北京新機(jī)場(chǎng)旅客航站樓及綜合換乘中心鋼結(jié)構(gòu)工程BIM應(yīng)用

(浙江精工鋼結(jié)構(gòu)有限公司，紹興 312030)

1 工程概況

1.1 項(xiàng)目簡(jiǎn)介

該項(xiàng)目位于北京市大興區(qū)榆垡鎮(zhèn)、禮賢鎮(zhèn)和河北省廊坊市廣陽(yáng)區(qū)之間，永定河北岸。作為繼北京首都國(guó)際機(jī)場(chǎng)、北京南苑機(jī)場(chǎng)后的第三個(gè)客運(yùn)機(jī)場(chǎng)，北京新機(jī)場(chǎng)定型為大型國(guó)際航空樞紐。本項(xiàng)目計(jì)劃2025年旅客年吞吐量高達(dá)7 200萬(wàn)人次，貨郵吞吐量200萬(wàn)t以及62萬(wàn)架次的飛機(jī)起降量。北京新機(jī)場(chǎng)最終將建成“三縱一橫”4條跑道、70萬(wàn)m2航站樓以及相應(yīng)的市政配套、航油、空管、貨運(yùn)等生產(chǎn)生活設(shè)備。航站區(qū)南北總長(zhǎng)1 753.4m，東西寬1 591m，建筑總面積103萬(wàn)m2(含地下)，建筑高度約50m，地上五層，地下二層。航站樓核心區(qū)造型猶如展翅的蝴蝶，包含下部主體結(jié)構(gòu)、中部支撐結(jié)構(gòu)及上部鋼屋蓋三大結(jié)構(gòu)。

1.2 工程特點(diǎn)與難點(diǎn)

本項(xiàng)目主要特點(diǎn)：項(xiàng)目總用鋼量高達(dá)13 000t，含有C型柱、支撐筒、門(mén)頭柱及幕墻體系等多類(lèi)型構(gòu)件，與其他專(zhuān)業(yè)間協(xié)調(diào)頻繁以及施工工藝復(fù)雜。

(a)整體項(xiàng)目鳥(niǎo)瞰圖

(b)鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件類(lèi)型圖1 工程概況

本項(xiàng)目主要難點(diǎn)：

(1) 中心區(qū)屋蓋面積大，數(shù)量繁多，施工組織復(fù)雜：屋蓋結(jié)構(gòu)由12 300個(gè)球形節(jié)點(diǎn)和超過(guò)60 000根桿件組成，這對(duì)鋼結(jié)構(gòu)加工及施工的精細(xì)化管理[1]提出新的要求；

(2) C型柱結(jié)構(gòu)復(fù)雜，節(jié)點(diǎn)類(lèi)型多、加工精度要求高：C型柱作為中心區(qū)屋蓋主要支撐結(jié)構(gòu)，柱底通過(guò)三向固定球鉸支座與勁性結(jié)構(gòu)連接，柱頂與上部鋼屋蓋連接為整體，因此如何保證構(gòu)件的加工精度成為關(guān)鍵；

(3) 施工周期短，工期緊張：鋼結(jié)構(gòu)施工節(jié)點(diǎn)工期目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)是確保項(xiàng)目總體施工目標(biāo)的重要前提，如何確保高難度、大面積、大體量鋼結(jié)構(gòu)施工節(jié)點(diǎn)工期目標(biāo)是一大難點(diǎn)。

2 BIM組織與應(yīng)用環(huán)境

2.1 BIM應(yīng)用目標(biāo)

通過(guò)對(duì)北京新機(jī)場(chǎng)項(xiàng)目從深化設(shè)計(jì)、加工生產(chǎn)到施工階段的BIM應(yīng)用的研究，借鑒國(guó)內(nèi)外項(xiàng)目實(shí)施的成功經(jīng)驗(yàn)，有效降低項(xiàng)目運(yùn)營(yíng)成本，提高建造效率，力爭(zhēng)打造鋼結(jié)構(gòu)BIM應(yīng)用標(biāo)桿企業(yè)[2]。

2.2 實(shí)施內(nèi)容

基于本項(xiàng)目BIM應(yīng)用特點(diǎn)，綜合考慮從設(shè)計(jì)優(yōu)化[3]、碰撞檢查[4-5]、施工方案優(yōu)化[6]、虛擬預(yù)拼裝[7]及獨(dú)立開(kāi)發(fā)精工BIM項(xiàng)目管理平臺(tái)[8]等方面進(jìn)行深入應(yīng)用。

2.3 團(tuán)隊(duì)組織

依托我公司技術(shù)中心，專(zhuān)門(mén)設(shè)立BIM應(yīng)用及平臺(tái)開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)，下設(shè)項(xiàng)目總工、BIM項(xiàng)目經(jīng)理、IT開(kāi)發(fā)人員以及多名有經(jīng)驗(yàn)的BIM專(zhuān)業(yè)工程師，多專(zhuān)業(yè)協(xié)同合作[9]。

圖2 BIM組織人員架構(gòu)

2.4 應(yīng)用措施

本項(xiàng)目鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)復(fù)雜，體量龐大，對(duì)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)及施工提出了很大挑戰(zhàn)，為此專(zhuān)門(mén)采取了以下應(yīng)用措施。

(1) 軟件的二次開(kāi)發(fā)：配備專(zhuān)門(mén)的軟件開(kāi)發(fā)人員，針對(duì)建模軟件進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，特別是參數(shù)化建模[10]、IFC信息的提取與編輯、軟件間的格式的相互轉(zhuǎn)化等方面進(jìn)行優(yōu)化處理，例如基于Navisworks軟件開(kāi)發(fā)構(gòu)件IFC信息一鍵提取及命名插件，基于CAD開(kāi)發(fā)三維模型轉(zhuǎn)化插件以及開(kāi)發(fā)Revit模型信息輕量化插件[11]等；

(2) 硬件的配置：針對(duì)項(xiàng)目應(yīng)用中的大型模型的圖形處理，購(gòu)置了專(zhuān)門(mén)的工作服務(wù)站，極大地提升了模型的應(yīng)用速度；

(3) BIM管理平臺(tái)：針對(duì)設(shè)計(jì)、工廠及現(xiàn)場(chǎng)協(xié)同及進(jìn)度追溯不暢的情況，本項(xiàng)目開(kāi)發(fā)擁有自主產(chǎn)權(quán)的項(xiàng)目管理平臺(tái)，基于BIM模型進(jìn)行各專(zhuān)業(yè)間以及各階段的協(xié)調(diào)工作[8]；

(4) 虛擬預(yù)拼裝軟硬件采購(gòu)：采購(gòu)工業(yè)級(jí)三維激光掃描檢測(cè)設(shè)備，基于BIM模型進(jìn)行構(gòu)件預(yù)拼裝技術(shù)，研發(fā)智能化預(yù)拼裝插件等[7]。

2.5 軟硬件環(huán)境

根據(jù)本項(xiàng)目的特點(diǎn)，專(zhuān)門(mén)配置了相關(guān)人才開(kāi)發(fā)之外，對(duì)相應(yīng)BIM軟件[12]也進(jìn)行了采購(gòu)升級(jí)。項(xiàng)目所運(yùn)用軟件及相應(yīng)功能如圖3所示。

圖3 項(xiàng)目應(yīng)用軟件示意

3 BIM應(yīng)用

3.1 BIM建模

項(xiàng)目為超大體量的鋼結(jié)構(gòu)模型，深化模型深度達(dá)LOD400，因此采用分塊建模、模型輕量化、參數(shù)化建模等手段適度降低模型內(nèi)存，提高建模效率，完成的整體鋼結(jié)構(gòu)BIM模型如圖3所示。

3.2 BIM鋼結(jié)構(gòu)深化

利用TEKLA、REVEIT等BIM軟件鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計(jì)，鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計(jì)內(nèi)容包括柱腳、埋件、柱對(duì)接節(jié)點(diǎn)、梁梁節(jié)點(diǎn)、梁柱節(jié)點(diǎn)的細(xì)部尺寸、焊縫坡口尺寸、螺栓排布的深度設(shè)計(jì)以及合理的桿件分段等，深化設(shè)計(jì)后的模型深度達(dá)LOD300～LOD400，深化模型如圖4、圖5所示。

圖4 鋼結(jié)構(gòu)BIM模型示意

圖5 C型柱模型深化圖

3.3 碰撞檢查及優(yōu)化

本工程造型復(fù)雜，桿件眾多，采用BIM協(xié)同一體化設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)，進(jìn)行碰撞檢查及優(yōu)化：一方面進(jìn)行了結(jié)構(gòu)自身的碰撞檢查，提高了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)準(zhǔn)確性，減少了設(shè)計(jì)錯(cuò)誤，另一方面對(duì)一些臨時(shí)措施(支撐架、提升架等)跟結(jié)構(gòu)間的空間位置進(jìn)行事先碰撞分析，避免了施工過(guò)程中出現(xiàn)臨時(shí)措施無(wú)效的情況[4，13]。碰撞示意如圖6所示。

(a)提升架與結(jié)構(gòu)之間碰撞示意

(b)鋼結(jié)構(gòu)間碰撞圖6 碰撞檢查及優(yōu)化示意圖

3.4 施工方案優(yōu)化

運(yùn)用BIM技術(shù)，將BIM模型導(dǎo)入專(zhuān)業(yè)分析軟件，模擬施工安裝過(guò)程，并依據(jù)方案選擇原則：安全可靠、質(zhì)量可控、工期可控、經(jīng)濟(jì)性好、技術(shù)先進(jìn)等方面，進(jìn)行對(duì)比優(yōu)選[14]。部分施工方案優(yōu)化如圖7、圖8所示。

圖7 鋼結(jié)構(gòu)屋蓋施工分區(qū)示意圖

圖8 C2-1區(qū)鋼結(jié)構(gòu)屋蓋施工示意圖

3.5 BIM虛擬預(yù)拼裝

利用高精度的工業(yè)級(jí)三維激光掃描儀，對(duì)實(shí)際鋼構(gòu)件進(jìn)行非接觸式的高精度三維數(shù)據(jù)掃描采集[15]，最后將掃描模型數(shù)據(jù)與BIM模型數(shù)據(jù)對(duì)比分析，得出預(yù)拼裝檢測(cè)報(bào)告，指導(dǎo)工廠加工及現(xiàn)場(chǎng)安裝[16]。

圖9 BIM虛擬預(yù)拼裝示意

3.6 BIM項(xiàng)目管理平臺(tái)

為了更好地追溯項(xiàng)目進(jìn)程以及專(zhuān)業(yè)間協(xié)同設(shè)計(jì)，本項(xiàng)目配備專(zhuān)門(mén)的軟件開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)，基于BIM模型的信息存儲(chǔ)處理，通過(guò)一套特定技術(shù)流程，利用二維碼技術(shù)將物聯(lián)網(wǎng)與BIM模型關(guān)聯(lián)，每個(gè)構(gòu)件上粘貼包含各種信息的二維碼“身份證”，構(gòu)件每到一特定階段(成品入庫(kù)、成品出廠、進(jìn)場(chǎng)驗(yàn)收、安裝完成)，對(duì)應(yīng)環(huán)節(jié)授權(quán)人員用PDA/手機(jī)進(jìn)行掃描，構(gòu)件狀態(tài)實(shí)時(shí)反應(yīng)到BIM模型，在BIM模型中通過(guò)不同顏色的形式展現(xiàn)實(shí)際工程進(jìn)度狀態(tài)，確保項(xiàng)目相關(guān)方實(shí)時(shí)掌握工程進(jìn)度。此外，可根據(jù)客戶(hù)不同需求生成相應(yīng)統(tǒng)計(jì)分析報(bào)表，提高工作效率。通過(guò)整套技術(shù)路徑實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)建筑業(yè)與互聯(lián)網(wǎng)業(yè)完美結(jié)合[17]。

圖10 BIM管理平臺(tái)界面

4 項(xiàng)目應(yīng)用效果

作為國(guó)家“十三五”重點(diǎn)項(xiàng)目， BIM技術(shù)的成功應(yīng)用為本項(xiàng)目的順利實(shí)施提供了有力保障，實(shí)現(xiàn)既定目標(biāo)的同時(shí)兌現(xiàn)了對(duì)客戶(hù)保質(zhì)保量完成精品工程的承諾，其將對(duì)本項(xiàng)目BIM技術(shù)成果具有擴(kuò)散和輻射作用。該項(xiàng)目在實(shí)施過(guò)程利用BIM技術(shù)，特別是對(duì)虛擬預(yù)拼裝、BIM管理平臺(tái)的開(kāi)發(fā)研究上取得較大進(jìn)展。整個(gè)項(xiàng)目中，鋼構(gòu)件配套率達(dá)到95%以上，預(yù)拼裝費(fèi)用降低約50%，預(yù)拼裝工期減少80%以上，公司內(nèi)實(shí)現(xiàn)100%無(wú)紙化項(xiàng)目資料管理，提高項(xiàng)目管理效率約35%，降低管理成本約15%，為人才培養(yǎng)打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，對(duì)以后項(xiàng)目的承接，企業(yè)品牌效應(yīng)的夯實(shí)都有很大幫助。

5 總結(jié)

5.1 創(chuàng)新點(diǎn)

首先通過(guò)二次開(kāi)發(fā)BIM插件，很好地彌補(bǔ)了各軟件間信息傳輸丟失的不足，并且通過(guò)剔除過(guò)程中的冗雜信息，達(dá)到模型輕量化的目的，便于后期針對(duì)所需的模型信息進(jìn)行處理。

同時(shí)基于BIM模型的虛擬預(yù)拼裝技術(shù)的應(yīng)用，在構(gòu)件安裝前期就進(jìn)行了拼裝檢測(cè)，有效地降低了實(shí)體拼裝中的場(chǎng)地占用及措施費(fèi)等成本，提高了構(gòu)件加工精度，支持了項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)安裝的高效進(jìn)行。

最后通過(guò)整合各階段、各參與方的信息數(shù)據(jù)，基于BIM模型開(kāi)發(fā)的項(xiàng)目管理平臺(tái)很好地滿足了項(xiàng)目運(yùn)營(yíng)需求，實(shí)現(xiàn)了無(wú)紙化辦公以及實(shí)時(shí)項(xiàng)目追蹤管理。

5.2 經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)

(1)大體量的BIM模型在不同BIM軟件間基于IFC格式的信息轉(zhuǎn)化有丟失，導(dǎo)致信息提取有問(wèn)題。我們基于軟件提供的API接口，提取我們需要的數(shù)據(jù)信息，很好地滿足了項(xiàng)目需求。

(2)各專(zhuān)業(yè)間的項(xiàng)目協(xié)作仍然落后，導(dǎo)致過(guò)程中重要文件及信息的丟失現(xiàn)象嚴(yán)重，以及模型的變更未能及時(shí)提醒相關(guān)方，導(dǎo)致返工現(xiàn)象。通過(guò)開(kāi)發(fā)BIM項(xiàng)目管理平臺(tái)，有效地打通了上下游專(zhuān)業(yè)的協(xié)同合作，減少了扯皮現(xiàn)象。

(3)建筑行業(yè)的信息化已成為未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)，利用BIM技術(shù)針對(duì)行業(yè)的產(chǎn)業(yè)升級(jí)已成為一種有效手段。