基于BIM的快速建造技術(shù)在設(shè)計(jì)施工中的應(yīng)用研究

于學(xué)剛

中建八局第四建設(shè)有限公司 山東 青島 266100

隨著當(dāng)今社會(huì)的日益發(fā)展，人們對(duì)環(huán)境品質(zhì)的要求逐步提高，尤其對(duì)大型公共建筑環(huán)境因素的要求日趨嚴(yán)苛。在快速建造的發(fā)展趨勢(shì)下，對(duì)施工單位的技術(shù)創(chuàng)新能力提出了新的要求[1-7]。

本文以青島國(guó)際會(huì)議中心項(xiàng)目為載體，從設(shè)計(jì)入手，通過(guò)應(yīng)用BIM技術(shù)進(jìn)行施工過(guò)程的仿真模擬和虛擬建造，對(duì)建設(shè)問(wèn)題提前預(yù)判并進(jìn)行解決，實(shí)現(xiàn)了工程的高質(zhì)量快速建造。

1 工程概況

青島國(guó)際會(huì)議中心是上海合作組織成員國(guó)元首理事會(huì)（簡(jiǎn)稱上合峰會(huì)）主會(huì)場(chǎng)，總用地面積31 017 m2，總建筑面積53 924 m2，總造價(jià)14.5億元。由何鏡堂院士團(tuán)隊(duì)領(lǐng)銜設(shè)計(jì)，突出“山水一體、海天一色”的場(chǎng)地環(huán)境，融入海洋元素塑造地域特色。主要功能區(qū)分為會(huì)議室、新聞發(fā)布廳、工作間、貴賓休息室、多功能廳、同聲傳譯室和設(shè)備用房。

青島國(guó)際會(huì)議中心作為國(guó)際級(jí)高標(biāo)準(zhǔn)會(huì)議場(chǎng)館，會(huì)場(chǎng)功能及系統(tǒng)極為復(fù)雜，聲、光、舒適度均需達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水準(zhǔn)；工程從方案設(shè)計(jì)到竣工驗(yàn)收僅6個(gè)月時(shí)間，對(duì)系統(tǒng)調(diào)試的精度與時(shí)間要求嚴(yán)苛。

1.1 復(fù)雜的光環(huán)境

主會(huì)場(chǎng)位于建筑3層，室內(nèi)空間長(zhǎng)37 m、寬30 m，天花高9 m，總面積1 315 m2。設(shè)置主花燈1盞、功能性照明燈具296盞、裝飾性照明燈具124盞。

水平照度要求不低于750 lx，垂直照度要求不低于500 lx。對(duì)于圓桌會(huì)議區(qū)、隨從人員座位區(qū)、開(kāi)放活動(dòng)區(qū)，照度遞減，用光環(huán)境突出整個(gè)空間中心圓桌區(qū)的主導(dǎo)及領(lǐng)袖地位。

1.2 精確的氣流組織

為保障峰會(huì)環(huán)境水準(zhǔn)，彰顯大國(guó)品質(zhì)，工程設(shè)計(jì)階段確定了24 ℃±0.5 ℃的溫控要求與全范圍無(wú)風(fēng)感的控制目標(biāo)，重點(diǎn)關(guān)注大范圍會(huì)議室、小范圍會(huì)議室、雙邊會(huì)議室、多功能宴會(huì)廳和VIP休息室等17個(gè)主要接待用房。

1.3 嚴(yán)格的聲學(xué)標(biāo)準(zhǔn)

基于對(duì)峰會(huì)聲學(xué)環(huán)境的綜合考慮，確定了精度為±0.2 s的混響時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)與NR35容噪要求，同時(shí)需要保證均勻的聲場(chǎng)分布和平穩(wěn)的頻率特性。

2 項(xiàng)目技術(shù)研發(fā)體系

為保證項(xiàng)目在6個(gè)月內(nèi)完成設(shè)計(jì)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)施工順利交付，必須在設(shè)計(jì)階段提出解決聲、光、舒適度的技術(shù)措施。

為此，項(xiàng)目組建了以總指揮為組長(zhǎng)，17名設(shè)計(jì)師、32名BIM工程師、9名現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)管理人員協(xié)同交互的技術(shù)攻堅(jiān)團(tuán)隊(duì)，合署辦公。結(jié)合項(xiàng)目情況提出了基于BIM的快速建造技術(shù)，研發(fā)了BIM＋會(huì)場(chǎng)光學(xué)模擬施工技術(shù)、BIM＋舒適度模擬設(shè)計(jì)技術(shù)、BIM＋聲學(xué)模擬選型技術(shù)[8-11]。

3 技術(shù)研發(fā)應(yīng)用

3.1 BIM＋會(huì)場(chǎng)光學(xué)模擬施工技術(shù)

3.1.1 功能照明設(shè)計(jì)方案

1）中心圓桌區(qū)頂部主花燈作為天花板造型的視覺(jué)中心，提供空間的視覺(jué)感和垂直照度；主花燈節(jié)點(diǎn)處及中心造型節(jié)點(diǎn)處的筒燈提供水平照度，補(bǔ)充垂直照度（圖1）。

圖1 主會(huì)場(chǎng)天花燈具布置

2）中心向外圍過(guò)渡區(qū)域的成組下照筒燈實(shí)現(xiàn)功能照明。

3）點(diǎn)狀分布洗墻筒燈與下照筒燈配光疊加，提供立面造型洗墻效果，提高立面垂直照度。

4）燈具標(biāo)準(zhǔn)：光源色溫4 000 K，為中性白色溫，顯色指數(shù)＞90。

3.1.2 裝飾照明設(shè)計(jì)方案

1）格柵區(qū)：天花椽子最上層弧形槽結(jié)構(gòu)內(nèi)線性洗墻燈具作為主花燈與外圍天花照明的過(guò)渡，增加中心區(qū)域挺拔感。

2）裝飾細(xì)節(jié)：天花燈槽突出天花椽子造型的疊級(jí)關(guān)系；裝飾性壁燈點(diǎn)綴墻面層次；墻面造型背襯燈槽烘托出木雕的懸浮感。

3.1.3 模型搭建

基于DIALux evo、AGi32軟件，搭建會(huì)場(chǎng)照明布局，如圖2所示。

圖2 主會(huì)場(chǎng)照明模型

3.1.4 模型分析與優(yōu)化

通過(guò)導(dǎo)入配光曲線進(jìn)行研究與分析，經(jīng)過(guò)多輪模擬、調(diào)整、試驗(yàn)，確定了會(huì)場(chǎng)照明整體布局與燈具選型。

3.1.5 模型轉(zhuǎn)化

根據(jù)最終照明布局，形成主會(huì)場(chǎng)照明模擬報(bào)告和燈具點(diǎn)位圖，指導(dǎo)施工定位。

3.1.6 燈具第1輪篩選

在燈具采購(gòu)階段，根據(jù)模擬結(jié)果，對(duì)樣品燈具的色溫、顯色指數(shù)、色容差、峰值光強(qiáng)、半光強(qiáng)光束角、10%光強(qiáng)光束角、燈光頻閃和結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)進(jìn)行第1輪篩選。

3.1.7 燈具第2輪復(fù)測(cè)

對(duì)基本參數(shù)符合要求的燈具，配合智能燈光控制系統(tǒng)，對(duì)最高亮度功率輸出、最低亮度功率輸出、最低/最高功率百分比、最低/最高光輸出百分比、調(diào)光過(guò)程頻閃情況進(jìn)行調(diào)光匹配性測(cè)試，確定最終選型。

3.1.8 實(shí)施效果

工程實(shí)施完成后，經(jīng)各方檢測(cè)，現(xiàn)場(chǎng)照度及燈光層次滿足要求。

3.2 BIM＋舒適度模擬設(shè)計(jì)技術(shù)

3.2.1 實(shí)施方案

為了確保室內(nèi)環(huán)境舒適度達(dá)到本次會(huì)議要求，項(xiàng)目部采用Ansys Fluent軟件和Ansys CFX軟件對(duì)建筑室內(nèi)氣流組織進(jìn)行了CFD數(shù)值模擬評(píng)價(jià)。通過(guò)室內(nèi)環(huán)境數(shù)值模擬技術(shù)應(yīng)用，校核優(yōu)化通風(fēng)空調(diào)設(shè)計(jì)，調(diào)整空調(diào)風(fēng)口排布及風(fēng)量，先后對(duì)17個(gè)重要房間進(jìn)行方案比對(duì)，確保項(xiàng)目一次成優(yōu)。

3.2.2 VIP休息室模擬案例說(shuō)明

1）初步模擬。VIP休息室初始設(shè)計(jì)參數(shù)為：送風(fēng)溫度16 ℃、送風(fēng)風(fēng)量5 000 m3/h、送風(fēng)風(fēng)速1.74 m/s。分別對(duì)其中心斷面速度場(chǎng)、中心斷面溫度場(chǎng)、中心斷面速度矢量場(chǎng)、流線圖、人員活動(dòng)區(qū)水平斷面溫度場(chǎng)、低溫包絡(luò)區(qū)域圖等進(jìn)行了模擬分析。

2）模擬結(jié)果分析。模擬結(jié)果如圖3所示，通過(guò)對(duì)圖3的分析可以得知：在該工況下，可以實(shí)現(xiàn)貼附送風(fēng)的效果，人員在房間不會(huì)有吹風(fēng)感，但低溫包絡(luò)區(qū)偏大，整體溫度偏低。

圖3 VIP休息室初始方案模擬結(jié)果

3）方案優(yōu)化。逐步降低VIP休息室風(fēng)量，經(jīng)多輪模擬確定最優(yōu)參數(shù)（圖4）：送風(fēng)溫度為16 ℃、送風(fēng)風(fēng)量3 500 m3/h、送風(fēng)風(fēng)速1.21 m/s。

圖4 VIP休息室最終方案模擬結(jié)果

3.2.3 大范圍會(huì)議室模擬案例說(shuō)明

1）初步模擬。大范圍會(huì)議室（圖5）初始設(shè)計(jì)參數(shù)為：AC側(cè)每側(cè)6個(gè)送風(fēng)口，送風(fēng)風(fēng)速4.5 m/s；BD側(cè)每側(cè)4個(gè)送風(fēng)口，送風(fēng)風(fēng)速4.5 m/s。對(duì)其斷面（圖6）速度場(chǎng)、斷面溫度場(chǎng)、風(fēng)速包絡(luò)、流線圖等進(jìn)行了模擬分析。

圖5 大范圍會(huì)議室物理模型

圖6 大范圍會(huì)議室斷面位置示意

2）模擬結(jié)果分析。通過(guò)對(duì)模擬結(jié)果（圖7）進(jìn)行分析，在該工況下，斷面1的溫度、風(fēng)速符合要求，斷面2、斷面3的溫度基本滿足要求，但高風(fēng)速區(qū)域偏大。

圖7 大范圍會(huì)議室初始方案模擬結(jié)果

3）方案優(yōu)化。優(yōu)化送風(fēng)口分布，逐步降低送風(fēng)風(fēng)速，經(jīng)多輪模擬確定最終參數(shù)：AC側(cè)每側(cè)8個(gè)送風(fēng)口，送風(fēng)風(fēng)速3.4 m/s；BD側(cè)每側(cè)4個(gè)送風(fēng)口，送風(fēng)風(fēng)速4.5 m/s。

3.2.4 實(shí)施效果

項(xiàng)目通過(guò)BIM＋舒適度模擬技術(shù)，實(shí)現(xiàn)通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)調(diào)試一次性合格，空調(diào)房間溫控精度為24 ℃±0.5 ℃，全范圍無(wú)風(fēng)感，第三方檢測(cè)滿足設(shè)計(jì)及使用要求。

3.3 BIM＋聲學(xué)模擬選型技術(shù)

3.3.1 室內(nèi)聲場(chǎng)模擬

基于裝飾吸聲材料選型，采用Odeon10.0廳堂音質(zhì)計(jì)算機(jī)專業(yè)模擬軟件，在計(jì)算機(jī)中建立了相對(duì)應(yīng)的模型，如圖8所示；根據(jù)區(qū)域功能設(shè)置聲源點(diǎn)與接收點(diǎn)，并取125、250、500、1 000、2 000、4 000 Hz這6個(gè)頻率進(jìn)行模擬計(jì)算。

圖8 大范圍會(huì)議室聲場(chǎng)分布模型

3.3.2 聲場(chǎng)模擬結(jié)果分析

以大范圍會(huì)議室模擬結(jié)果為例，會(huì)場(chǎng)容積9 000 m3，混響時(shí)間要求為1.20 s±0.20 s。在建筑模型中設(shè)置9個(gè)接收點(diǎn)，根據(jù)模擬結(jié)果，各接收點(diǎn)在各頻率的混響時(shí)間值均符合設(shè)計(jì)要求。

根據(jù)各頻率、各接收點(diǎn)混響時(shí)間平均值繪制散點(diǎn)圖（圖9），發(fā)現(xiàn)從125 Hz至4 000 Hz，混響時(shí)間數(shù)值呈下降趨勢(shì)，但整體分布均在最佳混響時(shí)間范圍內(nèi)，裝飾選材合理。

圖9 大范圍會(huì)議室混響時(shí)間模擬結(jié)果

3.3.3 實(shí)施效果

會(huì)場(chǎng)經(jīng)檢測(cè)單位聲學(xué)檢測(cè)，各房間混響時(shí)間頻率特性曲線均在設(shè)計(jì)最佳混響時(shí)間范圍內(nèi)，背景噪聲測(cè)試結(jié)果曲線均處于NR35曲線以下，符合設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)應(yīng)用基于BIM的快速建造技術(shù)，合理使用虛擬建造手段，輔助照明點(diǎn)位優(yōu)化與光源參數(shù)選型校核、空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案深化、裝飾吸聲材料選型與校核，實(shí)現(xiàn)了材料參數(shù)一次性精確深化、末端設(shè)備一次性精準(zhǔn)安裝、機(jī)電系統(tǒng)一次性調(diào)試到位，會(huì)場(chǎng)聲、光、舒適度滿足上合峰會(huì)要求，高質(zhì)、高效地實(shí)現(xiàn)了快速建造，在國(guó)內(nèi)外產(chǎn)生了廣泛影響。