全生命期BIM技術在城奧大廈工程中的研究與應用

文/北京城建亞泰建設集團有限公司 付勇攀 張東蛟 馬祎斌 武鳳濤 董佳節(jié) 費 愷 李 萌

0 引言

在我國，BIM最初主要應用在項目設計階段，以實現方案優(yōu)化、專業(yè)協(xié)同等功能。隨著BIM技術的成熟與應用，其在建筑運維階段及全生命周期管理等方面也表現出突出的優(yōu)勢。

BIM集成了所有幾何模型信息功能要求及構件性能，利用獨立的建筑信息模型涵蓋建筑項目全生命期內的所有信息，采用BIM技術可使整個工程項目在設計、施工及運營維護等階段有效實現資源計劃建立、資金風險控制、能源與成本節(jié)約、污染降低和效率提升。應用BIM技術能改變傳統(tǒng)項目管理理念，引領建筑信息技術向更高層次邁進，從而大大提高建筑管理集成化程度。

本文以城奧大廈工程為例，闡述BIM技術從項目設計、施工到運營等階段的全生命期應用，探討B(tài)IM技術在提高施工效率、節(jié)約時間與成本等方面的作用。

1 城奧大廈項目概況

1.1 工程概況

城奧大廈位于北京市朝陽區(qū)奧體南區(qū)中央公園東北角，毗鄰2022年冬奧會運動員村。總建筑面積69929m2，建筑高度95m，地上19層。建筑整體造型獨特，外框結構呈類圓、非線性、雙曲面、大拇指形狀，主體采用鋼框架-鋼筋混凝土核心筒結構。

1.2 工程重難點

城奧大廈外形神似豎起的“大拇指”，是國內設計團隊原創(chuàng)的非線性復雜地標性建筑，內部中庭，邊庭挑空，空間靈動，從設計到施工整個階段采用參數化設計模式進行控制，在形體建造上依靠計算機輔助制造技術（CAM），力求達到國際水準并成為復雜建筑的設計典范（見圖1）。

1.2.1 異形鋼結構復雜

本工程含轉換節(jié)點、V形柱、弧形梁、齒形板等眾多異形鋼構件，且構件截面尺寸較大。邊庭結構由弧形箱形構件、弧形組合水平桁架等組成，整體外形逐漸內傾，跨度較大，且內部設置2條空間曲形坡道。邊庭結構整體通過三角骨架、拉索與主體結構相連接。結構頂部設計為雙層不規(guī)則球形穹頂，最大跨度33m，由于鋼結構設計空間位置無標準形式，復雜的外形決定了其施工難度大。

1.2.2 幕墻體系多且復雜

城奧大廈幕墻體系設計新穎，主要分內外2個幕墻區(qū)，涉及標準垂直、斜向幕墻，屋頂斜幕墻、邊庭幕墻、屋蓋金屬幕墻等10余種，加工及安裝要求高。

1.2.3 機電管綜工程量大

建筑平面與結構梁柱關系變化較大，機電布置每層平面均不相同，弧形排布機電管綜工程量大，施工難度增加。

1.3 采用BIM技術的必要性

1）鋼結構設計復雜，異形構件多，每根柱的傾斜角度均不同，使用BIM技術可對結構體系進行精確定位，保證施工精度。

2）復雜節(jié)點較多，采用BIM技術進行加工、制作，并進行工藝視頻模擬，效果直觀。

3）幕墻體系復雜，無標準形式，可結合BIM技術進行精準建模和施工深化。

4）機電系統(tǒng)復雜，均為不規(guī)則弧形布置，排布、安裝難度大，運用BIM技術可進行管綜調整并指導施工。

2 城奧大廈BIM技術全生命周期應用

2.1 BIM全生命周期應用策劃

城奧大廈項目BIM團隊由建設方、設計方及施工方共同組建，分3級管理。各方選派專人進行BIM管理，管理員穩(wěn)定在14人，并配備1個3人組成的專業(yè)BIM運行日常維護管理部，同時對實施過程中的需求進行填補。

結合BIM管理組織架構，制定BIM技術工作指導流程，形成《城奧大廈全生命期BIM應用策劃》及《城奧大廈全生命期BIM應用實施方案》等相關管理指導文件，用于總體把控項目BIM應用方向及指導各參與方協(xié)同工作，提高工作效率，完善管理制度。

2.2 BIM在設計階段的應用

2.2.1 BIM平臺架構

前期和中期根據項目特點選取不同操作平臺進行控制，最后統(tǒng)一整合。由于此項目為復雜非標準建筑，因此方案設計過程中采用曲面建模軟件進行幾何控制，利用BIM技術完成所有自由曲線曲面的優(yōu)化工作，隨著方案深入進行全三維模型建立。

2.2.2 BIM數字化建模

通過BIM中心模型理念，將設計理念全面滲透到整個項目周期中，為保證最終完成度，所有模型管理以設計方中心模型為初始模型，模型最大重用化為原則，保障BIM模型傳遞的一致性和準確性。

2.3 BIM在施工階段的應用

2.3.1 三維場地布置

現場采用三維動態(tài)模擬場地布置（見圖2），按照工程進度實施調控，科學調配材料周轉，充分利用場地；同時做到安全防護設施可視化，以便現場管理、落實。

圖1 城奧大廈外觀效果

圖2 施工場地布置

2.3.2 輔助精細化施工

2.3.2.1 施工方案模擬

1）吊裝方案模擬 利用BIM技術進行吊裝方案模擬，采用最優(yōu)措施，保證施工質量和安全。

2）內外穹頂鋼結構安裝模擬 該部位結構復雜，經多次專題會議研究，確定穹頂封閉施工安裝順序，按照先內后外、中心對稱、協(xié)同安裝的原則進行施工，防止整體變形，提高施工質量（見圖3）。

3）蛇形坡道鋼結構安裝模擬 建筑南側蛇形坡道為空間彎扭箱形結構，旋轉坡道彎扭箱形構件空間位置復雜、內部加勁板縱橫，坡道通過三角形骨架及拉索與主體結構連接固定，施工工藝復雜，同時因施工場地限制，需前期進行施工方案模擬，以保證施工效率（見圖4）。

4）針對幕墻封閉方案，利用BIM模型進行可視化分析，通過立體建模進行腳手架及操作平臺掛籃搭設方案選定，并根據模型方案進行實施（見圖5）。

2.3.2.2 復雜節(jié)點工藝模擬

通過BIM技術應用，優(yōu)化勁性結構復雜節(jié)點，確定鋼筋排布與鋼骨定型加工，優(yōu)化混凝土導流、振搗措施，保證施工可行性（見圖6）。

2.3.2.3 機電深化設計指導施工

針對復雜的機電系統(tǒng)排布，從管線碰撞檢查開始逐步進行管線綜合調整，同時通過真人模擬漫游體驗管線綜合排布和凈高優(yōu)化效果及機房管井布置合理性，確定最終模型，指導現場施工（見圖7）。

2.3.2.4 VAV空調系統(tǒng)虛擬調試

使用MagiCAD針對標準層VAV空調系統(tǒng)風量平衡進行計算，經校核無誤后指導現場安裝。

2.3.3 信息化管理

1）建立數據庫 應用BIM技術通過關聯模型構件各種信息，建立數據庫，使參加施工建設的人員可通過PC端和移動客戶端隨時查看與調用工程模型信息。

2）模擬進度計劃 將project導入模型，實現總控進度與實際進度的對比，然后導入沙盤進度進行模擬，構件在不同階段不同狀態(tài)下的現場情況被定義成不同顏色，以實時反映現場實際情況（見圖8）。

3）質量安全管理 參施單位全部使用BIM平臺協(xié)作管理。對現場發(fā)現的安全、質量問題通過計算機或手機客戶端建立協(xié)作，定位到點，追蹤責任人限期及時處理。

4）變更洽商文檔管理 由各專業(yè)BIM管理員負責將簽字確認的設計變更洽商上傳至平臺，并與模型構件相關聯。設計變更對應的模型修改由設計方完成，經建設單位相關負責人會簽后上傳至平臺。

圖3 內外穹頂鋼結構安裝模擬與現場安裝對比

圖4 蛇形坡道鋼結構安裝模擬

圖5 幕墻安裝施工方案擬定

圖6 鋼骨柱施工工藝模擬

圖7 機電管綜調整與模擬

5）全員參與，數據共享 制定BIM應用審核標準及BIM周例會制度，每周召開BIM例會并安排專人撰寫會議紀要，將本工程的BIM應用全員參與落到實處。

2.4 BIM在運維階段的應用

運維階段是在建筑全生命期中時間最長、管理成本最高的重要階段。BIM技術在運維階段應用的目的是提高管理效率、提升服務品質及降低管理成本，為設施的保值增值提供可持續(xù)解決方案。

2.4.1 基于BIM建立運維模型庫

城奧大廈模型庫包括土建模型、機電深化設計模型、幕墻模型及鋼結構模型。其中機電深化設計模型包括管綜模型、暖通系統(tǒng)模型、空調水模型、給排水模型、消防模型、強電模型及機房空間優(yōu)化模型等。

模型庫與工程實體保持一致，可查看模型中的族、模板及建模標準等，為后續(xù)工程提供參考。

2.4.2 基于BIM建立運維平臺體系

通過BIM平臺對集成平臺上的監(jiān)控對象進行監(jiān)控，獲得系統(tǒng)模型數據、人員數據、屬性數據和文檔資料等，運維平臺通過綜合BIM運維系統(tǒng)、數據接入協(xié)議、集成系統(tǒng)、集成協(xié)議及弱配電子系統(tǒng)等，實現門禁視頻、能源消耗、照明系統(tǒng)等管理功能，可更好地提升運維效果。

2.4.3 基于BIM的運維接口協(xié)議

BIM運維利用Web Service或OPC提供數據，根據子系統(tǒng)提供數據的能力采用多種不同的數據集成協(xié)議，實現集成管理和系統(tǒng)的聯動（見圖9）。

2.4.4 基于BIM的能源管理

通過運維平臺實現按類別、時間、樓層進行能源消耗統(tǒng)計。

圖8 模擬進度計劃

圖9 運維接口協(xié)議

3 結語

BIM技術在城奧大廈是全生命期、全過程及全員參與的應用。其中全生命期是指BIM技術在設計階段、施工階段、運維階段的應用；全過程是指應用BIM技術形成數據積累，豐富企業(yè)工程項目數據庫；全員參與是指項目各參建方人員全員參與。

由建設單位牽頭推動BIM全生命期管理應用，加強了各參建方的聯系，促進BIM管理應用更有效的落地，有利于BIM管理應用的普及；通過BIM管理平臺明確重大危險源，做好安全防護，結合VR技術對施工人員進行虛擬體驗式安全交底，提高項目管理人員及工人的安全生產意識，避免發(fā)生重大安全事故。該項目地處奧體核心區(qū)，建設方采用BIM技術實施智慧建造、綠色施工，打造區(qū)域地標建筑，并承擔應有的社會責任。全生命期BIM技術應用，為城奧大廈的開發(fā)及運營創(chuàng)造了巨大的效益，真正實現了“多、快、好、省”的開發(fā)愿景。