計單位以建設單位的標準為框架，制定了符合要求的建模標準以及行為準則。

在此過程中設計單位需對不同角色人員明確工作內容，優(yōu)化BIM實施流程，明確BIM工作流，量化BIM工作內容，把繁雜的BIM實施有效合理地劃分為單元工作并逐一完成，直指符合項目要求。項目還需明確BIM協(xié)同模式以及拆模原則，為BIM實施人員搭建基本工作環(huán)境。

3.2 設計階段實施難點

(1)鄭州博物館新館項目以皇帝之冠為創(chuàng)作原型，整體建筑造型方案為“黃帝之冠，聚寶之器”，見圖3，超大規(guī)模的建筑體量，大跨度鋼結構設計及定位難度大。

BIM技術實施采用“輔助設計形式”，確保圖紙質量、保證空間使用需求、結構計算要求，提前預判施工問題保證施工進度[2]。

圖3 建筑方案圖

(2)以往工程相關設計較模糊，深化工作容易滯后影響施工。本項目通過BIM參數化設計，加強幕墻前期設計深度，為后期幕墻深化設計及安裝提供精準數據，以保證施工工期、節(jié)約項目實施成本。

針對鋼結構模型，通過BIM參數化建模技術，把計算模型轉換為可進行綜合應用的revit應用模型，以滿足多專業(yè)的使用的需求，見圖4。在設計階段搭建鋼結構屋面BIM模型，確定細部桿件設置，結合外形完成復雜構件的設計及優(yōu)化，解決了以往設計不直觀，深化設計工作滯后等問題。

圖4 鋼結構、幕墻模型

(3)項目的空間使用分區(qū)多達90多個，不同類型的使用空間都需單獨進行凈高分析，考慮底板與頂板之間的高度，影響當前區(qū)域凈高的最大梁高、裝修方案。而后考慮管線安裝空間、維修空間等綜合因素進行管線綜合優(yōu)化和凈高分析，見圖5。

圖5 層高分析表和優(yōu)化模型

4 基于BIM的施工管理

項目開工后，總承包單位作為總協(xié)調方，協(xié)調各單位，牽頭進行BIM技術的引用。

4.1 深化設計

施工階段堅持“誰施工、誰深化”的原則，由總承包單位協(xié)調組織召開施工圖紙、模型評審會議。各分包單位提出相應要求后經總承包單位復核，將整合模型交由分包單位進行深化設計。深化設計結果經多方協(xié)調同意，經建設單位審核通過后，由設計單位進行圖紙蓋章發(fā)送。圖紙經簽收后指導現場施工。本工程經設計院和業(yè)主審核通過深化設計圖紙及材料統(tǒng)計表等文件，共計深化設計圖紙5 600余張[3]。

項目鋼結構與鋼筋穿插復雜施工難度大，通過鋼結構深化模型生成節(jié)點大樣，保證施工高效進行，節(jié)省工期約16天，施工費用67.7萬元，形成一項河南省級工法，獲得河南省級QC一等獎。

4.2 施工管理應用

施工階段項目通過BIM、云平臺、大數據、物聯(lián)網、智能設備等新技術實現了項目的精細化管理，項目基于BIM模型及數據開展日常管理工作，包括進度、質量、安全、成本等各個環(huán)節(jié)，同時項目采用基于BIM的協(xié)同平臺進行項目的管理，解決了以往溝通效率底、數據存儲難等問題[4]。

(1)總平面管理

項目場地情況復雜：四個中心多項目同時施工，周邊管廊、地鐵、道路同步開挖，且現場場地狹小，無法形成環(huán)形道路。項目應用BIM技術進行場地模型建立，分階段總平面布置(見圖6)，精細化臨建模型提量。相關溝通決策效率提高80%，保證了總平面布置合理高效且將臨建成本控制在合同額1%以內。

圖6 各階段總平面布置

(2)模架設計

項目高支模架體面積達1.4×104m2，最高搭設高度達24m，部分為階梯狀變化高支模架體，搭設復雜。通過模架軟件設計，優(yōu)化布置，三維交底指導現場施工。生成配料單，精細化模架的材料用量，較常規(guī)測算節(jié)省了約9萬元周轉材料租賃費用。

(3)幕墻施工

從BIM模型中創(chuàng)建放樣點導入軟件中，使用BIM放樣機器人進行點位放樣。BIM放樣機器人通過發(fā)射紅外激光自動照準現實點位，從而將BIM模型精確的反應到施工現場，保證施工精度，提高效率。

GRC幕墻板的生產通過建立幕墻深化BIM模型導入三維數控雕刻機，雕刻機讀取數據進行模具加工，保證構件加工樣式、紋理符合設計和現場安裝要求。

GRC幕墻板的安裝通過模擬吊裝施工確定安裝順序，指導現場施工，保證現場施工合理高效，見圖8。

圖7 測量控制點位

圖8 模擬施工

(4)砌體排版

為避免砌體材料浪費，利用BIM排磚技術出具砌體排版圖，墻體面積約7 300m2，并結合現場管控，將砌體損耗率由傳統(tǒng)7%降至2%。

首先由土建和機電綜合模型通過REVIT插件進行一鍵留洞，已經按照要求進行留洞的墻體導入BIM5D軟件中進行虛擬排磚。現場安裝排磚圖進行加工和砌筑、驗收。

(5)資料管理

項目技術資料上傳云平臺，可以用手機、網頁進行查看。根據施工方案制作工藝庫，所有人員隨時可以通過手機下載查看，截至目前訪問、下載量達8350余次。

(6)計劃管理

建立基于BIM的計劃管理流程，見圖9。首先通過模擬施工編制總計劃，由總計劃推出工作計劃。在計劃落實過程中，將計劃和實際對比，根據現場完成情況調配人員和材料等資源進行流水段精細化管理。相關數據上傳云平臺，在每周的生產例會上對完成情況進行通報，督促相關工作的落實。

人人有責、層層考核、及時激勵，建立完善的計劃管理體系，也是深入貫徹全員績效考核的基礎。本項目為四個中心開工最晚項目，目前實體進度已追趕上其他項目。

圖9 基于BIM的計劃管理流程

(7)質量管理

項目平面面積大，質量管理繁雜，項目基于工程BIM模型進行質量安全問題的收集和追蹤，全員納入系統(tǒng)，建立了完善的質量安全管理流程模式，見圖10。

圖10 基于BIM的質量管理

原本需2～3天才能整改完成的任務，本項目平均需1天即可完成，問題解決率達94%，較常規(guī)項目提高13%。

平臺打通線上線下，自動生成整改單和質量情況分析，也可在會議上進行匯報。

(8)安全管理

安全管理不僅應用了質量管理的流程和方法，還增加了其他應用。在大型設備、危險源附近設置巡更點，巡更點處設置可掃描的二維碼。巡查人員定期對巡更點進行檢查，通過掃描二維碼將檢查電子信息錄入，詳實反饋檢查情況。項目配備VR安全教育設備，加強安全管理工作。

(9)商務管理

項目對模型進行流水段劃分，結合BIM模型物資提量，并將各流水段模型與進度計劃精確關聯(lián)，分析得出了項目每個月的材料計劃[5]。

如項目對混凝土進行限額領料，通過模型工程量嚴格控制分包的材料損耗，同時現場通過智能地磅實時監(jiān)控材料進出場。每次澆筑混凝土均嚴格將損耗控制在偏差范圍內。項目商務部每月將物資計劃量、模型工程量、實際消耗量進行對比分析，并得出了資源三算分析表，控制混凝土節(jié)約率在1.3%。實現了項目的資源動態(tài)管控。

(10)其他應用

項目聯(lián)合BIM技術探索智慧工地技術應用，采用智慧工地云平臺結合BIM5D，確保工期、勞務、質量、安全、環(huán)境管理全覆蓋，大力推動綠色施工新技術創(chuàng)新應用。項目建立智慧云平臺，將監(jiān)控攝像、巡更系統(tǒng)、塔機監(jiān)控、揚塵檢測、BIM5D等各項系統(tǒng)集成、數據共享，通過平臺可實時監(jiān)控項目塔吊運行、施工用水用電、勞動力人數、現場進度及安全質量問題，保證施工現場管理便捷高效。

對施工的零構件粘貼系統(tǒng)自動生成的零構件二維碼，在完成相應工位的施工后，進行條碼掃描，可將構件當前狀態(tài)反饋到系統(tǒng)中，形成快遞式管理。

5 項目應用效果

通過BIM技術在設計階段的應用，已測算的設計時間效益為75天，現場施工時間效益為80天，間接效益約480萬元。

通過BIM技術在施工階段的應用，直接經濟效益為131萬，現場施工時間效益為51天，間接效益約1 530萬元。

6 總結

本文闡述了BIM技術在在鄭州博物館新館項目的應用。項目建立由業(yè)主驅動，全過程、多參與方協(xié)同的BIM實施體系，形成了設計BIM向施工BIM過渡的方法經驗，總結了BIM與施工生產業(yè)務流程相融合的管理模式。

6.1 創(chuàng)新點

(1)設計階段復雜鋼結構的空間定位為施工提供了有力支撐，推動設計施工一體化，沒有進行二次建模；(2)曲面幕墻的“深化+加工+施工”技術保證現場施工和設計模型的高度契合，促進項目優(yōu)質建造； (3)基于BIM的“進度+資源+工作”計劃管理實現了項目的精細化管理，保證了節(jié)約成本、優(yōu)化工期、打造精品工程的目標。

6.2 經驗

(1)建設單位如不配備相關BIM人員需委托具有相應實力的咨詢單位進行輔助管理；(2)設計單位的分工和拆模工作需提早進行劃分； (3)施工單位的BIM技術應用最好在開工階段就進行明確； (4)各參建單位的BIM應用實力需接近，否則相關協(xié)調工作量大。