BIM技術(shù)在超高層寺廟建筑中的應(yīng)用

(中國(guó)建筑第八工程局有限公司，上海 200135)

1 工程概況

1.1 項(xiàng)目簡(jiǎn)介

太平報(bào)恩寺重建項(xiàng)目，位于華東地區(qū)，總用地面積5 799.6 m2，總建筑面積3 2240m2，其中地上建筑面積約24 661.44m2，地下建筑面積7 578.56m2，由一幢25層(裙房5層)、地下2層的超高層塔樓組成。其地下二層為臥佛殿、舍利塔區(qū)，地下一層為汽車(chē)庫(kù)，裙房分布有羅漢堂、上香廣場(chǎng)、天王殿、大雄寶殿、觀音殿、藥師殿、鐘鼓樓等，塔樓中部主要為辦公場(chǎng)所，塔頂為金剛寶座塔。項(xiàng)目效果圖如圖1所示。

圖1 項(xiàng)目效果圖

1.2 工程重難點(diǎn)

本工程為一座超高層塔式佛寺，設(shè)計(jì)打破常規(guī)，采用“塔寺合一”、功能區(qū)豎向布局方案，和國(guó)內(nèi)常見(jiàn)的四合院、平面式寺廟布局有明顯不同，其造型、布局在國(guó)內(nèi)外均比較罕見(jiàn)，工程重難點(diǎn)主要有以下6點(diǎn)：

(1)佛寺底部地宮，用于安奉舍利，其內(nèi)飾效果需達(dá)到整潔、美觀、莊嚴(yán)，在舍利安奉法會(huì)后，考慮舍利及配飾物品安全，地宮頂板需快速封閉，所以1.3m厚地宮頂板免支模施工是難點(diǎn)；

(2)塔樓底板厚2.4～5.8m，其夏季大體積混凝土裂縫控制和鋼筋支架安全是重點(diǎn)；

(3)臥佛殿空間狹小、工廠加工條件受限，項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)地小、佛塔地上結(jié)構(gòu)正常施工等對(duì)地下二層超大臥佛和臥佛殿設(shè)計(jì)、鑄造、安裝造成巨大困難；

(4)佛教功能區(qū)是寺廟重心，其裝飾效果異常重要。但是寺廟主持非建筑專業(yè)人士，無(wú)法通過(guò)圖紙表達(dá)和確認(rèn)，采用常規(guī)樣板間等方式確認(rèn)周期長(zhǎng)，所以裝飾裝修效果及時(shí)確認(rèn)是重點(diǎn)；

(5)宋式營(yíng)造法式木作，構(gòu)件繁多工藝復(fù)雜，超高塔式佛寺的木作設(shè)計(jì)、施工更是難上加難；

(6)佛塔頂部密檐式金剛寶座塔飛檐翹腳、異形大曲面造型復(fù)雜，鋼銅組合結(jié)構(gòu)兩者配合的設(shè)計(jì)與施工難度非常大。

2 BIM團(tuán)隊(duì)組織

為了圓滿、順利建設(shè)這一特殊寺廟，我們?cè)诰衷O(shè)計(jì)院和技術(shù)中心支持下，建立了以公司BIM總監(jiān)牽頭指導(dǎo)、經(jīng)理部總監(jiān)牽頭策劃，項(xiàng)目總工負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)、實(shí)施，三個(gè)BIM組負(fù)責(zé)具體執(zhí)行的管理架構(gòu)。項(xiàng)目BIM組織機(jī)構(gòu)如圖2所示[1]。

3 BIM應(yīng)用

3.1 超厚地宮頂板應(yīng)用

佛寺底板下地宮，乃寺廟圣地，在舍利安奉后需立即封閉，封閉后地宮內(nèi)部要整潔、美觀、莊嚴(yán)。而地宮四周混凝土結(jié)構(gòu)非常厚，其中頂板厚度1.3m，跨度8m，頂板上方安裝一座超20t舍利塔(見(jiàn)圖3)。同時(shí)考慮舍利安奉法會(huì)舉辦流程、地宮內(nèi)部成品保護(hù)及作為項(xiàng)目進(jìn)度計(jì)劃關(guān)鍵工作的地宮頂板快速施工等不利因素，地宮頂板無(wú)法采用常規(guī)模板支撐架、預(yù)留拆模洞口施工方案，見(jiàn)圖4所示。

圖3 地宮結(jié)構(gòu)示意

為了克服上述不利影響，本項(xiàng)目首先對(duì)比分析了超厚疊合板、多種鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)的可行性方案，通過(guò)TEKLA、PKPM、ANSYS等軟件計(jì)算分析，初步確定將1.3m厚鋼筋混凝土頂板優(yōu)化為1.3m厚組合鋼混結(jié)構(gòu)頂板的方案。然后通過(guò)計(jì)算軟件和Revit軟件模型數(shù)據(jù)分析、轉(zhuǎn)換，Navisworks吊裝模擬，項(xiàng)目研發(fā)了一種超厚地宮頂板分層、分塊、免支?？焖偈┕し椒?，將1.3m厚地宮頂板分下層500mm厚勁性板及上層800mm厚鋼筋混凝土樓板兩層施工(見(jiàn)圖5)，下層500mm厚勁性板鋼骨分三塊預(yù)制拼裝(見(jiàn)圖6)，能實(shí)現(xiàn)舍利安奉法會(huì)結(jié)束后地宮1h內(nèi)初步封閉，頂管頂板整體施工速度快，工廠化機(jī)械化程度高，人工勞動(dòng)強(qiáng)度低[2]。

圖4 常規(guī)施工方案示意

圖5 地宮頂板鋼結(jié)構(gòu)模型分析圖

圖6 勁性板鋼骨分塊吊裝施工

3.2 超厚大體積混凝土筏板應(yīng)用

塔樓區(qū)域筏板厚度最大達(dá)到5.8m，為了保證地宮及臥佛區(qū)域底板施工質(zhì)量，夏季高溫季節(jié)控制大體積混凝土的裂縫發(fā)展是施工重點(diǎn)。項(xiàng)目通過(guò)ANSYS軟件分析，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)棧橋和底板高差、基坑降水回收利用，研發(fā)了超厚筏板冷卻循環(huán)水降溫工法(示意見(jiàn)圖7)，能有效控制大體積混凝土溫差，實(shí)現(xiàn)節(jié)約電、節(jié)約水資源目的。

圖7 超厚筏板冷卻水管降溫示意

同時(shí)，超厚筏板鋼筋支架安全和快速施工也重點(diǎn)，所以將鋼筋支架設(shè)計(jì)成鋼管支撐架。之后，利用Revit對(duì)冷卻循環(huán)水水管和鋼筋支架鋼管進(jìn)行統(tǒng)一設(shè)計(jì)與放樣，將部分冷卻鋼管兼做鋼筋支架水平桿，實(shí)現(xiàn)一管兩用，節(jié)約鋼管，見(jiàn)圖8。

圖8 冷卻管施工圖

3.3 超大銅鑄佛像制作安裝綜合應(yīng)用

地下二層安奉一尊超大銅鑄臥佛，長(zhǎng)21m，寬6m，高5.3m，重30.6t，尺寸大、重量重，加上工廠條件和鑄造工藝限制、遠(yuǎn)距離長(zhǎng)途運(yùn)輸限制、現(xiàn)場(chǎng)交通組織困難、塔樓主體結(jié)構(gòu)同步施工以及臥佛殿空間狹小等不利因素，造成了臥佛設(shè)計(jì)、制作、安裝及臥佛殿設(shè)計(jì)困難。

面對(duì)如此諸多困難，項(xiàng)目相關(guān)方全面分析超大銅鑄佛像制作、運(yùn)輸、安裝及臥佛殿設(shè)計(jì)各環(huán)節(jié)問(wèn)題，統(tǒng)籌全過(guò)程，提出系統(tǒng)性解決辦法——傳統(tǒng)工藝+現(xiàn)代BIM相關(guān)技術(shù)融合應(yīng)用。具體如下：

(1)首先通過(guò)傳統(tǒng)工藝制作1： 100泥塑臥佛小模型，確認(rèn)佛像姿態(tài)方案，見(jiàn)圖9；

圖9 泥塑手工藝1： 100小模型

(2)通過(guò)三維掃描采集已確認(rèn)佛像模型數(shù)據(jù)，經(jīng)處理可適用于各BIM軟件，數(shù)據(jù)模型見(jiàn)圖10[3]；

圖10 三維掃描數(shù)據(jù)模型

(3)利用BIM軟件輔助分析鑄造廠條件和鑄造工藝限制、遠(yuǎn)距離長(zhǎng)途運(yùn)輸限制、現(xiàn)場(chǎng)內(nèi)交通組織困難、塔樓主體結(jié)構(gòu)同步施工及臥佛殿空間狹小等不利因素，經(jīng)工廠制作模擬、運(yùn)輸模擬、現(xiàn)場(chǎng)安裝模擬，確定適合制作、運(yùn)輸、安裝各環(huán)節(jié)的最佳佛像分塊方案(見(jiàn)圖11)，及確定相應(yīng)佛像上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)調(diào)整方案、吊裝預(yù)留洞口方案、佛像內(nèi)部鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案、佛像制作方案、運(yùn)輸和安裝方案[4]。

圖11 臥佛最佳分塊方案

(4)將佛像分塊數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、導(dǎo)入3D數(shù)控雕刻機(jī)床，實(shí)現(xiàn)佛像模型智能化加工，提高加工精度和加工效率，配合超大臥佛分塊鑄造。最后臥佛現(xiàn)場(chǎng)安裝后，通過(guò)二次三維掃描，比對(duì)三維設(shè)計(jì)方案，核對(duì)安裝質(zhì)量，采用3ds MAX進(jìn)行臥佛殿照明與裝飾深化設(shè)計(jì)，見(jiàn)圖12所示[5]。

圖12 臥佛殿設(shè)計(jì)初步方案

3.4 金剛寶座塔銅鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)綜合應(yīng)用

太平報(bào)恩寺塔頂金剛寶座塔由蓮花座、塔基層、五方塔構(gòu)成，為鋼銅組合結(jié)構(gòu)，外側(cè)為鑄銅結(jié)構(gòu)，內(nèi)部主體結(jié)構(gòu)為鋼桁架。蓮花座異形大曲面，塔基層和五方塔飛檐翹角，造型獨(dú)特，外形設(shè)計(jì)難度大、內(nèi)部鋼結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜以及鋼銅之間連接設(shè)計(jì)特殊。針對(duì)這些困難，首先專業(yè)單位利用Rhino軟件建立模型，進(jìn)行外形設(shè)計(jì)，寺廟主持確定金剛寶座塔外形效果及整體空間布局[6]。

圖13 結(jié)構(gòu)受力分析圖

然后設(shè)計(jì)院采用SAP2000、MIDAS進(jìn)行鑄銅結(jié)構(gòu)、主鋼結(jié)構(gòu)和連接件等設(shè)計(jì)計(jì)算，如圖13。最后反復(fù)校對(duì)鑄銅和鋼結(jié)構(gòu)模型(如圖14-15)確定鋼銅之間安裝空間、可調(diào)連接件，實(shí)現(xiàn)效果美觀、設(shè)計(jì)可靠、施工方便的目的。

圖14 蓮花座銅構(gòu)件模型

圖15 蓮花座主鋼桁架模型

3.5 佛像模型確認(rèn)與布局優(yōu)化

寺廟佛像、法物多達(dá)568個(gè)，鑄造或雕刻時(shí)間長(zhǎng)，為加快制作、安裝進(jìn)度，項(xiàng)目通過(guò)三維設(shè)計(jì)確認(rèn)其效果。同時(shí)針對(duì)羅漢堂空間小、500佛像多、布局和朝拜路線設(shè)計(jì)是難點(diǎn)，通過(guò)三維設(shè)計(jì)布局、VR浸式體驗(yàn)朝拜路線，多方案比較，寺廟主持確定最佳佛像布局，優(yōu)化朝拜路線(見(jiàn)圖16)[7]。

圖16 羅漢佛像安奉效果模擬

3.6 木作深化設(shè)計(jì)和木構(gòu)件放樣應(yīng)用

塔樓飛檐及裙房鐘鼓樓等木作采用宋《營(yíng)造法式》，建筑精美，但構(gòu)件繁多、工藝復(fù)雜，如其斗拱可分為柱頭輔作、補(bǔ)間輔作、轉(zhuǎn)角輔作三個(gè)部分，各部分斗拱采用華栱、耍頭、慢栱、下昂、櫨斗、泥道栱、令栱等若干構(gòu)件組成。因此，項(xiàng)目采用Rhino軟件建立木作構(gòu)件，將其導(dǎo)入Revit軟件內(nèi)建立木構(gòu)件族，完成木作深化設(shè)計(jì)和確認(rèn)(見(jiàn)圖17)，同時(shí)完成木構(gòu)件統(tǒng)計(jì)放樣，配合構(gòu)件粗加工[8]。

圖17 木結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)BIM模型

3.7 功能區(qū)裝修應(yīng)用

寺廟舍利塔區(qū)、大雄寶殿等功能區(qū)是寺廟重地，其裝飾效果異常重要，通過(guò)3ds MAX設(shè)計(jì)功能裝飾效果，結(jié)合VR沉浸式體驗(yàn)，方便了寺廟主持對(duì)裝飾效果感受、理解，加快了裝飾深化確認(rèn)進(jìn)度，見(jiàn)圖18所示。

3.8 其他應(yīng)用

(1)舍利安奉法會(huì)規(guī)劃與預(yù)演

項(xiàng)目施工過(guò)程中穿插法會(huì)舉辦，項(xiàng)目管理要求非常高。項(xiàng)目通過(guò)活動(dòng)場(chǎng)地規(guī)劃和路線模型，如圖19-20所示，確保法會(huì)過(guò)程300多名信眾安全有序參與[9]。

圖18 舍利塔區(qū)裝飾效果圖

圖19 棧橋?qū)訄?chǎng)地布置和路線規(guī)劃

圖20 安奉路線模擬

(2)節(jié)點(diǎn)深化設(shè)計(jì)

對(duì)于底板局部深坑復(fù)雜鋼筋節(jié)點(diǎn)、勁性柱梁柱節(jié)點(diǎn)、屈曲約束支撐預(yù)埋件節(jié)點(diǎn)進(jìn)行BIM深化設(shè)計(jì)(見(jiàn)圖21)，優(yōu)化鋼筋連接和排布，保證節(jié)點(diǎn)施工質(zhì)量[10]。

圖21 屈曲約束支撐預(yù)埋件柱頭節(jié)點(diǎn)BIM 深化和現(xiàn)場(chǎng)相片

(3)總承包管理應(yīng)用

以智慧工地、八局協(xié)同管理平臺(tái)為介質(zhì)，提高項(xiàng)目總承包管理質(zhì)量、管理效率，智慧工地平臺(tái)如圖22。

圖22 協(xié)同管理平臺(tái)

表1 BIM應(yīng)用經(jīng)濟(jì)效益

超厚地宮頂板通過(guò)BIM技術(shù)將1.3厚超厚地宮頂板進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化,研發(fā)鋼混結(jié)構(gòu)免支模施工樓板,并進(jìn)行分塊及施工順序模擬;免支模施工將項(xiàng)目總工期提前32日,綜合成本節(jié)約了34.44萬(wàn)元;超厚大體積混凝土筏板通過(guò)BIM技術(shù)對(duì)超厚混凝土筏板冷卻循環(huán)水水管和鋼筋支架布置進(jìn)行設(shè)計(jì)及放樣;節(jié)約綜合成本節(jié)約了1.61萬(wàn)元,加快施工進(jìn)度20天;超大銅佛像制作安裝傳統(tǒng)工藝基礎(chǔ)上,融合三維掃描、三維設(shè)計(jì)技術(shù)、3D數(shù)控雕刻等現(xiàn)代BIM技術(shù),統(tǒng)籌自設(shè)計(jì)、鑄造到運(yùn)輸安裝等全過(guò)程施工;節(jié)約成本32.5萬(wàn)元,縮短臥佛制作安裝周期75天;五方塔、蓮花座鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)運(yùn)用PKPM、TEKLA等軟件進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及建模,進(jìn)行受力分析;加快鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)速度避免工期延誤;臥佛、舍利塔等功能區(qū)設(shè)計(jì)效果確認(rèn)通過(guò)VR樣板體驗(yàn),讓業(yè)主身臨其境般地感受到舍利塔、臥佛等功能區(qū)設(shè)計(jì)效果;加快設(shè)計(jì)方案確認(rèn)加快確認(rèn)速度約2個(gè)月;節(jié)點(diǎn)深化設(shè)計(jì)對(duì)屈曲支撐預(yù)埋件、勁性柱鋼筋、局部深坑等特殊部位進(jìn)行節(jié)點(diǎn)建模放樣,避免返修;節(jié)約施工工期約1個(gè)月節(jié)省預(yù)計(jì)返修費(fèi)用約5萬(wàn)元;施工協(xié)調(diào)及進(jìn)度管理通過(guò)中建八局自身研發(fā)的BIM管理平臺(tái)進(jìn)行施工進(jìn)度管理,確保各施工面及工序的快速順利銜接。節(jié)約施工工期約3個(gè)月。

4 項(xiàng)目BIM應(yīng)用效果

(1)科技成果

通過(guò)BIM技術(shù)輔助，項(xiàng)目攻克諸多工程難點(diǎn)，獲得了3項(xiàng)局級(jí)工法、5項(xiàng)省部級(jí)以上QC成果(其中2項(xiàng)國(guó)家級(jí))、5項(xiàng)國(guó)家專利(其中3項(xiàng)國(guó)家發(fā)明專利)。

(2)BIM應(yīng)用經(jīng)濟(jì)效益

(3)其他效益

舍利安奉法會(huì)等活動(dòng)圓滿舉辦，獲得社會(huì)各界和佛教信眾廣泛好評(píng)，提高企業(yè)品牌影響力。同時(shí)也提升項(xiàng)目整體管理效率和人才BIM技術(shù)水平。

5 總結(jié)

以太平報(bào)恩寺重建項(xiàng)目為例，對(duì)BIM技術(shù)在超高層寺廟建筑中的工程重難點(diǎn)及其解決方案進(jìn)行了探討，BIM技術(shù)實(shí)施經(jīng)驗(yàn)總結(jié)如下：

(1)傳統(tǒng)工藝和現(xiàn)代BIM技術(shù)融合應(yīng)用

佛像姿態(tài)變換萬(wàn)千，采用常規(guī)制作1： 1模型鑄造佛像，效率低、成本高、工期長(zhǎng)。通過(guò)三維掃描傳統(tǒng)工匠制作的小佛像模型，采集數(shù)據(jù)，融合三維設(shè)計(jì)、3D雕刻技術(shù)等現(xiàn)代技術(shù)，提高佛像鑄造效率、降低制作成本、大幅縮短制造工期。

(2)BIM多平臺(tái)綜合應(yīng)用解決工程難題

BIM技術(shù)不僅應(yīng)用于技術(shù)問(wèn)題分析、施工模擬、場(chǎng)平布置、深化設(shè)計(jì)、智慧工地等常規(guī)應(yīng)用，針對(duì)超高層寺廟建筑造型獨(dú)特，項(xiàng)目還通過(guò)Rhino、Revit、3ds MAX、SAP2000、MIDAS、VR等軟件或平臺(tái)數(shù)據(jù)綜合應(yīng)用，解決金剛寶座塔、宋氏營(yíng)造法式木作、功能區(qū)精裝修等復(fù)雜設(shè)計(jì)、施工難題。

(3)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)

目前還沒(méi)有某一軟件或平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)建模、設(shè)計(jì)計(jì)算、施工模擬、項(xiàng)目管理等多功能綜合運(yùn)用，所以在數(shù)據(jù)在不同BIM軟件中轉(zhuǎn)換常會(huì)丟失，需要及時(shí)檢查、補(bǔ)充。目前傳統(tǒng)木作BIM應(yīng)用還停留在深化設(shè)計(jì)階段，還無(wú)法做到建模設(shè)計(jì)計(jì)算、智能化加工。