國(guó)家速滑館項(xiàng)目基于BIM的智慧建造實(shí)踐

文/北京城建集團(tuán)有限責(zé)任公司 張 怡 蘇李淵 史自衛(wèi) 駱建坡 唐馨庭

1 國(guó)家速滑館項(xiàng)目概況

1.1 項(xiàng)目簡(jiǎn)介

國(guó)家速滑館工程北臨國(guó)家網(wǎng)球中心，西臨林萃路，是2022年冬奧會(huì)重要的比賽場(chǎng)館（見(jiàn)圖1）。國(guó)家速滑館建筑面積約9.7萬(wàn)m2，主場(chǎng)館外輪廓線(xiàn)投影呈橢圓形，南北長(zhǎng)約240m、東西寬約178m，地下2層，地上3層，檐口高度15.4～33.8m，總坐席12058座。國(guó)家速滑館外立面幕墻由22根曲線(xiàn)環(huán)形玻璃環(huán)繞而成，形成美輪美奐的“冰絲帶”，營(yíng)造出冰與速度的完美結(jié)合。建成后將與“鳥(niǎo)巢”“水立方”分別象征“冰”“火”“水”在奧運(yùn)賽區(qū)交相輝映，共同組成北京這座世界首個(gè)“雙奧之城”的標(biāo)志性建筑群。

1.2 工程重難點(diǎn)

1）社會(huì)關(guān)注度高 作為2022年冬奧會(huì)最重要的標(biāo)志性比賽場(chǎng)館，項(xiàng)目自開(kāi)工以來(lái)受到社會(huì)高度關(guān)注。

2）工期異常緊張 合同工期僅2年，而國(guó)內(nèi)外類(lèi)似工程一般為3～5年。如何在高難度的前提下按時(shí)高標(biāo)準(zhǔn)完成建設(shè)任務(wù)，是項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)面對(duì)的巨大挑戰(zhàn)。

3）施工難度大 多標(biāo)高多規(guī)格復(fù)雜群嵌套基槽、大型傾斜型鋼-混凝土組合異形勁性結(jié)構(gòu)、全國(guó)首例弧形預(yù)制看臺(tái)板、大跨度空間雙曲馬鞍形屋蓋環(huán)桁架、國(guó)內(nèi)最大跨度單層雙向正交馬鞍形屋面索網(wǎng)、天壇型曲面玻璃幕墻、單元式柔性屋面等是工程施工面臨的一系列技術(shù)難題。

圖1 國(guó)家速滑館項(xiàng)目效果

4）質(zhì)量安全標(biāo)準(zhǔn)高 工程質(zhì)量需確保中國(guó)建筑工程鋼結(jié)構(gòu)金獎(jiǎng)和中國(guó)建設(shè)工程魯班獎(jiǎng)，安全生產(chǎn)創(chuàng)建全國(guó)建設(shè)工程項(xiàng)目施工安全生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化工地。

2 項(xiàng)目實(shí)施策劃

2.1 采用BIM技術(shù)的原因

1）工程造型復(fù)雜、難度大、工期緊，通過(guò)在深化設(shè)計(jì)、加工、施工階段應(yīng)用BIM技術(shù)，實(shí)現(xiàn)工程精準(zhǔn)、高效建造。

2）項(xiàng)目參與方眾多，通過(guò)總承包BIM管理，實(shí)現(xiàn)對(duì)項(xiàng)目進(jìn)度、技術(shù)、質(zhì)量、安全等方面的智慧、協(xié)同管理。

3）利用以BIM為核心的信息化技術(shù)助力智慧建造，并為未來(lái)智慧場(chǎng)館運(yùn)營(yíng)奠定基礎(chǔ)（智慧工地→智慧建造→智慧場(chǎng)館）。

2.2 項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)構(gòu)架

本工程基于BIM的智慧建造由項(xiàng)目執(zhí)行經(jīng)理牽頭，項(xiàng)目總工程師分管，機(jī)關(guān)BIM中心協(xié)助指導(dǎo)，項(xiàng)目BIM中心主任負(fù)責(zé)制定BIM實(shí)施導(dǎo)則并落實(shí)。項(xiàng)目BIM中心進(jìn)行總承包自施范圍內(nèi)模型創(chuàng)建工作及對(duì)各專(zhuān)業(yè)分包實(shí)施總承包BIM管理。專(zhuān)業(yè)分包BIM工程師人數(shù)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需要和實(shí)施階段進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。

3 BIM技術(shù)應(yīng)用

3.1 BIM建模輔助圖審

1）混凝土結(jié)構(gòu)建模 土方開(kāi)挖前，在東南管溝建模過(guò)程中發(fā)現(xiàn)筏板與管溝層頂板發(fā)生沖突，及時(shí)反饋給設(shè)計(jì)，將問(wèn)題解決在槽底土方開(kāi)挖之前，避免了土方、混凝土返工，節(jié)約工期和成本。

2）看臺(tái)結(jié)構(gòu)建模 通過(guò)對(duì)預(yù)制看臺(tái)建模，發(fā)現(xiàn)東北、西北、東南、西南角位置處踏步標(biāo)高繁多且不確定。考慮到預(yù)制難度，通過(guò)與設(shè)計(jì)溝通改為現(xiàn)澆看臺(tái)，減少開(kāi)模數(shù)量，并經(jīng)過(guò)標(biāo)高優(yōu)化，最終保障了造型和功能。

3）室外管道建模 通過(guò)建立室外市政管道模型，發(fā)現(xiàn)部分市政管道需從現(xiàn)有臨建下方穿過(guò)，涉及臨建拆除或移動(dòng)。將該問(wèn)題與設(shè)計(jì)溝通后進(jìn)行避讓優(yōu)化，節(jié)約了施工成本。

3.2 基于BIM的深化設(shè)計(jì)

1）鋼結(jié)構(gòu)BIM深化 鋼結(jié)構(gòu)深化范圍主要為勁性結(jié)構(gòu)鋼骨、鋼環(huán)桁架、臨時(shí)看臺(tái)鋼結(jié)構(gòu)和檢修馬道。鋼結(jié)構(gòu)深化過(guò)程中發(fā)現(xiàn)部分幕墻撐桿節(jié)點(diǎn)與桁架桿件相貫節(jié)點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)焊縫碰撞，經(jīng)設(shè)計(jì)同意后調(diào)整桿件位置；并發(fā)現(xiàn)天窗梁牛腿與屋面索牛腿有沖突，經(jīng)設(shè)計(jì)同意調(diào)整天窗梁位置以避讓屋面索牛腿。

2）索結(jié)構(gòu)BIM深化 索結(jié)構(gòu)深化范圍主要為連接耳板設(shè)計(jì)、提升張拉工裝設(shè)計(jì)。對(duì)承重索提升工裝、承重索張拉工裝、穩(wěn)定索張拉工裝進(jìn)行三維實(shí)體放樣，以保證滿(mǎn)足提升和張拉施工構(gòu)造的需要。

3.3 BIM算量輔助人、機(jī)、料準(zhǔn)備

由于土建結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，特別是不同標(biāo)高筏板之間的高低跨連接處及多處嵌套坑之間連接處構(gòu)造極其復(fù)雜，傳統(tǒng)手工算量困難且繁瑣。將施工模型依據(jù)流水段劃分，得出各流水段理論凈混凝土方量，并在該流水段施工前將方量報(bào)至工程部，為人、機(jī)、料等施工部署提供參考。

3.4 三維可視化交底

3.4.1 多標(biāo)高、多規(guī)格復(fù)雜群嵌套基槽

國(guó)家速滑館基槽極其復(fù)雜，變標(biāo)高多，最高-6.700m，最低-15.800m，基槽最深處落差達(dá)7.700m。且基槽中包含大量多規(guī)格電梯井、集水坑，形成“大坑套小坑”的復(fù)雜群嵌套基槽。項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)通過(guò)建立開(kāi)槽BIM模型，優(yōu)化開(kāi)槽圖設(shè)計(jì)，生成可直觀(guān)理解的三維開(kāi)槽施工模型（見(jiàn)圖2）。模型制作完成后對(duì)施工隊(duì)進(jìn)行三維可視化交底，直觀(guān)展現(xiàn)開(kāi)槽施工的最終狀態(tài)；導(dǎo)出復(fù)雜區(qū)域槽頂?shù)走吔琰c(diǎn)x、y、z坐標(biāo)，利用全站儀復(fù)核，確保開(kāi)槽精度。

3.4.2 大型傾斜型鋼-混凝土組合異形勁性結(jié)構(gòu)

國(guó)家速滑館異形勁性斜柱由混凝土和超規(guī)格型鋼組成，截面隨高度改變，形狀不規(guī)則，地面以上柱體背向場(chǎng)館傾斜。環(huán)場(chǎng)館一周的勁性柱共48根，與水平面夾角為70.84°～76.09°。因勁性柱節(jié)點(diǎn)極其復(fù)雜，鋼筋規(guī)格多樣、穿筋復(fù)雜，利用柱帽穿筋工藝模擬，幫助管理人員和現(xiàn)場(chǎng)工人掌握施工工序，提高施工效率，節(jié)省施工成本（見(jiàn)圖3）。

3.5 三維可視化施工進(jìn)度管理

針對(duì)施工周期短、工期緊等問(wèn)題，研發(fā)了針對(duì)本工程的智建SaaS化管理平臺(tái)。通過(guò)將Project計(jì)劃進(jìn)度關(guān)聯(lián)到多維信息的輕量化云端BIM模型，工程師現(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù)、拍攝照片并實(shí)時(shí)上傳，實(shí)現(xiàn)實(shí)際進(jìn)度與計(jì)劃進(jìn)度實(shí)時(shí)對(duì)比、多層級(jí)進(jìn)度信息展示、關(guān)鍵線(xiàn)路及里程碑節(jié)點(diǎn)管控、輕量化三維模型施工進(jìn)度管理。施工管理人員可通過(guò)計(jì)算機(jī)端、手機(jī)微信端直觀(guān)掌握工程建設(shè)進(jìn)度情況，輔助調(diào)配現(xiàn)場(chǎng)人、機(jī)、料等資源。

4 基于BIM的智慧建造

4.1 全國(guó)首例弧形清水預(yù)制看臺(tái)板

國(guó)家速滑館看臺(tái)板首次采用弧形預(yù)制技術(shù)，并采用再生骨料混凝土。清水混凝土看臺(tái)構(gòu)件主要用于地下室樓梯、下層看臺(tái)和上層看臺(tái)3個(gè)區(qū)域，共1911塊、331個(gè)規(guī)格。

在深化設(shè)計(jì)時(shí)統(tǒng)籌協(xié)調(diào)機(jī)電、轉(zhuǎn)播機(jī)位的預(yù)留預(yù)埋，基于BIM技術(shù)對(duì)看臺(tái)板截面和構(gòu)造進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化定型設(shè)計(jì)；特制鋼模板進(jìn)行構(gòu)件加工，保證澆筑構(gòu)件的尺寸精度和成型質(zhì)量（見(jiàn)圖4）。針對(duì)再生骨料堆石混凝土、裝配式再生混凝土構(gòu)件制備及結(jié)構(gòu)、預(yù)制再生清水混凝土看臺(tái)板性能等，項(xiàng)目聯(lián)合清華大學(xué)、北京工業(yè)大學(xué)、河北工業(yè)大學(xué)等進(jìn)行科技攻關(guān)。

圖2 群嵌套基槽BIM模型

圖3 勁性柱連接節(jié)點(diǎn)三維交底

圖4 多專(zhuān)業(yè)集成預(yù)制看臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)效果

4.2 大跨度空間雙曲馬鞍形屋蓋環(huán)桁架

鋼環(huán)桁架平面投影外形尺寸為226m×153m，節(jié)點(diǎn)采用管-管相貫焊接形式連接，包括328根主弦桿和2220根腹桿，總重約8500t。截面為組合式桁架，包括7根主弦桿和12根腹桿。桿件截面規(guī)格多樣，弦桿截面尺寸大，鋼管最大截面尺寸為1600mm×60mm。

本工程環(huán)桁架采取“南北區(qū)吊裝+東西區(qū)滑移”的總體施工方案（見(jiàn)圖5）。在施工前對(duì)滑移方案進(jìn)行仿真模擬計(jì)算。環(huán)桁架總體分4個(gè)分區(qū)，南、北區(qū)采用原位分段吊裝。東、西滑移分區(qū)總長(zhǎng)181.9m，寬40.5m，重約2750t，采用“場(chǎng)外高空拼裝和高低二次滑移就位”的安裝方法，共鋪設(shè)8條下滑移軌道及4組滑移支撐架。桁架采用履帶式起重機(jī)從中間向兩端進(jìn)行高空拼裝，拼裝完成后，將滑移機(jī)器人設(shè)置在下滑移軌道梁上，將桁架滑移至場(chǎng)館6.1m層結(jié)構(gòu)邊，完成上滑移軌道梁對(duì)接，再將桁架二次滑移至安裝位置。

為確保吊裝區(qū)與滑移區(qū)的結(jié)構(gòu)能準(zhǔn)確對(duì)接，吊裝區(qū)兩端設(shè)置嵌補(bǔ)分段，當(dāng)滑移區(qū)桁架落架后采用履帶式起重機(jī)安裝。嵌補(bǔ)分段安裝焊接合龍后，進(jìn)行結(jié)構(gòu)整體卸載（見(jiàn)圖6）。

4.3 國(guó)內(nèi)最大跨單層雙向正交馬鞍形屋面索網(wǎng)

索網(wǎng)南北向最大跨度198m，東西向最大跨度124m。本工程首次采用國(guó)內(nèi)完全自主研發(fā)的高釩封閉索，承重索和穩(wěn)定索均采用雙索設(shè)計(jì)，通過(guò)索夾固定。拉索總長(zhǎng)約20410m，總重約968t。

為驗(yàn)證結(jié)構(gòu)建造過(guò)程的可行性和安全性，國(guó)家速滑館項(xiàng)目與浙江大學(xué)聯(lián)合進(jìn)行1∶12實(shí)體模型仿真試驗(yàn)，并在結(jié)構(gòu)上布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行全程健康監(jiān)測(cè)。經(jīng)方案比選，綜合考慮施工安全、成本、工期等因素，采用“地面組裝索網(wǎng)、整體提升張拉”的總體施工方案。

地面索網(wǎng)鋪裝順序?yàn)椋合劝惭b承重索后安裝穩(wěn)定索，承重索展索順序?yàn)閺谋毕蚰?，穩(wěn)定索展索順序?yàn)閺奈飨驏|，全部采用全站儀根據(jù)索地面投影點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行精準(zhǔn)放樣（見(jiàn)圖7）。

索網(wǎng)地面鋪裝完成后利用提升機(jī)器人進(jìn)行98根承重索同步提升。承重索提升就位后，張拉兩端各3榀承重索和60根穩(wěn)定索。索網(wǎng)張拉時(shí)分階段、分級(jí)對(duì)稱(chēng)同步張拉，保障張拉過(guò)程安全和最終索網(wǎng)成型效果（見(jiàn)圖8）。

圖5 環(huán)桁架總體施工方案

圖6 環(huán)桁架合龍卸載后效果

圖7 地面索網(wǎng)鋪裝

圖8 索網(wǎng)成型效果

4.4 曲形玻璃幕墻構(gòu)筑美輪美奐“冰絲帶”

玻璃幕墻呈天壇輪廓造型，由160根S形鋼龍骨斜向支撐，幕墻單元玻璃為雙夾膠中空曲面玻璃，由4層8mm玻璃兩兩夾SGP膠片，再?gòu)?fù)合成12mm厚中空Ar層玻璃單元，玻璃單元共3360塊（見(jiàn)圖9）。幕墻外側(cè)設(shè)置22道622m深彎半圓玻璃管，管內(nèi)設(shè)LED燈帶。幕墻龍骨系統(tǒng)主要由曲面幕墻S形鋼龍骨、弧形連接梁、絲帶支撐桿、絲帶圓鋼管組成。最長(zhǎng)S形鋼龍骨為32.7m，最短為17.8m。

在施工前對(duì)預(yù)埋件及牛腿進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量復(fù)核，反饋至BIM深化設(shè)計(jì)，確保深化設(shè)計(jì)準(zhǔn)確度。構(gòu)件下料加工數(shù)據(jù)利用GH插件從BIM模型導(dǎo)出，保障加工數(shù)據(jù)與深化設(shè)計(jì)的一致性。最后利用高精度測(cè)量?jī)x器進(jìn)行放樣安裝。通過(guò)在深化設(shè)計(jì)、下料加工、測(cè)量放樣、施工安裝全過(guò)程使用統(tǒng)一的參數(shù)化BIM模型，保障曲形玻璃幕墻加工和施工精度（見(jiàn)圖10）。

4.5 基于平行施工的復(fù)雜結(jié)構(gòu)高效施工管理

通過(guò)對(duì)土建結(jié)構(gòu)、鋼環(huán)桁架、索網(wǎng)進(jìn)行基于多專(zhuān)業(yè)平行施工的仿真模擬，論證施工方案可行性，最大程度節(jié)約工期。環(huán)桁架采取“南北區(qū)吊裝+東西區(qū)滑移”的總體施工方案，索結(jié)構(gòu)采取“地面拼裝+整體提升”的總體施工方案。

平行施工即地下車(chē)庫(kù)封頂后，在車(chē)庫(kù)東西兩端進(jìn)行環(huán)桁架拼裝；南北看臺(tái)上部的環(huán)桁架則待看臺(tái)結(jié)構(gòu)施工完成后，立即采用履帶式起重機(jī)插入原位分段吊裝；地上結(jié)構(gòu)施工的同時(shí)進(jìn)行預(yù)制看臺(tái)板安裝；東西看臺(tái)結(jié)構(gòu)施工完成后，采用同步滑移施工方案將環(huán)桁架安裝就位，與此同時(shí)，對(duì)已完成的預(yù)制看臺(tái)采取防護(hù)措施，進(jìn)行地上展索鋪裝；最終實(shí)現(xiàn)混凝土結(jié)構(gòu)、預(yù)制看臺(tái)結(jié)構(gòu)、鋼環(huán)桁架、索網(wǎng)的平行施工。

4.6 基于大數(shù)據(jù)和人工智能的精細(xì)化管控

1）基于人工智能的勞務(wù)管理 應(yīng)用人臉識(shí)別技術(shù)，實(shí)現(xiàn)人臉識(shí)別與閘機(jī)聯(lián)動(dòng)，取代門(mén)禁刷卡等傳統(tǒng)勞務(wù)管理手段；基于機(jī)器學(xué)習(xí)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自動(dòng)識(shí)別工人不帶安全帽、抽煙等不文明行為，聯(lián)動(dòng)廣播及后端管理人員及時(shí)進(jìn)行處理；通過(guò)以臉?biāo)涯樈缑?，拍攝作業(yè)人員照片并上傳，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)人臉匹配，從數(shù)據(jù)庫(kù)中調(diào)出該作業(yè)人員所有錄入信息及人員軌跡，形成集團(tuán)層面工人大數(shù)據(jù)挖掘和應(yīng)用。

圖9 幕墻內(nèi)視效果

圖10 幕墻龍骨施工

2）智能化安全管理 實(shí)現(xiàn)施工現(xiàn)場(chǎng)、工人生活區(qū)、辦公區(qū)的監(jiān)控全覆蓋及主要道路、重點(diǎn)區(qū)域的監(jiān)控。塔式起重機(jī)上球機(jī)配合云臺(tái)實(shí)現(xiàn)720°旋轉(zhuǎn)及變焦，實(shí)現(xiàn)運(yùn)籌帷幄于千里之外；通過(guò)風(fēng)速報(bào)警、防傾斜、禁行區(qū)域設(shè)置保護(hù)、防碰撞、制動(dòng)控制、黑匣子等多種功能，輔助塔式起重機(jī)安全運(yùn)行。

5 結(jié)語(yǔ)

國(guó)家速滑館項(xiàng)目通過(guò)深化設(shè)計(jì)階段減少錯(cuò)漏碰缺，構(gòu)件加工階段回收利用廢舊樁頭及模板周轉(zhuǎn)，施工前優(yōu)化方案及進(jìn)行三維可視化交底，施工階段復(fù)雜結(jié)構(gòu)多專(zhuān)業(yè)平行施工，節(jié)約大量工期和項(xiàng)目成本，實(shí)現(xiàn)工程精準(zhǔn)高效建造。

未來(lái)，我們將基于現(xiàn)有國(guó)家速滑館項(xiàng)目智慧建造數(shù)字資產(chǎn)基礎(chǔ)及智慧工地“感知階段”大數(shù)據(jù)積累，打造2022年智慧冬奧場(chǎng)館，為世界奉獻(xiàn)一場(chǎng)精彩、非凡、卓越的冬奧盛會(huì)。