基于分包數(shù)據(jù)聯(lián)合設(shè)計(jì)的蚌埠市體育中心工程BIM 仿真技術(shù)研究

李險(xiǎn)峰，徐成榮

（1.淮北職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 淮北 235000；2.中建八局第三建設(shè)有限公司，安徽 桐城 235000）

0 引言

城市異形建筑具有形狀繁雜、 各結(jié)構(gòu)連接復(fù)雜等特點(diǎn)， 而傳統(tǒng)的二維設(shè)計(jì)很難實(shí)現(xiàn)城市規(guī)劃要求中的建筑靈動(dòng)性［1-5］。如何直觀方便地表達(dá)復(fù)雜異形結(jié)構(gòu)成為傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的瓶頸問題。 建筑信息模型（Building Information Modeling，簡稱BIM）技術(shù)是Autodesk 公司于2002 年提出的一種應(yīng)用于工程設(shè)計(jì)、建造、管理的數(shù)據(jù)化工具［6-7］。 目前，該技術(shù)已廣泛運(yùn)用在水利、建筑、城市規(guī)劃、地下隧洞等領(lǐng)域［8-10］。國內(nèi)外眾多學(xué)者利用BIM 技術(shù)對(duì)建筑施工過程進(jìn)行設(shè)計(jì)的指導(dǎo)， 取得了較好的效果。 如王蒙利用BIM技術(shù)對(duì)橋梁工程的三維設(shè)計(jì)施工過程進(jìn)行了全面仿真［11］；劉占省將BIM 技術(shù)運(yùn)用到徐州奧體中心體育場(chǎng)工程的施工管理中，實(shí)現(xiàn)了施工的全過程模擬［12］；邊延凱利用BIM 技術(shù)，采用層次分析法，基于建筑項(xiàng)目中規(guī)劃階段、設(shè)計(jì)階段、施工階段和運(yùn)維階段的17 個(gè)主要應(yīng)用點(diǎn)，對(duì)某建筑工程中的全生命周期進(jìn)行了仿真模擬［13］。 以往對(duì)BIM 技術(shù)的應(yīng)用研究大多是針對(duì)某一特定范圍進(jìn)行研究， 缺乏大型分包數(shù)據(jù)的聯(lián)合設(shè)計(jì)過程。 筆者試以蚌埠市體育中心工程為依托， 將分包數(shù)據(jù)的聯(lián)合設(shè)計(jì)方法應(yīng)用到該工程的BIM 設(shè)計(jì)中，以期為大型異形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。

1 工程概況

蚌埠體育中心是安徽省第十四屆運(yùn)動(dòng)會(huì)的主會(huì)場(chǎng)，主要由體育主會(huì)場(chǎng)、體育館、多功能綜合館、體校及景觀塔構(gòu)成，總建筑面積為1 447 511 m2。 在進(jìn)行該體育中心設(shè)計(jì)時(shí)，為了體現(xiàn)運(yùn)動(dòng)會(huì)主題，體現(xiàn)“龍行天下，龍騰戲珠”的理念，融入了“龍”元素，整個(gè)場(chǎng)館被設(shè)計(jì)成蛟龍形態(tài)。 蚌埠體育中心總體布局如圖1 所示。

圖1 工程俯瞰圖Fig.1 Project overlooking view

體育主會(huì)場(chǎng)建筑面積大約為41 399 m2，平面為兩個(gè)圓形區(qū)域（直徑約為256 m），結(jié)構(gòu)主要包括由鋼筋混凝土組成的看臺(tái)及兩側(cè)的鋼罩。其中，混凝土看臺(tái)分為東、西、南、北四個(gè)方向，整體外圍設(shè)計(jì)為環(huán)形的高架， 主要功能為會(huì)場(chǎng)物資的運(yùn)輸及觀眾的運(yùn)移。 體育場(chǎng)的鋼罩采用曲率極大的異形實(shí)腹鋼梁及多點(diǎn)圓管，懸挑高度為55 m，最低建筑高約為10 m。圓形體育場(chǎng)的正視圖如圖2 所示。

圖2 體育場(chǎng)正視圖Fig.2 Front view of stadium

2 分包數(shù)據(jù)聯(lián)合設(shè)計(jì)方法

2.1 工程特點(diǎn)

蚌埠體育中心工程項(xiàng)目的主要特點(diǎn)為：（1）工程為公共建筑，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，采用傳統(tǒng)二維圖紙表達(dá)信息存在一定的局限性， 特別是對(duì)于鋼罩這樣的異形結(jié)構(gòu)， 利用二維設(shè)計(jì)基本不可能全面表達(dá)設(shè)計(jì)理念；（2）鋼結(jié)構(gòu)量大，且造型復(fù)雜，構(gòu)件奇特；（3）金屬屋面造型新穎， 直立鎖邊上加裝龍鱗裝飾板， 全球獨(dú)有；（4）機(jī)電管線多，且多為弧形管線；（5）幕墻多為異型曲面，引用BIM 技術(shù)進(jìn)行深化設(shè)計(jì)，通過軟件定位進(jìn)行數(shù)據(jù)提取，指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工；（6）工程造價(jià)近13 億，合同工期僅556 天（18 個(gè)月），工期壓力大。

同時(shí)，項(xiàng)目由總包商牽頭組織BIM 各項(xiàng)工作的開展，涉及土建、機(jī)電、鋼結(jié)構(gòu)、幕墻等專業(yè)，各專業(yè)均有自己的BIM 軟件，各軟件之間的數(shù)據(jù)通道并不相容?；诖?，本文提出了分包數(shù)據(jù)聯(lián)合設(shè)計(jì)方法的概念。

2.2 分包數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)

分包數(shù)據(jù)聯(lián)合設(shè)計(jì)方法是應(yīng)用Navisworks 軟件對(duì)各個(gè)BIM 設(shè)計(jì)軟件 （包括AutoCAD、Revit、Navisworks、3ds MAX、Tekla tructure、Midas Gen、Rhinoceros、SCENE、Geomagic Qualify、Rapidform XOR3 和Grasshopper）進(jìn)行整合，其數(shù)據(jù)格式及分包示意圖如圖3 所示。

關(guān)于各個(gè)BIM 設(shè)計(jì)軟件的應(yīng)用， 主要分工如下：AutoCAD 主要是進(jìn)行簡單構(gòu)型的設(shè)計(jì)及圖紙的二維處理；Revit 主要是進(jìn)行土建、 鋼結(jié)構(gòu)及機(jī)電的三維設(shè)計(jì)；3ds MAX 主要是進(jìn)行方案的模擬與優(yōu)化；Tekla tructure 主要是進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)的深化；MidasGen 主要用于結(jié)構(gòu)計(jì)算， 保證設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定；Rhinoceros 主要是進(jìn)行幕墻表皮分割；SCENE 主要是進(jìn)行三維掃描數(shù)據(jù)整合；Geomagic Qualify 主要是進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)分析對(duì)比；Rapidform XOR3 主要是進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)逆向處理；Grasshopper 主要是進(jìn)行幕墻曲率分析， 而Navisworks 則主要將前述軟件的不同格式進(jìn)行整合，以模擬施工方案及施工進(jìn)度。

圖3 分包數(shù)據(jù)聯(lián)合設(shè)計(jì)法Fig.3 Subcontracting data joint design method

3 基于分包數(shù)據(jù)聯(lián)合設(shè)計(jì)的內(nèi)容

3.1 鋼結(jié)構(gòu)深化

傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)多運(yùn)用二維出圖， 效率低且容易出錯(cuò)。 蚌埠市體育中心工程運(yùn)用BIM 軟件建立鋼結(jié)構(gòu)模型，完成了鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的深化工作，并直接生成構(gòu)建加工圖，指導(dǎo)加工下料。該工程含有74 個(gè)勁性柱，運(yùn)用BIM 軟件對(duì)勁性柱復(fù)雜節(jié)點(diǎn)進(jìn)行鋼筋的深化，對(duì)鋼筋穿插鋼骨、預(yù)埋板等做法進(jìn)行三維優(yōu)化，通過可視化交底， 讓鋼筋工了解各類節(jié)點(diǎn)鋼筋與鋼結(jié)構(gòu)如何穿插施工。 基于BIM 建模的鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計(jì)如圖4 所示。

3.2 砌體工程中BIM 應(yīng)用技術(shù)管控

由于蚌埠體育中心的砌體工程復(fù)雜，且工程工期短，質(zhì)量要求高，因此采用以下設(shè)計(jì)流程指導(dǎo)設(shè)計(jì)及施工安裝。 （1）在碰撞檢查無誤的模型內(nèi)，用revit 軟件在砌體上根據(jù)穿墻管線大小建立洞口模型。 （2）根據(jù)建好的洞口模型， 按單體或按層生成預(yù)留洞施工圖，并交給現(xiàn)場(chǎng)管理人員及相關(guān)分包單位簽收。（3）現(xiàn)場(chǎng)按預(yù)留洞施工圖預(yù)留洞口，并跟蹤檢查，及時(shí)糾偏。

根據(jù)以上步驟所建立起來的砌體BIM 設(shè)計(jì)施工流程，積極采用BIM 技術(shù)排磚，指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工。 經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)不完全統(tǒng)計(jì)， 墻體除部分應(yīng)業(yè)主要求變更拆改外，其余無任何墻體拆改。 在砌體工程中，基于BIM技術(shù)的管控流程如圖5 所示。

圖4 基于BIM 建模的鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計(jì)Fig.4 Steel structure deepening design based on BIM modeling

圖5 砌體工程中BIM 應(yīng)用技術(shù)的管控Fig.5 Management and control of BIM application technology on masonry project

3.3 體育場(chǎng)外環(huán)梁設(shè)計(jì)深化

體育場(chǎng)外側(cè)環(huán)梁呈雙曲面變化。 由于工程工期十分緊迫， 設(shè)計(jì)院無法及時(shí)提供充足的二維剖面圖紙，所以，施工時(shí)無法根據(jù)圖紙確定環(huán)梁曲率變化，從而使現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量定位難度加大。 采用BIM 技術(shù)對(duì)外環(huán)梁進(jìn)行設(shè)計(jì)，解決了這一難題。 基于BIM 技術(shù)的體育場(chǎng)外側(cè)環(huán)梁設(shè)計(jì)如圖6 所示。

3.4 龍鱗裝飾板設(shè)計(jì)及施工流程

圖6 基于BIM 技術(shù)的體育場(chǎng)外側(cè)環(huán)梁設(shè)計(jì)Fig.6 Ring beam design of stadium outer based on BIM technology

為體現(xiàn)第十四屆省運(yùn)動(dòng)會(huì)“龍行天下， 龍騰戲珠”的理念，特地融入“龍”的元素。 即在變化起伏的6 萬m2金屬屋面上加裝5 萬m2的龍鱗裝飾板，此造型為國內(nèi)首例。 龍鱗板隨金屬屋面起伏而呈不規(guī)則變化，空間為雙曲面造型。 每一塊龍鱗板均需要相對(duì)獨(dú)立定位，從設(shè)計(jì)到施工安裝均為本項(xiàng)目的控制難點(diǎn)。

本次BIM 設(shè)計(jì)嚴(yán)格遵循分包數(shù)據(jù)聯(lián)合設(shè)計(jì)方法的理念，設(shè)計(jì)過程分為表皮分割、確定效果、數(shù)據(jù)提取3 步，其流程如圖7 所示。（1）表皮分割。根據(jù)設(shè)計(jì)院給定的金屬屋面表皮輪廓， 在犀牛軟件內(nèi)進(jìn)行龍鱗表皮分割。（2）確定效果。 對(duì)各版本分割成型的龍鱗樣板及效果進(jìn)行對(duì)比分析， 供業(yè)主確定最佳分割效果。 （3）數(shù)據(jù)提取。 確定龍鱗板分割效果后，在Grasshopper 軟件內(nèi)，將每塊龍鱗板單獨(dú)編號(hào)，并對(duì)三維坐標(biāo)進(jìn)行數(shù)據(jù)提取，提供給現(xiàn)場(chǎng)施工人員，指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工。

圖7 基于BIM 技術(shù)的龍鱗設(shè)計(jì)流程Fig.7 Dragon scale design flow based on BIM technology

在龍鱗的施工安裝階段，BIM 技術(shù)應(yīng)用流程如圖8 所示，具體為：（1）現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)每塊龍鱗裝飾板三維數(shù)據(jù)坐標(biāo)， 以其中一個(gè)最低點(diǎn)H0的曲面為基準(zhǔn)面。 （2）以H0所在的曲面為基準(zhǔn)面，分別按照高度H1、H2偏移出兩個(gè)曲面， 確定出龍鱗板的另外兩個(gè)點(diǎn)（點(diǎn)1、點(diǎn)2），根據(jù)三點(diǎn)（H0、點(diǎn)1、點(diǎn)2）確定一個(gè)面的原則，完成一片龍鱗板的定位。（3）由于屋面工程的緊前工作為鋼結(jié)構(gòu)， 所以屋面表皮模型必須與鋼結(jié)構(gòu)模型吻合， 以防止由于鋼結(jié)構(gòu)模型誤差改變外裝飾面造型尺寸。 （4）運(yùn)用全站儀進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)復(fù)核，如有偏差，則及時(shí)調(diào)整鋼結(jié)構(gòu)尺寸和外皮模型。

圖8 基于BIM 技術(shù)的龍鱗施工流程Fig.8 Dragon scale construction flow based on BIM technology

4 結(jié)語

分包數(shù)據(jù)聯(lián)合設(shè)計(jì)方法就是將AutoCAD、 Revit、 Navisworks、 3ds MAX、 Tekla tructure、 Midas Gen、 Rhinoceros、 SCENE、 Geomagic Qualify、Rapidform XOR3 和Grasshopper 等傳統(tǒng)BIM 設(shè)計(jì)軟件集成到Navisworks 軟件中進(jìn)行整合， 它實(shí)現(xiàn)了不同專業(yè)軟件的聯(lián)合設(shè)計(jì)過程。 蚌埠體育中心工程建筑結(jié)構(gòu)復(fù)雜、工程量大、工期短，設(shè)計(jì)方應(yīng)用分包數(shù)據(jù)聯(lián)合設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了鋼結(jié)構(gòu)深化；在砌體工程中，應(yīng)用BIM 技術(shù)進(jìn)行管控、 體育場(chǎng)外環(huán)梁設(shè)計(jì)深化及龍鱗裝飾板設(shè)計(jì)并指導(dǎo)施工，取得了成功。該技術(shù)可供大型場(chǎng)館設(shè)施的BIM 設(shè)計(jì)及異形結(jié)構(gòu)的聯(lián)合設(shè)計(jì)施工借鑒。