國(guó)家會(huì)議中心二期項(xiàng)目全專業(yè)協(xié)同BIM設(shè)計(jì)中結(jié)構(gòu)專業(yè)探索研究與應(yīng)用總結(jié)

常 婷， 韓 巍， 于東暉， 王鑫鑫

(北京市建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司， 北京 100045)

0 引言

近年來(lái)，BIM技術(shù)在建筑設(shè)計(jì)行業(yè)掀起了一場(chǎng)技術(shù)革命，逐漸改變了工程設(shè)計(jì)人員的工作方式。BIM(Building Information Modeling，建筑信息模型)以建筑工程項(xiàng)目的各項(xiàng)相關(guān)信息數(shù)據(jù)作為模型的基礎(chǔ)，進(jìn)行建筑模型的建立，通過(guò)數(shù)字信息仿真模擬建筑物所具有的真實(shí)信息。三維的模型可以更直接的發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、完善設(shè)計(jì)，也為后續(xù)施工及運(yùn)營(yíng)帶來(lái)便捷。BIM設(shè)計(jì)幫助全專業(yè)完成從二維到三維的轉(zhuǎn)換。新技術(shù)總是要一步步被接受，也就衍生出正向BIM設(shè)計(jì)和反向BIM設(shè)計(jì)兩種形式。

反向BIM設(shè)計(jì)是目前主流的設(shè)計(jì)方式，俗稱“翻?！保焊鲗I(yè)工程師先完成二維的施工圖，再請(qǐng)專業(yè)的BIM團(tuán)隊(duì)根據(jù)施工圖建立三維模型，經(jīng)過(guò)管綜和專業(yè)校核后，將需要調(diào)整的位置一一列出，再由各專業(yè)工程師調(diào)整并修改施工圖。流程可簡(jiǎn)單概括為“出圖→建?！膱D”。

正向BIM設(shè)計(jì)也就是全專業(yè)協(xié)同BIM設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)階段由各專業(yè)工程師直接建立三維BIM模型，由三維模型直接導(dǎo)出二維施工圖，流程為“建?！鰣D”。正向設(shè)計(jì)流程看似更簡(jiǎn)單直接，但需要設(shè)計(jì)人員改變傳統(tǒng)且熟悉的工作方式和管理流程，對(duì)專業(yè)間配合的同步性要求更高，對(duì)設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)是一個(gè)不小的挑戰(zhàn)。

國(guó)家會(huì)議中心二期項(xiàng)目，采用全專業(yè)協(xié)同的BIM設(shè)計(jì)。BIM設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)是基于建筑全生命周期的，模型建立階段不僅要解決設(shè)計(jì)、施工及建造階段的問(wèn)題，還需考慮業(yè)主及運(yùn)維管理團(tuán)隊(duì)后期全過(guò)程的要求，這也是本項(xiàng)目BIM設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和亮點(diǎn)之一。本文討論并總結(jié)了結(jié)構(gòu)專業(yè)在設(shè)計(jì)過(guò)程中引入正向BIM設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)、現(xiàn)階段正向BIM設(shè)計(jì)存在的難點(diǎn)與問(wèn)題，以期為后續(xù)項(xiàng)目開(kāi)展全專業(yè)協(xié)同BIM設(shè)計(jì)提供幫助。

1 工程概況

國(guó)家會(huì)議中心二期項(xiàng)目(簡(jiǎn)稱國(guó)會(huì)二期)位于北京市朝陽(yáng)區(qū)大屯路隧道以北，毗鄰國(guó)家會(huì)議中心一期，大屯北路從建筑中央穿過(guò)，與地鐵15號(hào)線奧森公園站接駁。項(xiàng)目體現(xiàn)“全球視野、國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)、中國(guó)特色、大國(guó)氣派、科技引領(lǐng)”的設(shè)計(jì)理念，為北京城市中軸線上展示首都風(fēng)貌的重要建筑，主要功能為會(huì)議、展覽中心及配套用房(圖1)[1]。未來(lái)國(guó)會(huì)二期將作為北京乃至全國(guó)又一處重要的會(huì)議場(chǎng)所，除此之外，它還是2022年北京冬奧會(huì)和冬殘奧會(huì)主媒體中心(MMC)，為全球媒體提供全方位服務(wù)保障。

圖1 國(guó)會(huì)二期整體鳥(niǎo)瞰圖

2 工程設(shè)計(jì)重點(diǎn)與難點(diǎn)

2.1 體量大

國(guó)會(huì)二期總建筑面積約40.9萬(wàn)m2，南北長(zhǎng)約456m，東西寬約144m，建筑主要檐口高度45m(最高點(diǎn)52m)，地下12.5m。不設(shè)置永久結(jié)構(gòu)縫。結(jié)構(gòu)BIM模型如圖2所示。

圖2 國(guó)會(huì)二期結(jié)構(gòu)BIM模型

2.2 結(jié)構(gòu)復(fù)雜

本項(xiàng)目結(jié)構(gòu)體系設(shè)置如圖3所示。首層(0～20m)會(huì)議區(qū)設(shè)置約8 000m2的主會(huì)場(chǎng)，采用72m轉(zhuǎn)換桁架實(shí)現(xiàn)無(wú)柱空間，桁架中心高度6.9m。展覽區(qū)設(shè)置兩個(gè)約10 000m2的無(wú)柱展廳，采用81m轉(zhuǎn)換桁架實(shí)現(xiàn)無(wú)柱空間，桁架中心高度6.7m。首層橫跨市政道路大屯北路上方采用36m轉(zhuǎn)換桁架。具體布置如圖4所示。

圖3 國(guó)會(huì)二期結(jié)構(gòu)體系概況

圖4 國(guó)會(huì)二期首層結(jié)構(gòu)布置示意圖

二層(20～30.8m)的主要功能是辦公和會(huì)議。三層(30.8m～屋面)的主要功能是宴會(huì)廳、峰會(huì)廳、午宴廳和配套的休閑空間，其中存在大大小小的“房中房”，如圖5所示。

圖5 國(guó)會(huì)二期三層結(jié)構(gòu)布置示意圖

屋面根據(jù)建筑使用要求，宴會(huì)廳上方布置有72m平面桁架，峰會(huì)廳、午宴廳及其休閑區(qū)域上方布置72m的拉索上拱單層網(wǎng)殼，序廳上方布置平面桁架，最大懸挑長(zhǎng)度約21m。屋頂結(jié)構(gòu)布置示意如圖6所示。

圖6 國(guó)會(huì)二期屋頂結(jié)構(gòu)布置示意圖

2.3 工期緊張

作為2022年北京冬奧會(huì)和冬殘奧會(huì)主媒體中心(MMC)，本項(xiàng)目需要在2021年7月交付國(guó)際廣播中心(IBC)使用，2021年9月交付主新聞中心(MPC)使用。

設(shè)計(jì)人員需提供賽后設(shè)計(jì)和賽時(shí)設(shè)計(jì)兩套施工圖紙。項(xiàng)目于2018年11月正式進(jìn)入賽后初設(shè)階段，2020年4月完成全部賽后施工圖。2020年10月，主體結(jié)構(gòu)封頂。

2.4 多部門協(xié)同設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目體量大、工期緊張，有近百位各專業(yè)工程師同時(shí)參與BIM模型的建立，其中，參與結(jié)構(gòu)建模的同事有20多位。在多部門協(xié)同的情況下，BIM工作平臺(tái)的整合及協(xié)同優(yōu)勢(shì)，是項(xiàng)目多團(tuán)隊(duì)、多人員能夠順利配合開(kāi)展工作的前提。

3 BIM設(shè)計(jì)重點(diǎn)與難點(diǎn)

3.1 專業(yè)間協(xié)同配合

專業(yè)間協(xié)同配合流程如下：首先，負(fù)責(zé)結(jié)構(gòu)計(jì)算的工程師根據(jù)建筑專業(yè)提資，進(jìn)行初步建模計(jì)算，和建筑確定豎向構(gòu)件的布置，同時(shí)把初步計(jì)算模型提供給BIM建模的結(jié)構(gòu)工程師。本項(xiàng)目為了方便配合，將結(jié)構(gòu)的BIM建模拆分成梁板和墻柱兩部分。建模的結(jié)構(gòu)工程師除了要以計(jì)算模型為基準(zhǔn)，還要緊跟最新的建筑模型及機(jī)電提資，根據(jù)各專業(yè)功能調(diào)整對(duì)結(jié)構(gòu)BIM模型進(jìn)行修改。結(jié)構(gòu)計(jì)算也要緊跟最新建筑模型，調(diào)整荷載及結(jié)構(gòu)布置。結(jié)構(gòu)的初步BIM模型建好后，提資給建筑、設(shè)備和電氣等專業(yè)進(jìn)行管綜及功能核對(duì)，這些專業(yè)再將需要修改的位置反提給結(jié)構(gòu)專業(yè)，結(jié)構(gòu)建模的工程師根據(jù)已有的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，估算構(gòu)件尺寸，修改BIM模型并提給負(fù)責(zé)結(jié)構(gòu)計(jì)算的工程師進(jìn)行結(jié)構(gòu)驗(yàn)算。

圖7中外圈的循環(huán)在設(shè)計(jì)初期會(huì)有很多輪，但是在BIM平臺(tái)上，這個(gè)過(guò)程中所有修改實(shí)時(shí)更新到中心文件上，便于各專業(yè)溝通。

圖7 全專業(yè)協(xié)同BIM設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)配合流程

3.2 結(jié)構(gòu)專業(yè)BIM設(shè)計(jì)重點(diǎn)與難點(diǎn)

(1)初步建模。REVIT初步結(jié)構(gòu)模型建立方式有兩種：直接建模以及由計(jì)算軟件生成。

目前，PKPM，YJK和MIDAS等結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件均可以和REVIT進(jìn)行互轉(zhuǎn)，可將計(jì)算模型直接轉(zhuǎn)成REVIT模型。采用計(jì)算軟件生成的REVIT模型需要注意以下幾點(diǎn)：1)計(jì)算軟件使用的結(jié)構(gòu)族與出圖樣板對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)族不同，為保證二維出圖效果，需要在REVIT模型生成后，將所有結(jié)構(gòu)構(gòu)件的族進(jìn)行替換。2)計(jì)算模型的精細(xì)度達(dá)不到出圖要求，如梁柱墻偏心布置、數(shù)值不大的升降板等，這類信息在計(jì)算模型中通常不考慮，生成REVIT模型后，需要進(jìn)行調(diào)整。3)對(duì)于一些特殊構(gòu)件，如本項(xiàng)目使用較多的魚腹梁、加腋梁、刀把梁、亞字形截面、王字形截面等，計(jì)算軟件普遍缺少此類族，導(dǎo)出的REVIT模型不能準(zhǔn)確表達(dá)構(gòu)件截面形狀或者不滿足出圖要求，這些特殊構(gòu)件均需要設(shè)計(jì)人員二次開(kāi)發(fā)結(jié)構(gòu)族并在REVIT模型中重新建模。

REVIT直接建模并不復(fù)雜，梁柱墻建模均為拾取起點(diǎn)到終點(diǎn)，板建模需拾取板邊界。

本項(xiàng)目在初步建模時(shí)，對(duì)上述兩種方式均進(jìn)行了嘗試。從計(jì)算軟件生成REVIT模型看似簡(jiǎn)單方便，但實(shí)際上存在大量的修改工作。對(duì)于簡(jiǎn)單規(guī)整的項(xiàng)目，初步建模建議由計(jì)算軟件生成REVIT模型；對(duì)于復(fù)雜項(xiàng)目，直接建立REVIT模型更加直觀，模型的準(zhǔn)確性及完成度更容易得到保證。

(2)二次族開(kāi)發(fā)。魚腹梁、加腋梁、刀把梁、亞字形截面、王字形截面、剪力墻異形墻洞等均在本項(xiàng)目中大量使用，需進(jìn)行二次族開(kāi)發(fā)。以魚腹梁為例，在YJK模型中，為準(zhǔn)確分析，一根魚腹梁需分為5段建模計(jì)算，即等截面H型鋼梁-變截面H型鋼梁-等截面H型鋼梁-變截面H型鋼梁-等截面H型鋼梁；REVIT模型中，也可以按照五段建模魚腹梁，如圖8(a)所示，這種建模方法對(duì)后期模型移交運(yùn)營(yíng)及結(jié)構(gòu)造價(jià)均不造成影響，但是二維出圖時(shí)，梁截面會(huì)分段進(jìn)行標(biāo)注，如圖8(b)所示，而常規(guī)魚腹梁出圖效果應(yīng)按照?qǐng)D8(c)所示。對(duì)特殊構(gòu)件進(jìn)行二次族開(kāi)發(fā)，是當(dāng)前REVIT軟件亟待解決的問(wèn)題之一。

圖8 REVIT中魚腹梁建模

(3)復(fù)雜空間建模。對(duì)于轉(zhuǎn)換桁架、房中房(如峰會(huì)廳鋼結(jié)構(gòu)、午宴廳鋼結(jié)構(gòu)等)、水滴樓梯、弧墻、屋頂網(wǎng)殼、主入口VIP雨棚等空間結(jié)構(gòu)，為保證建筑效果，并且控制凈高、配合管綜，均需要進(jìn)行精準(zhǔn)建模。設(shè)計(jì)人員要有足夠的耐心和細(xì)心保證構(gòu)件的定位、標(biāo)高均滿足各個(gè)專業(yè)要求，尤其是對(duì)于交接位置，如空間結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)連接部位、空間結(jié)構(gòu)與周邊結(jié)構(gòu)的凈距控制等，直接影響專業(yè)內(nèi)、專業(yè)間的配合效率。

(4)模型修改。在整個(gè)項(xiàng)目過(guò)程中，會(huì)經(jīng)歷大量的模型修改。由于多人協(xié)同工作，REVIT模型的修改要及時(shí)通知計(jì)算者以及梁板柱墻施工圖繪制者。通常，本項(xiàng)目每周會(huì)從最新的模型中導(dǎo)出模板圖，所有修改以云線及補(bǔ)充說(shuō)明的形式，告知計(jì)算及施工圖繪制者。

(5)模型拆分。由于國(guó)會(huì)二期項(xiàng)目體量很大，整個(gè)項(xiàng)目拆分成5個(gè)結(jié)構(gòu)中心模型(地下部分、地上一、二、三層和屋頂層)。每個(gè)中心模型包含的信息量很大，需要至少5～6位結(jié)構(gòu)工程師同時(shí)維護(hù)并實(shí)時(shí)更新到中心文件，軟件卡頓現(xiàn)象較嚴(yán)重。如果繼續(xù)拆分模型，如每層拆成兩個(gè)或者更多的中心模型，則會(huì)導(dǎo)致專業(yè)內(nèi)、外的配合需要鏈接的模型數(shù)過(guò)多，不方便配合與管理，不利于保證模型及出圖效果統(tǒng)一，待后期交付總包及運(yùn)營(yíng)時(shí)，也會(huì)增加管理難度。

(6)出圖。生成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖紙，這也是BIM設(shè)計(jì)的最基本的要求。這里所說(shuō)的設(shè)計(jì)圖紙，主要是結(jié)構(gòu)模板圖以及一些復(fù)雜剖面。第(5)項(xiàng)已經(jīng)提及，結(jié)構(gòu)中心模型包含的信息量很大，軟件卡頓嚴(yán)重，所以在工程量大、設(shè)計(jì)周期緊張、前置管綜完成度要求很高的情況下，本項(xiàng)目經(jīng)綜合考慮，采用REVIT直接生成模板圖及復(fù)雜剖面，而結(jié)構(gòu)梁板柱墻平法施工圖及相關(guān)的詳圖，通過(guò)CAD繪制。如后期可以提高軟件的運(yùn)行速度、提高設(shè)計(jì)者的計(jì)算機(jī)配置，也可以實(shí)現(xiàn)所有施工圖紙采用REVIT軟件繪制。

由BIM模型導(dǎo)出的模板圖和傳統(tǒng)CAD繪制的圖紙并無(wú)二致，滿足出圖要求。典型的結(jié)構(gòu)模板圖如圖9所示。

圖9 典型的結(jié)構(gòu)模板圖

(7)基礎(chǔ)建模。基礎(chǔ)建模需要耗費(fèi)大量時(shí)間，并且基礎(chǔ)模型對(duì)專業(yè)間協(xié)同設(shè)計(jì)影響不大，因此，在設(shè)計(jì)及施工周期緊張的情況下，本著抓大放小的原則，可將基礎(chǔ)模型后置，即反向BIM，以確保主體結(jié)構(gòu)建模的時(shí)效性。基礎(chǔ)建模的復(fù)雜之處在于基礎(chǔ)放坡。獨(dú)立存在的基礎(chǔ)，目前有單獨(dú)的族，可以直接生成放坡。但是，對(duì)于承臺(tái)、集水坑和電梯基坑等布置集中處，放坡存在交叉，需要采用內(nèi)建模型對(duì)每個(gè)構(gòu)件單獨(dú)進(jìn)行處理，若放坡進(jìn)入相鄰集水坑或電梯基坑，還需要在集水坑或電梯基坑位置設(shè)置體量剪切。采用內(nèi)建模型進(jìn)行基礎(chǔ)建模，還可以準(zhǔn)確的對(duì)基礎(chǔ)放坡的工程量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，為后續(xù)的造價(jià)及算量提供依據(jù)。典型的基礎(chǔ)放坡如圖10所示。

圖10 REVIT基礎(chǔ)放坡模型

4 全專業(yè)協(xié)同BIM設(shè)計(jì)的優(yōu)缺點(diǎn)

對(duì)于結(jié)構(gòu)專業(yè)來(lái)說(shuō)，區(qū)別于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)，全專業(yè)協(xié)同BIM設(shè)計(jì)有很多優(yōu)點(diǎn)。

(1)提高專業(yè)間協(xié)同工作效率：各專業(yè)所有修改所見(jiàn)即所得，無(wú)歧義，溝通效率提高很多。

(2)圖紙質(zhì)量高：基于BIM模型的協(xié)同工作，提高了全專業(yè)設(shè)計(jì)閉合性，最大限度減少錯(cuò)漏碰缺。設(shè)計(jì)階段的前置管綜，提高了建筑師對(duì)重點(diǎn)空間的把控，使得設(shè)計(jì)成果遠(yuǎn)超預(yù)期。施工階段由于專業(yè)配合導(dǎo)致的變更大大減少。

(3)三維可視化程度高：對(duì)于空間結(jié)構(gòu)，尤其是房中房等附屬結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)的相對(duì)關(guān)系、是否滿足建筑效果及凈高控制、結(jié)構(gòu)找形與建筑完成面的契合以及復(fù)雜交接關(guān)系控制等，通過(guò)BIM模型可以一目了然。高度可視化的模型，也使管綜布置明確、合理。

圖11 峰會(huì)廳二次結(jié)構(gòu)與屋面及設(shè)備管線示意圖

(4)方便外部模型的鏈接與整合：項(xiàng)目過(guò)程中可以實(shí)現(xiàn)幕墻、鋼結(jié)構(gòu)深化等專項(xiàng)設(shè)計(jì)的跨階段統(tǒng)籌，尤其在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及施工先行的情況下，最大限度實(shí)現(xiàn)了對(duì)復(fù)雜幕墻、景觀等專項(xiàng)設(shè)計(jì)的預(yù)留條件，保證后續(xù)工作順利開(kāi)展。

(5)為后續(xù)設(shè)計(jì)施工一體化奠定基礎(chǔ)：BIM協(xié)同設(shè)計(jì)形成了可視化技術(shù)交底，現(xiàn)有成果可直接應(yīng)用到深化設(shè)計(jì)，施工模擬、施工方案優(yōu)化等方面，高效且直觀，隨著EPC與裝配式項(xiàng)目的推廣，這種統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的模型與平臺(tái)，可以有效地提高項(xiàng)目質(zhì)量同時(shí)降低不必要的成本。

全專業(yè)協(xié)同BIM設(shè)計(jì)也存在難點(diǎn)與問(wèn)題：

(1)結(jié)構(gòu)工作量增大顯著：設(shè)計(jì)階段的前置管綜，要求結(jié)構(gòu)專業(yè)在設(shè)計(jì)中期就提供相對(duì)準(zhǔn)確的BIM模型，而結(jié)構(gòu)建模也需要一定的時(shí)間完成，此時(shí)建筑平面尚未穩(wěn)定，所以結(jié)構(gòu)計(jì)算提給BIM梁板和墻柱的第一版計(jì)算模型相對(duì)粗糙，隨著建筑平面的逐步完善以及管綜的進(jìn)行，BIM梁板和墻柱會(huì)根據(jù)專業(yè)的提資多次調(diào)整結(jié)構(gòu)構(gòu)件，造成工作量明顯增大。與傳統(tǒng)的CAD工作模式相比，在設(shè)計(jì)周期不變的情況下，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的工作量至少增加30%。

(2)REVIT軟件尚需二次開(kāi)發(fā)：目前REVIT軟件尚有很多不完善之處。比如說(shuō)構(gòu)件之間的扣減，按照墻柱>梁>樓板的優(yōu)先級(jí)，需要多次手動(dòng)扣減。構(gòu)件之間是否扣減并不影響專業(yè)內(nèi)外配合與出圖效果，僅會(huì)影響材料用量統(tǒng)計(jì)。對(duì)于精細(xì)化建模，扣減的工作量不可忽視，希望未來(lái)軟件可以實(shí)現(xiàn)一鍵扣減。另外，族庫(kù)并不完整，尚需研發(fā)人員根據(jù)工程特點(diǎn)開(kāi)發(fā)特定的族，同時(shí)滿足二維出圖要求。

(3)對(duì)于大型項(xiàng)目，尤其是多人在中心文件上同時(shí)工作時(shí)，軟件卡頓現(xiàn)象嚴(yán)重，影響工作效率。

(4)對(duì)專業(yè)間協(xié)同要求高，必須多專業(yè)同步建模，才能最大限度的提高效率、減少不必要的返工。因此個(gè)別專業(yè)、個(gè)別設(shè)計(jì)人員工作的不及時(shí)、不到位，將給整個(gè)團(tuán)隊(duì)帶來(lái)嚴(yán)重后果。

5 結(jié)語(yǔ)

全專業(yè)協(xié)同BIM設(shè)計(jì)幫助設(shè)計(jì)師完成從二維到三維的轉(zhuǎn)變。設(shè)計(jì)信息的完整性、系統(tǒng)性、連續(xù)性、可傳遞性得到大大加強(qiáng)，不僅可以提高專業(yè)間協(xié)同工作效率，完善的專業(yè)設(shè)計(jì)閉合性也可最大限度減少錯(cuò)漏碰缺，得到高質(zhì)量的施工圖紙，為后續(xù)設(shè)計(jì)施工一體化奠定基礎(chǔ)。

在當(dāng)前大環(huán)境下，設(shè)計(jì)及施工周期普遍緊張，全專業(yè)協(xié)同BIM設(shè)計(jì)相對(duì)于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)專業(yè)的工作量明顯增多，再加上軟件平臺(tái)尚不完善，影響工作效率，使得全專業(yè)協(xié)同BIM設(shè)計(jì)的推廣阻力重重。未來(lái)應(yīng)著重REVIT軟件的二次開(kāi)發(fā)，提升用戶使用感受。相信不久的未來(lái)，全專業(yè)協(xié)同BIM設(shè)計(jì)會(huì)成為主流設(shè)計(jì)方式，受到越來(lái)越多的工程師的青睞，運(yùn)用它創(chuàng)造出更為完善的建筑設(shè)計(jì)。