北京某主題公園BIM正向設(shè)計(jì)應(yīng)用實(shí)踐及創(chuàng)新

賈學(xué)軍 王久強(qiáng) 史 琦

(1.南京工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，南京 210009； 2.中國建筑第二工程局有限公司華東分公司，上海 200135)

引言

近年來，人們對于高質(zhì)量文化娛樂活動的需求日益增強(qiáng)，中國正日漸崛起成為世界上主要的主題公園市場，各地興起了主題公園建設(shè)的熱潮。

大型主題公園往往包含主題建筑、游藝設(shè)施、景觀道路、河道湖泊以及配套酒店、商店和其他設(shè)施等，其規(guī)模相當(dāng)于或甚至超過一般的文旅小鎮(zhèn)，而且有著區(qū)別于普通小鎮(zhèn)的鮮明特點(diǎn)，如其具有大量造型復(fù)雜的構(gòu)筑物、大量尖端的動感游藝設(shè)備等，都為主題公園的建設(shè)帶來了極大的施工難度。又由于其建筑物的造型通常為了還原某個電影中的主題場景，因此也包含了眾多由一張概念效果圖而開始的數(shù)字化正向設(shè)計(jì)。

本文將以北京某主題公園建設(shè)為例，詳細(xì)闡述了以BIM技術(shù)為主要數(shù)字化設(shè)計(jì)手段的塑石假山正向設(shè)計(jì)、輕鋼龍骨正向設(shè)計(jì)、騎乘結(jié)構(gòu)地下結(jié)構(gòu)埋管正向設(shè)計(jì)以及穹頂高空作業(yè)階梯式操作平臺正向設(shè)計(jì)在主題公園建設(shè)過程中的應(yīng)用。

1 工程概況

1.1 項(xiàng)目簡介

北京某主題公園位于北京市通州區(qū)文化旅游區(qū)內(nèi)，全球規(guī)模最大，總面積超過4km2，樂園核心面積1.2km2，一期包括一個主題公園、一個零售、餐飲、娛樂綜合體、兩座主題度假酒店和一座停車設(shè)施等，項(xiàng)目建設(shè)效果圖如圖1所示，項(xiàng)目建設(shè)位置如圖2所示。

圖1 項(xiàng)目效果圖

圖2 現(xiàn)場位置圖

本司承建其主題公園7個特色主題景區(qū)中的2個，分別為712(區(qū)域2)和717(區(qū)域7)：包括侏羅紀(jì)及小黃人兩個主題樂園。項(xiàng)目建筑用地面積10.7萬m2，共有12座單體建筑，其中游樂設(shè)施5處、劇院1處、餐廳5處及后勤用房1處。單體建筑結(jié)構(gòu)復(fù)雜，專業(yè)系統(tǒng)眾多，采用邊設(shè)計(jì)邊施工，變更量很大，對技術(shù)要求高，協(xié)調(diào)難度巨大。

1.2 工程難點(diǎn)與特點(diǎn)

(1)單體建筑造型復(fù)雜

單體建筑造型復(fù)雜，設(shè)計(jì)難度大。園區(qū)最高的單體為201百鳥園假山單體構(gòu)筑物，高49m，局部三層，地下一層。整座假山總計(jì)2 500t，約有9 400根桿件。在假山建造初期，需要完成大量的設(shè)計(jì)工作，從創(chuàng)意模型到實(shí)體模型制作是藝術(shù)創(chuàng)作的過程。當(dāng)實(shí)體模型被創(chuàng)意認(rèn)可后就進(jìn)入了正式施工籌備階段。應(yīng)用3D掃描技術(shù)將實(shí)體模型轉(zhuǎn)為三維數(shù)據(jù)模型，再應(yīng)用BIM正向設(shè)計(jì)技術(shù)在數(shù)據(jù)模型上完成假山全專業(yè)設(shè)計(jì)與整合。設(shè)計(jì)成果作為唯一的施工依據(jù)，指導(dǎo)現(xiàn)場進(jìn)行加工與生產(chǎn)，BIM設(shè)計(jì)模型如圖3所示。

圖3 巨型假山BIM設(shè)計(jì)模型

(2)設(shè)計(jì)難度大

為了更好地營造沉浸式游樂氛圍，主題公園的建筑造型通常會模仿經(jīng)典電影中的場景設(shè)置，由于其具有富有藝術(shù)特色的復(fù)雜造型，許多構(gòu)筑物在建設(shè)初期，外方提供的設(shè)計(jì)資料僅為一張概念效果圖。如201百鳥園假山單體，外方初期提供的資料僅為假山的概念方案，如何將概念方案轉(zhuǎn)化為重達(dá)2 500t，9 400根桿件的巨型塑石假山，同時又使假山的造型滿足業(yè)主的創(chuàng)意需求，這是工程設(shè)計(jì)的難點(diǎn)，也是施工的難點(diǎn)。利用BIM技術(shù)直接在三維環(huán)境里進(jìn)行設(shè)計(jì)，再利用三維模型和其包含的信息，表達(dá)二維圖紙所表達(dá)不出的圖形位置關(guān)系。

(3)工程協(xié)調(diào)難度大

園區(qū)包含單體多、分布分散、施工場地環(huán)境復(fù)雜、工程工序復(fù)雜、工序之間交接配合多以及協(xié)調(diào)難度大。以裝飾裝修工程為例，裝修工程涉及專業(yè)繁多，施工作業(yè)面廣泛，同一區(qū)域存在多個專業(yè)和不同工序交叉作業(yè)現(xiàn)象，例如墻體施工，包含大量的其他專業(yè)預(yù)留預(yù)埋內(nèi)容，因此工序的交接配合協(xié)調(diào)是其順利實(shí)施的關(guān)鍵。只有在施工前完成專業(yè)之間工序協(xié)調(diào)的確立，利用BIM正向設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)圖紙意圖，才能加快多專業(yè)施工范圍工序流轉(zhuǎn)及實(shí)施進(jìn)度模擬，降低工序顛倒造成的時間及物質(zhì)損失[1-3]。

2 應(yīng)用創(chuàng)新

本工程在BIM應(yīng)用中進(jìn)行了創(chuàng)新，具體內(nèi)容如下：

(1)利用BIM與縮微模型結(jié)合技術(shù)對假山等大型結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行施工圖紙轉(zhuǎn)化，通過等比例創(chuàng)建假山微縮模型，仿真模擬假山的輪廓造型，并結(jié)合三維掃描技術(shù)獲取假山輪廓參數(shù)信息?；谳喞獏?shù)信息，正向設(shè)計(jì)假山骨架結(jié)構(gòu)，降低了設(shè)計(jì)過程中的數(shù)據(jù)傳遞損失，節(jié)約了工期；

(2)利用BIM進(jìn)行輕鋼龍骨正向設(shè)計(jì)，優(yōu)化傳統(tǒng)設(shè)計(jì)流程，高效指導(dǎo)現(xiàn)場施工；

(3)利用BIM正向設(shè)計(jì)，對騎乘單體地下結(jié)構(gòu)埋管進(jìn)行設(shè)計(jì)模擬，極大提升了設(shè)計(jì)施工效率，節(jié)約工期，促進(jìn)項(xiàng)目實(shí)施；

(4)利用BIM正向設(shè)計(jì)，進(jìn)行穹頂高空作業(yè)階梯式操作平臺設(shè)計(jì)優(yōu)化及施工，加快工程施工進(jìn)度，保證施工質(zhì)量，節(jié)約了成本，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期目標(biāo)。

3 BIM正向設(shè)計(jì)應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)

3.1 BIM正向設(shè)計(jì)理念

BIM正向設(shè)計(jì)所傳達(dá)出來的理念是指在設(shè)計(jì)之初即采用BIM技術(shù)作為設(shè)計(jì)手段。BIM正向設(shè)計(jì)是BIM技術(shù)應(yīng)用中最高階的一種，它構(gòu)成了BIM技術(shù)應(yīng)用水準(zhǔn)的一道分水嶺，區(qū)分了BIM應(yīng)用進(jìn)程的初級階段和高級階段[4]。

本工程采用BIM正向設(shè)計(jì)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)在三維環(huán)境進(jìn)行正向設(shè)計(jì)，優(yōu)化設(shè)計(jì)流程，提高工程質(zhì)量。本文以假山模型設(shè)計(jì)、輕鋼龍骨設(shè)計(jì)、演藝騎乘單體地下結(jié)構(gòu)埋管設(shè)計(jì)和穹頂高空作業(yè)階梯式操作平臺設(shè)計(jì)應(yīng)用為例做具體闡述。

3.2 基于BIM的假山正向設(shè)計(jì)

本工程為營造逼真的主題場景，設(shè)計(jì)了大量的假山構(gòu)筑物。由于假山是非常規(guī)造型，在設(shè)計(jì)過程中首先要創(chuàng)建出一個微縮實(shí)體模型，再根據(jù)微縮實(shí)體模型采集相關(guān)空間點(diǎn)位信息，最后完成假山施工圖的設(shè)計(jì)。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法無法將造型復(fù)雜的假山詳細(xì)地表示出各部件之間的空間位置關(guān)系，因此采用BIM正向設(shè)計(jì)顯得尤為重要[5-7]。

通過三維數(shù)字掃描技術(shù)掃描假山微縮模型，獲得具有相對位置關(guān)系的數(shù)據(jù)信息，并利用BIM軟件對三維數(shù)據(jù)信息進(jìn)行電子雕刻，去除無用的數(shù)據(jù)信息，生成真實(shí)有效的三維輪廓模型，正向設(shè)計(jì)協(xié)同流程如圖4所示。

圖4 假山正向協(xié)同設(shè)計(jì)流程

在三維輪廓模型中運(yùn)行碰撞檢測，確保各輪廓模型間沒有沖突，檢測完畢后，即開始假山的正向設(shè)計(jì)。對假山的鋼筋網(wǎng)片模型進(jìn)行正向設(shè)計(jì)，先將假山表皮分割成若干個小單元，每個單元分別作為假山表皮的最小獨(dú)立單元，再對該單元進(jìn)行受力分析，確定內(nèi)部鋼結(jié)構(gòu)骨架的搭設(shè)方案，使用Tekla軟件進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)正向設(shè)計(jì)，最后生成鋼結(jié)構(gòu)BIM模型[8]。

模型包含加工、施工所需的全部數(shù)據(jù)，將模型數(shù)據(jù)提取即可指導(dǎo)工廠加工、現(xiàn)場施工[9]。

3.3 基于BIM的輕鋼龍骨正向設(shè)計(jì)

本工程各種游樂建筑物內(nèi)包含多種異形輕鋼龍骨墻體，為滿足主題公園特色的游樂體驗(yàn)，內(nèi)部墻體造型相對常規(guī)工程也較為復(fù)雜多變。利用BIM技術(shù)進(jìn)行輕鋼龍骨的正向設(shè)計(jì)，能夠高效、便捷、清晰地表達(dá)輕鋼龍骨的結(jié)構(gòu)體系，改善傳統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中數(shù)據(jù)類型不統(tǒng)一、指導(dǎo)性不強(qiáng)的情況。

首先，在BIM軟件中提前設(shè)定好輕鋼龍骨的材質(zhì)、類型與間距等參數(shù)信息，然后在建筑模型中創(chuàng)建單個龍骨的結(jié)構(gòu)模型，根據(jù)墻體的厚度、高度與寬度進(jìn)行龍骨的受力分析，確定龍骨的尺寸和排布規(guī)則。尺寸和排布規(guī)則確定后，使用Dynamo進(jìn)行建模，在Dynamo軟件中設(shè)定輕鋼龍骨的排布邏輯，根據(jù)定義的邏輯和參數(shù)即可生成輕鋼龍骨模型。Dynamo可完成一些重復(fù)性、有邏輯性且以Revit常規(guī)建模方式難以達(dá)成的工作，能夠在建模過程中有效地簡化重復(fù)性內(nèi)容，提高建模效率。

創(chuàng)建的BIM模型中包含尺寸、材質(zhì)等信息，現(xiàn)場可根據(jù)BIM模型提取平面、立面和剖面圖紙，提取工程量和加工清單，在工廠內(nèi)完成輕鋼龍骨的定尺加工，假山正向設(shè)計(jì)步驟詳圖如圖5所示。

圖5 假山正向設(shè)計(jì)步驟詳圖

3.4 基于BIM的騎乘單體地下結(jié)構(gòu)埋管設(shè)計(jì)

除了建筑之外，主題公園的各種設(shè)施有著特殊的專業(yè)功能要求，很多構(gòu)件需要藝術(shù)性和游藝功能以及各種聲光電專業(yè)和游藝設(shè)備的配合，才能實(shí)現(xiàn)完美的游樂體驗(yàn)。這些眾多的特殊專業(yè)介入使得建筑過程變得更加復(fù)雜。

為了解決騎乘及演藝游樂設(shè)備的電纜敷設(shè)問題，并營造完美的沉浸式游樂體驗(yàn)，采用多層地埋管形式將騎乘及演藝的電纜全部敷設(shè)在地面以下，此種方式更具有隱蔽性，能夠完美打造場景游樂效果，但由于游藝設(shè)備所需的供電線路繁雜，本項(xiàng)目僅8萬m2的地下就預(yù)埋了長達(dá)100 000m的管線。

采用BIM技術(shù)整合演藝布置信息、建筑結(jié)構(gòu)及配電箱柜尺寸等信息，確定箱柜安裝位置，形成初步連線圖紙并簡單分層。地下埋管路線，與其他專業(yè)及管線綜合協(xié)調(diào)。分專業(yè)、分系統(tǒng)導(dǎo)出施工圖，包括各管段起末點(diǎn)位坐標(biāo)、管段編號、大小、標(biāo)高及電纜尺寸等。圖紙報審并通過后用于現(xiàn)場施工。地下結(jié)構(gòu)埋管正向設(shè)計(jì)流程如圖6所示[10]。

圖6 地下結(jié)構(gòu)埋管正向設(shè)計(jì)流程圖

3.5 基于BIM的穹頂高空作業(yè)階梯式操作平臺正向設(shè)計(jì)

北京某主題公園的主場景之一的建筑物結(jié)構(gòu)形式為鋼結(jié)構(gòu)穹頂，外掛玻璃幕墻，高空作業(yè)如使用常規(guī)腳手架將會占用室內(nèi)空間較長時間，無法滿足工期要求，且普通的吊掛平臺無法做出拱形效果。

利用BIM技術(shù)進(jìn)行高空作業(yè)階梯式操作平臺設(shè)計(jì)，使用環(huán)板套裝在主結(jié)構(gòu)上，在環(huán)板上預(yù)留螺栓孔，吊桿使用矩形鋼管，在矩形鋼管頂端兩側(cè)焊接T型連接板，通過螺栓與環(huán)板連接，如圖7～圖8所示。

圖7 高空作業(yè)階梯式操作平臺BIM模型

圖8 高空作業(yè)階梯式操作平臺剖面圖

吊桿上根據(jù)平臺標(biāo)高在中間部分與底部分別設(shè)置托板。根據(jù)平臺水平梁的角度在托板上焊接連接板，連接板與水平橫梁通過螺栓連接達(dá)到施工平臺錯層布置，達(dá)到拆除時免切割的目的。該技術(shù)針對大跨度拱形結(jié)構(gòu)，采用了階梯式吊掛平臺設(shè)計(jì)方案，通過樓梯將各平臺連接，使操作平臺既滿足高空作業(yè)的安裝要求，又滿足空間占有率小的要求。

4 結(jié)語

北京某主題公園造型復(fù)雜、施工難度大，如果采用常規(guī)二維設(shè)計(jì)方法，一是無法滿足美方外資團(tuán)隊(duì)對于創(chuàng)意造型的多變要求，二是二維圖紙也無法體現(xiàn)出眾多鋼構(gòu)件的空間位置關(guān)系，圖紙表達(dá)將變得極為不順暢、不清晰，從而導(dǎo)致施工難度加大，因此采用BIM正向設(shè)計(jì)手段必不可少[11]。

本文以北京某主題公園的建設(shè)過程為例，闡述了塑石假山、輕鋼龍骨、騎乘結(jié)構(gòu)地下結(jié)構(gòu)埋管和穹頂高空作業(yè)階梯式操作平臺等BIM正向設(shè)計(jì)技術(shù)在北京某主題公園建設(shè)過程中的應(yīng)用。通過BIM正向設(shè)計(jì)將問題解決在施工之前，將返工率減低為零，更好地協(xié)調(diào)和落實(shí)了工程創(chuàng)意團(tuán)隊(duì)、建設(shè)團(tuán)隊(duì)、設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)和監(jiān)理團(tuán)隊(duì)的各項(xiàng)要求，能夠縮短施工工期，減少各專業(yè)交叉重疊、銜接不當(dāng)而造成的返工浪費(fèi)的情況，提高了工程質(zhì)量，并創(chuàng)造了一定的經(jīng)濟(jì)效益。本項(xiàng)目的BIM正向設(shè)計(jì)對國內(nèi)主題公園的建設(shè)具有一定的參考借鑒意義。