BIM技術(shù)在援塞內(nèi)加爾摔跤館施工中的應(yīng)用

張明亮1, 2 劉著群3 劉兆榮3 張業(yè)豪3 劉 維

(1.湖南建工集團(tuán)有限公司，長沙 410004； 2.湖南省建筑施工技術(shù)研究所，長沙 410004；3.湖南省第六工程有限公司，長沙 410015)

BIM(Building Information Modeling)技術(shù)具有可視化、協(xié)調(diào)性、模擬性、優(yōu)化性和可出圖性等特點，是傳統(tǒng)建造模式與信息技術(shù)的結(jié)合物，建造過程中的各種信息、主輔材用量、工藝過程、造價甚至力學(xué)特征等都能在模型里表達(dá)，還可以通過真實性模擬和建筑可視化來更好地溝通，以便讓項目各方了解工期、現(xiàn)場實時情況、成本和環(huán)境影響等項目基本信息。BIM技術(shù)越來越受到項目建設(shè)各方的認(rèn)可與接受，部分省市建設(shè)主管部門更出臺了相關(guān)的BIM技術(shù)應(yīng)用政策要求。本文根據(jù)BIM技術(shù)的特點，結(jié)合援塞內(nèi)加爾摔跤館建設(shè)工程的實際施工情況，從鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計與施工、機(jī)電安裝、裝飾裝修以及BIM5D管控平臺等方面進(jìn)行了介紹。通過BIM技術(shù)的應(yīng)用，取得了較好的經(jīng)濟(jì)與社會效益，對類似工程的BIM技術(shù)應(yīng)用具有一定的指導(dǎo)意義。

1 工程概況

塞內(nèi)加爾競技摔跤場項目是中國政府“一帶一路”援建項目，工程地點位于塞內(nèi)加爾共和國首都達(dá)喀爾市皮金區(qū)內(nèi)，總建筑面積約1.8萬m2，場館地上三層。摔跤管由南向、北向、西向三部分看臺組成，可同時容納2萬名觀眾全方位、全視角觀看比賽。屋蓋罩棚結(jié)構(gòu)為空間管桁架結(jié)構(gòu)，中間高兩邊底，中間寬兩邊窄； 鋼結(jié)構(gòu)罩棚最高點高度50.5m，縱向跨度為206.9m，橫向跨度45mm，向外呈現(xiàn)為“金腰帶”的形狀，是西非地區(qū)跨度最大、結(jié)構(gòu)最復(fù)雜的鋼桁架結(jié)構(gòu)工程。工程效果圖如圖1所示。

圖1 工程效果圖

2 施工難點特點

本工程的施工難點特點主要為：

(1)結(jié)構(gòu)新穎獨特，加工難度大：前拱主桁架為疊層桁架，截面為倒梯形，沿南北方向布置，跨度約209m，拱高50m，主桁架上邊長約4m，下邊長約8m，高度約4m，支承于基礎(chǔ)混凝土支座上。后拱主桁架為倒三角桁架，沿南北布置，跨度約250m，拱高約28m，支承在西看臺8個勁性混凝土鋼柱上。鋼結(jié)構(gòu)桿件數(shù)量種類多(2 600多件)，曲率半徑各不相同，冷彎加工難度很大。屋面管桁架管材為無縫鋼管，管材規(guī)格共計達(dá)17種。

(2)施工現(xiàn)場條件復(fù)雜，拼裝難度大、焊接量大：現(xiàn)場多為沙地，施工場地狹小，導(dǎo)致拼裝難度很大。

(3)現(xiàn)場氣候環(huán)境差，施工難度大：項目地處達(dá)喀爾熱帶海洋氣候帶中，全年分旱季、雨季； 常年風(fēng)速較大，施工氣候環(huán)境較差； 在施工期間，為確保工程質(zhì)量，需做大量防風(fēng)、防雨措施，給現(xiàn)場施工帶來了很大難度。

(4)吊裝工況多，高空焊接量大：主次桁架49榀，每榀重量、長度、吊裝位置各異； 高空對接、精準(zhǔn)就位，難度大； 高空焊接工程量大，全位置焊接難度大。

(5)屋面及風(fēng)檐板系統(tǒng)為雙曲面，加工安裝技術(shù)要求高、難度大：屋面展開面積約1.15萬m2，呈空間曲面，暗扣式直立鎖邊屋面板； 屋面T型支座安裝需采用全站儀放線放點，安裝技術(shù)要求高、安裝難度大。前后拱封檐系統(tǒng)為雙曲面空間立體結(jié)構(gòu)，封檐板加工安裝技術(shù)要求高，施工難度很大。

(6)施工管理難度大：專業(yè)齊全，技術(shù)要求高，各類專業(yè)施工單位多，施工區(qū)域和施工內(nèi)容眾多，施工工序搭接頻繁，現(xiàn)場立體交叉作業(yè)普遍，在同一區(qū)域存在大量交叉作業(yè)現(xiàn)象，需要合理安排施工順序和部位，作好項目協(xié)調(diào)配合工作[1-4]。

3 BIM技術(shù)應(yīng)用

本工程在施工前建立了BIM模型并利用BIM技術(shù)對鋼結(jié)構(gòu)的施工方案進(jìn)行比選、鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計加工、安裝工程與裝飾裝修工程深化設(shè)計、材料管控來解決施工技術(shù)與成本上的問題，通過施工方案模擬交底及BIM5D平臺管理來解決我方與塞內(nèi)加爾雙方人員之間的溝通及現(xiàn)場管理問題。

3.1 施工方案比選

本工程罩棚鋼拱架及次桁梁安裝最大高度分別為50.46m、28.75m，主拱、后拱及次桁架共約820t，結(jié)構(gòu)桿件數(shù)量眾多，自重較大，一般可采用分段提升法、液壓同步提升法、高空散裝法進(jìn)行施工。針對以上三種施工方法，項目技術(shù)人員利用BIM技術(shù)進(jìn)行模擬，對比分析，考慮到項目的工期、場布、安全、成本、施工質(zhì)量等客觀因素后，最終選用工期有保障、成本合理的分段吊裝法進(jìn)行施工(圖2)。

圖2 施工場布BIM模型

3.2 鋼結(jié)構(gòu)深化加工

3.2.1 鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點深化設(shè)計

通過創(chuàng)建鋼結(jié)構(gòu)的BIM模型，對鋼結(jié)構(gòu)細(xì)部節(jié)點進(jìn)行設(shè)計，并自動生成鋼結(jié)構(gòu)深化節(jié)點詳圖，用于構(gòu)件工廠加工下料。

3.2.2 CNC自動化加工

將BIM深化設(shè)計完后的模型導(dǎo)出CNC文件，用于相貫線生產(chǎn)，解決了傳統(tǒng)手工切割無法保證空間彎管相貫線精確放樣和焊接坡口的準(zhǔn)確制作難題，保證了空間管桁架的準(zhǔn)確定位和制作精度(圖3)。

(a)CNC加工圖

(b)構(gòu)件切割成品圖3 鋼桁架構(gòu)件下料

3.2.3 勁性鋼柱預(yù)留孔

根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計圖紙建立勁性鋼柱復(fù)雜節(jié)點模型，同時布上鋼筋模型，分析可能存在的碰撞點，將預(yù)留孔位置導(dǎo)入CNC自動加工機(jī)床。在型鋼上設(shè)置鋼筋預(yù)留洞口，來確定梁柱節(jié)點的鋼筋擺放位置與交叉焊接點(圖4)。

圖4 勁性鋼柱節(jié)點模型

3.3 施工技術(shù)三維模擬交底

本項目現(xiàn)場施工人員由中國和塞內(nèi)加爾兩國人員組成，工作中的語言溝通成為本項目的一大難點。項目技術(shù)人員對關(guān)鍵施工方法及工藝，采用BIM技術(shù)三維可視化交底，不僅降低了工作人員對方案理解的難度，更大大提高了兩國之間的溝通效率，為項目順利實施打下了堅實的基礎(chǔ)。

3.3.1 鋼結(jié)構(gòu)吊裝施工交底

本罩棚桁架安裝選用兩臺280t履帶吊車，一內(nèi)一外； 現(xiàn)場地面拼裝，選用兩臺50t汽車吊預(yù)拼、卸貨及材料倒運； 在本桁架施工過程中，材料堆放、拼裝場地均設(shè)在汽車吊施工范圍之內(nèi)(圖5)。

圖5 主體結(jié)構(gòu)施工模型

由于罩棚鋼結(jié)構(gòu)安裝涉及臨時支撐架的安拆、結(jié)構(gòu)主拱桁架、次桁架、連系桁架等的分段吊裝，施工工藝復(fù)雜，工序繁多，采用BIM技術(shù)的吊裝交底，提高了施工工效，同時也保障了施工質(zhì)量與安全[5]。

3.3.3 鋼結(jié)構(gòu)二維碼交底

因本項目非標(biāo)件量占比較大，不僅出廠管理容易出錯，運送至現(xiàn)場安裝也會給工人帶來諸多困擾。為解決此問題，特采用二維碼貼條進(jìn)行制作管理和安裝交底，制作過程通過二維碼信息進(jìn)行統(tǒng)籌管理； 到施工現(xiàn)場后工人通過手機(jī)掃描即可讀取構(gòu)件二維碼信息，作業(yè)人員根據(jù)二維碼信息進(jìn)行零件組裝構(gòu)件，最后再進(jìn)行分段吊裝施工(圖6)。

圖6 二維碼技術(shù)應(yīng)用

3.3.3 拱腳基礎(chǔ)基坑施工交底

先進(jìn)行旋挖樁施工，再使用旋噴樁填充樁之間的空隙，起到基坑支護(hù)的同時形成整體止水帷幕，坑內(nèi)設(shè)置支撐，第一層為鋼筋混凝土支撐，第二、三層為可拆卸鋼支撐。依次分層進(jìn)行土方開挖至設(shè)計底標(biāo)高，開挖一層支護(hù)一層(圖7)。

圖7 拱腳基礎(chǔ)基坑模型

3.3.4 混凝土斜柱工藝模擬

本項目看臺外圍柱為28根混凝土斜柱，高18m，截面尺寸為1.2m×0.7m，向外傾斜角度為16°。搭設(shè)滿堂腳手架進(jìn)行支撐，斜柱范圍內(nèi)的架體需要局部加強(qiáng)，并滿布豎向剪刀撐。斜柱分六次澆筑，每次澆筑3m高，因在澆筑混凝土的過程中產(chǎn)生的水平荷載，需在樓板看臺的適當(dāng)位置采用鋼絲繩斜向拉結(jié)，滿足支模架體的穩(wěn)定性要求[6](圖8)。

圖8 混凝土斜立柱施工模型

3.4 機(jī)電安裝BIM深化設(shè)計

本項目的國內(nèi)技術(shù)團(tuán)隊建立機(jī)電安裝專業(yè)深化設(shè)計、優(yōu)化BIM模型，通過管線綜合、預(yù)留預(yù)埋、凈高優(yōu)化等應(yīng)用，消除各專業(yè)碰撞問題。施工現(xiàn)場BIM人員將根據(jù)實際情況進(jìn)行模型跟蹤維護(hù)與調(diào)整，同時在維修洞口、室內(nèi)裝修、安裝面板、燈具排布等方面進(jìn)行應(yīng)用，并導(dǎo)出圖紙指導(dǎo)現(xiàn)場施工[7-13](圖9)。

(a)機(jī)電管線綜合模型 (b)水泵房模型 (c)過道管線綜合圖圖9 機(jī)電安裝專業(yè)模型

3.5 裝飾裝修BIM深化設(shè)計

3.5.1 鋪磚排布

為減少材料浪費，保證裝飾質(zhì)量，利用BIM技術(shù)提前進(jìn)行鋪磚排布，制作三維工藝交底，指導(dǎo)現(xiàn)場施工(圖10)。

3.5.2 座椅排布

針對現(xiàn)場座椅排布問題，從兩方面著手解決：一方面，安排人員與國家商務(wù)部、設(shè)計院、塞內(nèi)加爾國家體育部溝通，多方協(xié)同解決； 另一方面，由現(xiàn)場確定座椅尺寸，國內(nèi)技術(shù)團(tuán)隊利用BIM進(jìn)行座椅排布，力爭采用最合理的排布方式擺放盡量多的座椅(圖11)。

圖10 鋪磚排布模型

圖11 看臺座椅排布模型

3.6 BIM5D平臺管理

3.6.1 材料管理計劃

由于賽內(nèi)加爾項目地域的特殊性，材料需提前4個月從國內(nèi)制定計劃、購買、運輸，材料計劃尤為重要。利用BIM5D物資查詢功能，制定符合實際的鋼筋、鋼結(jié)構(gòu)等主材計劃單，與傳統(tǒng)下料單進(jìn)行比較分析，作出精確的階段材料計劃單，確保施工現(xiàn)場材料供應(yīng)，保證施工進(jìn)度(圖12)。

圖12 鋼筋下料截圖

3.6.2 BIM5D管控平臺

將計劃進(jìn)度與現(xiàn)場實際進(jìn)度導(dǎo)入BIM5D平臺進(jìn)行對比，找出偏差，分析原因，合理規(guī)劃后續(xù)進(jìn)度。在材料供應(yīng)得以保障的前提下，對比整個項目土建進(jìn)度，共調(diào)整4次，提前26天完成項目施工(圖13)。

圖13 施工進(jìn)度模擬

3.7 其他方面應(yīng)用

在編制大體積混凝土施工方案前對拱腳基礎(chǔ)模型進(jìn)行水化熱模擬分析，多次模擬后選出冷卻水管最佳布置方案，為方案編制提供可靠依據(jù)，確保施工方案的科學(xué)合理性(圖14)。

圖14 拱腳混凝土基礎(chǔ)水化熱模擬

本工程看臺樓板均為弧形階梯樓板，測量放樣定位困難，技術(shù)人員根據(jù)施工圖紙，建立精確結(jié)構(gòu)模型，在模型中可以得到任意位置剖切，獲取三維坐標(biāo)，將坐標(biāo)導(dǎo)入全站儀，方便測量控制及復(fù)核，便于施工交底，確保支模架一次性搭設(shè)成功，減少人材機(jī)的浪費(圖15)。

圖15 看臺混凝土高支模模型

4 結(jié)語

援塞內(nèi)加爾摔跤館建設(shè)工程在施工過程中利用BIM技術(shù)進(jìn)行了罩棚屋蓋鋼結(jié)構(gòu)方案比選、鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計與加工、機(jī)電安裝深化設(shè)計、裝飾裝修深化設(shè)計、材料管控來解決技術(shù)與成本上的問題，通過施工過程模擬交底及BIM5D平臺管理來解決我方人員與塞內(nèi)加爾外方人員之間的溝通及現(xiàn)場管理問題，科學(xué)地指導(dǎo)了現(xiàn)場施工。通過BIM技術(shù)的應(yīng)用，取得了較好的經(jīng)濟(jì)與社會效益，可為類似工程的施工提供經(jīng)驗和參考。

隨著國家“一帶一路”戰(zhàn)略的實施，湖南建工集團(tuán)海外市場得到了進(jìn)一步開拓，承接項目逐年遞增，集團(tuán)將繼續(xù)不斷利用BIM技術(shù)指導(dǎo)施工，擴(kuò)充完善BIM族庫的建立，并利用BIM技術(shù)開發(fā)平臺，逐步實現(xiàn)海外的項目的智能管控。