BIM技術(shù)在滁州高教科創(chuàng)城文體活動中心項(xiàng)目中的應(yīng)用

徐 楓 王友國 王 龍 張 文 徐曙明 陳祥宇 李明南 洪 呈

(1.中國十七冶集團(tuán)有限公司，馬鞍山 243000； 2.安徽省招標(biāo)集團(tuán)股份有限公司，合肥 230051)

前言

建筑信息模型(Building Information Modeling[1]，簡稱BIM)，是以建立一個虛擬的建筑工程模型為基礎(chǔ)，利用數(shù)據(jù)信息仿真模擬，達(dá)到與實(shí)際情況一致的工程信息模型。BIM技術(shù)為工程建設(shè)提供信息共享與協(xié)同平臺，將進(jìn)度、成本、材料等信息進(jìn)行關(guān)聯(lián)綁定，形成可視化動態(tài)數(shù)據(jù)庫，為項(xiàng)目精細(xì)化管理提供真實(shí)、有效的數(shù)據(jù)支撐。

對于大型、異型建筑來說，項(xiàng)目體量大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、工期緊、參建單位多，給BIM技術(shù)的應(yīng)用帶來了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。本文將以滁州高教科創(chuàng)城文體中心項(xiàng)目為例，建立基于BIM 技術(shù)的管理模式，科學(xué)安排資源計(jì)劃、控制安全風(fēng)險(xiǎn)、減少材料浪費(fèi)及提高施工效率。

1 工程概況

1.1 項(xiàng)目簡介

滁州高教科創(chuàng)城文體活動中心位于安徽省滁州市南譙新區(qū)，文慧路以北、康莊路以西，明德路以南、匯智路以東。總用地面積為168 227m2，總建筑面積為71 829m2，其中地上建筑建筑面積為63 103m2，地下建筑面積為8 726m2。由手球館、文化館、游泳館、田徑場、網(wǎng)球場、足球場等組成，具有體育比賽、全民健身、體育配套、文化娛樂等多種功能[2]。項(xiàng)目建成后，將承擔(dān)2019年東京奧運(yùn)會亞洲區(qū)女子手球資格賽，為打造“東方手球之都”的滁州再添新動力。

圖1 滁州高教科創(chuàng)城文體中心效果圖

1.2 工程重難點(diǎn)

本項(xiàng)目在施工過程中主要面臨以下幾項(xiàng)重難點(diǎn)工作：

(1)工期緊、任務(wù)重

本工程計(jì)劃爭創(chuàng)國家優(yōu)質(zhì)工程獎“魯班獎”，對項(xiàng)目工程精細(xì)化管理及質(zhì)量要求高。同時業(yè)主要求工期14個月，大干期間完成的工程體量大，需一次性投入足夠的人員及周轉(zhuǎn)材料。

(2)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、工藝要求高

工程存在大量的鋼結(jié)構(gòu)桁架及金屬屋面，屋面均為大跨度鋼網(wǎng)架屋蓋，且建筑造型較為獨(dú)特。

(3)特殊材料種類多、技術(shù)要求高

本工程室內(nèi)裝飾工程采用大量的曲線設(shè)計(jì)，并存在較大部分具有特殊性功能要求空間，裝飾材料多樣化，造型新穎。

(4)場館同步建造、協(xié)調(diào)管理難度大

本項(xiàng)目三個場館同時施工，均存在大跨度鋼結(jié)構(gòu)，需要超長車輛運(yùn)送鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件，對構(gòu)件的進(jìn)場安排、堆放規(guī)劃帶來嚴(yán)峻考驗(yàn)。

2 BIM組織與應(yīng)用環(huán)境

2.1 BIM應(yīng)用目標(biāo)

本項(xiàng)目通過搭建BIM技術(shù)平臺，輔助各專業(yè)進(jìn)行深化設(shè)計(jì)； 優(yōu)化施工方案及方案比選； 科學(xué)安排進(jìn)度計(jì)劃及資源配置； 加強(qiáng)各專業(yè)精細(xì)化管理，提高項(xiàng)目協(xié)同能力； 實(shí)現(xiàn)“BIM+新技術(shù)”的創(chuàng)新應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)建設(shè)工程精細(xì)化、合理化、可持續(xù)化。

2.2 BIM實(shí)施方案

基于BIM技術(shù)的應(yīng)用，是本項(xiàng)目縮短工期、降低成本、節(jié)約材料的利器。結(jié)合BIM技術(shù)的特點(diǎn)，搭建智慧管理平臺，建立整體實(shí)施流程。事前，通過例會機(jī)制，制定BIM實(shí)施方案，并對重點(diǎn)及難點(diǎn)制定BIM技術(shù)專項(xiàng)方案，保證BIM落實(shí)； 事中，從圖紙深化、施工方案優(yōu)化、受力分析、虛擬預(yù)拼裝及云協(xié)調(diào)管理平臺等方面深入應(yīng)用； 事后，定期跟蹤總結(jié)并持續(xù)改進(jìn)應(yīng)用效果。

圖2 項(xiàng)目實(shí)施方案

圖3 項(xiàng)目PDCA管理流程

2.3 團(tuán)隊(duì)建設(shè)

根據(jù)項(xiàng)目特點(diǎn)，建立由公司技術(shù)中心統(tǒng)籌、項(xiàng)目部實(shí)施、咨詢方指導(dǎo)的BIM團(tuán)隊(duì)。由項(xiàng)目總工牽頭，各部門項(xiàng)目管理人員積極配合，讓全員參與到BIM實(shí)施中，落實(shí)BIM技術(shù)應(yīng)用。

2.4 項(xiàng)目軟硬件配置

考慮本工程造型獨(dú)特，施工工藝及技術(shù)要求高等特點(diǎn)，保證各軟件間信息共互動，形成緊密連接的信息數(shù)據(jù)庫，提高模型質(zhì)量和利用效率。主要選用的軟硬件如表1～2所示。

表1 主要軟件配備情況一欄表

表2 主要硬件配備情況一欄表

3 BIM應(yīng)用

3.1 BIM+深化設(shè)計(jì)

3.1.1 碰撞檢查、管線優(yōu)化[3-4]

各專業(yè)模型進(jìn)行碰撞檢查，提出優(yōu)化建議，反饋設(shè)計(jì)院進(jìn)行變更確認(rèn)，經(jīng)細(xì)化、優(yōu)化和完善，形成各專業(yè)的詳細(xì)施工圖。根據(jù)現(xiàn)場施工及管理需要，對各專業(yè)設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行集成、協(xié)調(diào)、修訂與校核，解決方案設(shè)計(jì)與現(xiàn)場施工的諸多沖突。如圖4～5所示。

圖4 專業(yè)模型碰撞檢查

圖5 管綜三維出圖

3.1.2 功能設(shè)計(jì)分析[5]

本項(xiàng)目建成后，比賽期間，一次性容納幾千人，若發(fā)現(xiàn)險(xiǎn)情，很容易導(dǎo)致踩踏事件發(fā)生，再加上本項(xiàng)目內(nèi)部空間構(gòu)造復(fù)雜，不熟悉人員很難快速找到出口，故我們在這方面做了逃生模擬分析，運(yùn)用Pathfinder軟件模擬發(fā)生險(xiǎn)情時人員疏散情況，直觀展現(xiàn)人員逃生路徑，辨別容易出現(xiàn)擁堵路徑，提前做好消防導(dǎo)引，提高人員逃生率。如圖6～7所示。

圖6 消防模擬分析

圖7 各房間人流統(tǒng)計(jì)

3.2 BIM+可視化

3.2.1 可視化技術(shù)交底[6]

建立1∶1樣板虛擬模型，指導(dǎo)現(xiàn)場樣板區(qū)建設(shè)，結(jié)合二維碼技術(shù)進(jìn)行樣板交底。改進(jìn)施工項(xiàng)目參與方交底方法，提高項(xiàng)目各參與方技術(shù)交底水平，解決了因信息傳遞不準(zhǔn)確，信息不健全導(dǎo)致的返工現(xiàn)象。如圖8～9所示。

圖8 1∶1樣板虛擬模型

圖9 砌體排布圖

3.2.2 裝飾裝修

詳細(xì)演示隱蔽部位及復(fù)雜構(gòu)件做法，優(yōu)化裝飾鋁板排版。利用渲染圖、效果圖、爆炸圖結(jié)合動畫形式，進(jìn)行裝修效果可視化演示，指導(dǎo)現(xiàn)場技術(shù)交底[7]。如圖10～11所示。

圖10 裝修渲染圖

圖11 內(nèi)部效果圖

3.2.3 VR技術(shù)

利用VR技術(shù)對現(xiàn)場一線人員進(jìn)行安全教育交底，提高安全意識和施工水平。BIM技術(shù)與VR結(jié)合，對施工各個階段進(jìn)行VR沉浸式體驗(yàn)，了解項(xiàng)目施工情況和裝修效果，提高施工進(jìn)度和安裝水平。如圖12～13所示。

圖12 VR教育交底

圖13 VR漫游體驗(yàn)

3.3 BIM+平臺

3.3.1 智慧工地平臺

智慧工地平臺將施工現(xiàn)場的應(yīng)用和硬件設(shè)備集成到一個統(tǒng)一的平臺，并將產(chǎn)生的數(shù)據(jù)匯集，形成數(shù)據(jù)中心。基于智慧工地平臺，各個應(yīng)用之間可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通并形成聯(lián)動，智能識別問題進(jìn)行預(yù)警，從而實(shí)現(xiàn)施工現(xiàn)場數(shù)字化、在線化、智能化的綜合管理[8]。例如，智慧工地平臺與門禁系統(tǒng)相結(jié)合，對現(xiàn)場作業(yè)人員的身份信息、教育消息、勞動考勤、工資發(fā)放等信息進(jìn)行采集和動態(tài)管理，持證上崗，加強(qiáng)現(xiàn)場人員動態(tài)管理，規(guī)范作業(yè)人員綜合信息，提高項(xiàng)目信息化管理水平。如圖14～15所示。

圖14 智慧工地應(yīng)用

圖15 勞務(wù)管理應(yīng)用

圖16 質(zhì)安問題采集

3.3.2 5D云平臺

(1)協(xié)同平臺[9， 10]

利用BIM 5D管理平臺將項(xiàng)目資料與模型關(guān)聯(lián)，協(xié)調(diào)項(xiàng)目各專業(yè)、各部門之間合作并實(shí)現(xiàn)施工全過程的信息共享。質(zhì)檢員、安全員等項(xiàng)目參與者發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場問題，通過BIM5D手機(jī)端實(shí)時記錄，并定位同步到項(xiàng)目云端，可快速下達(dá)整改指令及跟蹤反饋，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場問題手機(jī)端、PC端與Web端的三端協(xié)同管理及快速反應(yīng)機(jī)制，提高管理效率。如圖16所示。

(2)進(jìn)度管理應(yīng)用

通過模型流水段劃分與關(guān)聯(lián)，進(jìn)度計(jì)劃關(guān)聯(lián)與分析，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場施工進(jìn)度與計(jì)劃進(jìn)度的協(xié)調(diào)管控； 及時反饋現(xiàn)場施工進(jìn)度偏差并分析進(jìn)度延誤原因[11]，采取增加人工、機(jī)械、夜間施工等糾偏措施。如圖17所示。

(3)物料分析

模型與施工預(yù)算及合同預(yù)算進(jìn)行清單關(guān)聯(lián)，可以進(jìn)行快速提量，明確物資需求，提前做好物資需用計(jì)劃。根據(jù)分期報(bào)量，對比實(shí)際完成，使得業(yè)主在支付工程預(yù)付款和進(jìn)度款時有理可據(jù)。如圖18～19所示。

3.4 BIM+重難點(diǎn)應(yīng)用

3.4.1 屋面工程

本項(xiàng)目金屬屋面面積大，且為雙曲面，施工難度大。首先將revit土建模型、犀牛外立面模型、Tekla鋼結(jié)構(gòu)模型三者合一，找出碰撞部位，完善曲面平滑度，最終獲得無曲率突變、光滑度較高的屋面。如圖20～21所示。

圖17 進(jìn)度管理流程

圖18 材料需用計(jì)劃

圖19 分期物資報(bào)量

圖20 屋面龍骨深化

圖21 屋面板深化

其次，由于屋面劃分后， 90%以上都是雙曲面板，若按照常規(guī)劃分，大大增加了屋面的材料費(fèi)用，我們通過BIM技術(shù)，統(tǒng)計(jì)每一塊雙曲面板的最高點(diǎn)及角點(diǎn)到平面的距離，將50%的雙曲面板優(yōu)化為平板，剩下一半的優(yōu)化為單曲面板，在保證不改變原有建筑整體效果的前提下，節(jié)約了成本[12]。屋面典型節(jié)點(diǎn)進(jìn)行深化出圖，對屋面各層構(gòu)造進(jìn)行可視化標(biāo)示，提高施工水平。如圖22～23所示。

圖22 屋面典型節(jié)點(diǎn)深化

圖23 屋面板尺寸定位

最后，提取屋面板定位和尺寸，并對每一塊面板進(jìn)行編號，形成材料明細(xì)表，在工廠進(jìn)行材料準(zhǔn)備和切割下料，生成預(yù)制構(gòu)件，為工程縮短施工工期20天。

表3 鋼結(jié)構(gòu)吊裝方案對比表

3.4.2 鋼結(jié)構(gòu)安裝工程

本項(xiàng)目鋼結(jié)構(gòu)分為四個部分，手球館屋蓋鋼結(jié)構(gòu)，文化中心線屋蓋鋼結(jié)構(gòu)，連廊飄帶鋼結(jié)構(gòu)(屬于文化中心工程)、游泳館屋蓋鋼結(jié)構(gòu)。鋼結(jié)構(gòu)均為異形不規(guī)則曲面造型，構(gòu)件型式復(fù)雜，最大跨度76m。如圖24所示。

圖24 項(xiàng)目鋼結(jié)構(gòu)體系

(1)施工方案比較與選定[13]

經(jīng)探討分析，方案一在施工進(jìn)度、工程造價、質(zhì)量保證、安全性等方面都具有一定的優(yōu)勢，結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際情況，綜合考慮，建議方案一作為最終的鋼結(jié)構(gòu)安裝施工方案。如圖25所示。

圖25 鋼結(jié)構(gòu)重大節(jié)點(diǎn)受力分析

(2)鋼結(jié)構(gòu)深化

工程鋼結(jié)構(gòu)異性構(gòu)件較多，各類連接節(jié)點(diǎn)和曲型構(gòu)件復(fù)雜，需要對模型進(jìn)行深化，輸出零部件加工圖，提前做好材料準(zhǔn)備，避免影響施工進(jìn)度。如圖26所示。

圖26 鋼結(jié)構(gòu)深化

(3)預(yù)制構(gòu)件

對無法組裝的鋼管拱異性構(gòu)件進(jìn)行預(yù)制加工，將鋼管拱模型導(dǎo)出具有圖形、材質(zhì)、編號、數(shù)量等信息的數(shù)控文件，軟件按材質(zhì)、板厚自動分組創(chuàng)建排料計(jì)劃。將排料計(jì)劃導(dǎo)入到切割程序中，機(jī)床自動進(jìn)行數(shù)字化加工，生成預(yù)制化構(gòu)件。

(4)預(yù)拼裝

對預(yù)拼裝桁架現(xiàn)場進(jìn)行三維掃描，掃描開始前根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境規(guī)劃掃描站點(diǎn)。采用掃描裝置來進(jìn)行高精度的數(shù)據(jù)掃描測量。通過點(diǎn)云過濾、生成點(diǎn)云模型、在電腦中進(jìn)行預(yù)拼裝演示，保證桁架吊裝就位后能順利組合。并將BIM模型與點(diǎn)云模型進(jìn)行比對調(diào)整，確保最后竣工模型與施工現(xiàn)場一致。如圖27～28所示。

圖27 鋼結(jié)構(gòu)掃描

(5)鋼結(jié)構(gòu)受力分析

將鋼屋蓋模型導(dǎo)入專業(yè)結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件(Midas Gen)中進(jìn)行吊裝過程計(jì)算分析，鋼結(jié)構(gòu)不規(guī)則桁架體系受力復(fù)雜。通過對整個吊裝過程中的每段桁架進(jìn)行有限元分析計(jì)算，比選最優(yōu)吊裝方案，保證應(yīng)力和撓度符合技術(shù)要求，確保吊裝安全[14]。如圖29所示。

圖28 點(diǎn)云過濾

圖29 不規(guī)則桁架吊裝方案比選

(6)應(yīng)力檢測

項(xiàng)目現(xiàn)場安裝監(jiān)測結(jié)構(gòu)應(yīng)力形變的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，利用無線網(wǎng)絡(luò)傳輸方式，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆破脚_數(shù)據(jù)庫。在系統(tǒng)前端通過讀取后臺數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)集成與分析，保證結(jié)構(gòu)施工過程中結(jié)構(gòu)應(yīng)力狀態(tài)和變形狀態(tài)始終處于安全范圍[15]。將云平臺數(shù)據(jù)庫與移動端相連，實(shí)時收集項(xiàng)目現(xiàn)場的結(jié)構(gòu)監(jiān)控報(bào)警事項(xiàng)。便于一線管理人員通過移動設(shè)備，對現(xiàn)場數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時反饋。如圖30～31所示。

圖30 應(yīng)力監(jiān)測

圖31 應(yīng)力數(shù)據(jù)匯總

4 應(yīng)用效益

項(xiàng)目作為2020年冬季奧運(yùn)會亞洲區(qū)女子手球資格賽比賽場地，合同工期1 080天。后因承辦2019年第二屆全國青年運(yùn)動會手球乙組決賽，急劇縮短為14個月。在這種嚴(yán)峻的情況下，為實(shí)現(xiàn)對客戶保質(zhì)保時完成項(xiàng)目的承諾，我們通過BIM技術(shù)，在組織、管理、技術(shù)、經(jīng)濟(jì)四大方面進(jìn)行優(yōu)化，減少85%以上圖紙錯誤，降低項(xiàng)目成本約1 500萬元，縮短工期約100天。

5 總結(jié)

5.1 創(chuàng)新點(diǎn)

(1)項(xiàng)目鋼結(jié)構(gòu)安裝運(yùn)用BIM技術(shù)進(jìn)行施工全過程管控，通過深化設(shè)計(jì)、預(yù)制加工、三位掃描模擬預(yù)拼裝、吊裝受力分析、張拉受力監(jiān)測等技術(shù)方法，提高安裝精度和質(zhì)量水平。

(2)以BIM技術(shù)為載體通過云平臺、智慧工地、物聯(lián)網(wǎng)、三維掃描、各類智能監(jiān)控系統(tǒng)等向項(xiàng)目的智慧化管理逐步探索。

5.2 經(jīng)驗(yàn)總結(jié)

本文針對曲型場館施工過程大型鋼結(jié)構(gòu)和曲型屋面安裝難題，建立完整BIM技術(shù)應(yīng)用流程。

(1)體育場館造型獨(dú)特，單獨(dú)軟件無法滿足模型精度，使用各專業(yè)軟件交互使用，探索軟件交互標(biāo)準(zhǔn)，保證軟件間信息共互動，形成緊密連接的信息數(shù)據(jù)鏈；

(2)規(guī)范項(xiàng)目平臺管理機(jī)制，建立施工全過程管控流程，讓各部門參與到施工管理過程中，提高組織管理水平；

(3)以落地應(yīng)用為導(dǎo)向，對應(yīng)用效果進(jìn)行常態(tài)化總結(jié)調(diào)整，持續(xù)改進(jìn)應(yīng)用方案，讓BIM技術(shù)與現(xiàn)場管理能夠更好結(jié)合，提高科學(xué)化管理水平。