BIM技術(shù)在大型體育場館建設(shè)中的綜合應(yīng)用
——以蘭州奧體中心建設(shè)為例

胡 義 陳 潔 柳俊俊 關(guān)永瑩 顧 奎 洪 蕓

(1.中國十七冶集團(tuán)有限公司，馬鞍山 243000； 2.中國航空規(guī)劃設(shè)計研究總院有限公司，北京 100120)

引言

“十四五”時期是我國在新階段推進(jìn)體育事業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的五年，也是全面落實(shí)《體育強(qiáng)國建設(shè)綱要》[1]的第一個五年。大型體育場館的建設(shè)對于推進(jìn)體育強(qiáng)國建設(shè)，全面提升體育發(fā)展質(zhì)量具有重要意義。

體育場館作為大型公共建筑，具有功能性、聚集性、社會性和科技性等特點(diǎn)，其建設(shè)過程也面臨諸多復(fù)雜難題，因此應(yīng)用BIM技術(shù)解決建設(shè)難題是有很必要的。

1 項(xiàng)目介紹

蘭州奧體中心項(xiàng)目位于甘肅省蘭州市七里河區(qū)，總建筑面積46.6萬m2。項(xiàng)目建設(shè)內(nèi)容包括：60 000座體育場、8 000座綜合館、3 000座游泳館、3 000座網(wǎng)球館以及運(yùn)動員公寓及體育產(chǎn)業(yè)用房等。

作為蘭州市建設(shè)西北體育賽事節(jié)點(diǎn)城市、體育產(chǎn)業(yè)薈萃中心、全民健身展示中心的一項(xiàng)標(biāo)志性工程，建設(shè)意義重大。項(xiàng)目自2019年7月開工，計劃2022年初竣工，建設(shè)周期短，工期緊張，是全國同規(guī)模奧體中心項(xiàng)目中建設(shè)周期最短的一個，針對項(xiàng)目建設(shè)特點(diǎn)，展開BIM技術(shù)在項(xiàng)目設(shè)計與施工階段的綜合應(yīng)用研究,效果圖如圖1所示。

圖1 蘭州奧體中心項(xiàng)目建成效果圖

2 BIM技術(shù)應(yīng)用集成

2.1 應(yīng)用目標(biāo)

在本項(xiàng)目中設(shè)計、施工兩方基于BIM設(shè)計模型做深度的應(yīng)用互動，做到一模多用，提高模型的實(shí)施效率。借助BIM技術(shù)的優(yōu)勢助力項(xiàng)目管理模式逐漸邁向信息化，致力于打造一個智慧、科技、綠色的大型體育場館集群。

2.2 BIM協(xié)同模式

為滿足項(xiàng)目建設(shè)高效、經(jīng)濟(jì)、合理，對項(xiàng)目實(shí)施重難點(diǎn)制定解決方案，統(tǒng)一采用BIM技術(shù)協(xié)同[2]管理體系，為項(xiàng)目實(shí)施提速增效。

制定具有項(xiàng)目特色的BIM技術(shù)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)，形成統(tǒng)一的BIM建模規(guī)范、構(gòu)件標(biāo)準(zhǔn)及交付標(biāo)準(zhǔn)，確保BIM技術(shù)實(shí)施落地，保證模型規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化，通過系統(tǒng)梳理分類，確定BIM技術(shù)落地應(yīng)用點(diǎn)30余項(xiàng)。

利用協(xié)同平臺，將項(xiàng)目按單體、專業(yè)、樓層等維度進(jìn)行拆分，進(jìn)行精細(xì)化模型管理，多方式開展多專業(yè)、多地點(diǎn)間的集成化協(xié)同作業(yè)，設(shè)置專有賬號，及時上傳模型并反饋問題，確保模型數(shù)據(jù)交互暢通，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，協(xié)同作業(yè)，如圖2～3所示。

圖2 設(shè)計與施工階段BIM協(xié)同交互平臺

圖3 BIM應(yīng)用軟件協(xié)同體系

3 設(shè)計階段BIM技術(shù)應(yīng)用

3.1 可視化分析

(1)參數(shù)化表皮形體分析

通過建立BIM模型，對外幕墻造型參數(shù)化有理化分析[3]，將空間雙曲造型在一定的公差范圍內(nèi)優(yōu)化為平板或單曲板塊，來降低雙曲面板的含量，進(jìn)而節(jié)省外幕墻的造價，同時參數(shù)化可定位空間結(jié)構(gòu)，優(yōu)化幕墻系統(tǒng)，如圖4所示。

圖4 幕墻造型參數(shù)化設(shè)計

(2)編程優(yōu)化建模

針對場館建筑，基于BIM技術(shù)進(jìn)行自主編程輔助設(shè)計，利用正則表達(dá)式自動提取算法——提取CAD做法表的有效數(shù)據(jù)，在Revit中生成對應(yīng)類型，通過程序拾取房間，根據(jù)房間名稱，生成對應(yīng)的地板，裝飾墻面等，有效降低工作強(qiáng)度，提升建模工作效率。

(3)異形空間管線建模

針對場館弧形空間結(jié)構(gòu)，機(jī)電線路復(fù)雜且系統(tǒng)繁多，經(jīng)過探索研究建模策略，可利用Rhino Python編程將基準(zhǔn)弧線擬合為直線，并對非標(biāo)角度的三通或四通進(jìn)行自動化調(diào)整，將調(diào)整后的線導(dǎo)入Revit，作為所有機(jī)電專業(yè)的協(xié)同建模基準(zhǔn)，確保異形空間的管線合理排布有序。

3.2 性能分析

(1)屋面系統(tǒng)雨水收集設(shè)計分析

Kangaroo 動力學(xué)模擬插件是Grasshopper平臺下的一套基于質(zhì)子系統(tǒng)的物理模擬插件，可以通過人為設(shè)定的受力和邊界條件獲取結(jié)構(gòu)達(dá)到穩(wěn)態(tài)時的造型。利用雨的動力學(xué)原理，在Kangaroo中設(shè)置曲面屬性和點(diǎn)的重力屬性，進(jìn)行物理雨水模擬，確定雨水溝位置、雨水斗分布，提高設(shè)計準(zhǔn)確度,如圖5所示。

圖5 綜合館Rhino屋面模型

(2)振型分析及抗震分析

在本項(xiàng)目中根據(jù)建筑造型特點(diǎn)靈活應(yīng)用桁架、網(wǎng)殼、弦支穹頂、預(yù)應(yīng)力、可開合屋蓋等結(jié)構(gòu)體系，因此進(jìn)行振型分析及抗震分析是非常有必要的。

利用BIM軟件建立建筑模型和結(jié)構(gòu)模型，通過模型數(shù)據(jù)提供結(jié)構(gòu)振型及抗震性能分析，提高設(shè)計質(zhì)量。在本項(xiàng)目的設(shè)計中，體育場、綜合館和運(yùn)動員公寓三個單體一次性通過結(jié)構(gòu)超限評審。

(3)消防設(shè)計分析

體育場館屬于空間復(fù)雜的人員密集場所，需進(jìn)行消防特殊設(shè)計[4]，將BIM模型導(dǎo)入FDS軟件(火災(zāi)動態(tài)模擬器)，對項(xiàng)目進(jìn)行火災(zāi)危險排煙分析、火災(zāi)危險CO濃度分析，模擬場景并完成計算，還可以將BIM模型導(dǎo)入Pathfinder軟件，進(jìn)行疏散模擬逃生分析，進(jìn)而優(yōu)化設(shè)計方案。不僅驗(yàn)證了BIM技術(shù)在建筑消防系統(tǒng)中的實(shí)際可操作性和應(yīng)用價值，也為建筑消防系統(tǒng)的改進(jìn)提供了數(shù)據(jù)參考和技術(shù)支持[4]，如圖6所示。

圖6 體育場疏散模擬分析

3.3 量化統(tǒng)計分析

(1)場地平整及土方算量

通過Civil3D強(qiáng)大的曲面分析功能，把場平前原始地形與設(shè)計場平后地形之間的關(guān)系轉(zhuǎn)換為場平曲面與地形曲面的關(guān)系，提前對場地進(jìn)行分析和參數(shù)調(diào)整，生成土方整平方格網(wǎng)估算土方量，保證設(shè)計階段概算精確性和完整性，可為實(shí)現(xiàn)土方平衡綜合調(diào)配方案提供分析數(shù)據(jù)支持。

(2)幕墻清單統(tǒng)計

通過三維模型關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)庫，準(zhǔn)確、快速計算并提取工程量，提高工程算量的精度和效率。BIM遵循面向?qū)ο蟮膮?shù)化建模方法，利用模型的參數(shù)化特點(diǎn)，對構(gòu)件的工程信息進(jìn)行篩選，利用軟件自帶表單統(tǒng)計功能(Schedule)完成相關(guān)構(gòu)件的工程量統(tǒng)計，實(shí)現(xiàn)即時算量。

4 施工階段BIM技術(shù)應(yīng)用

4.1 施工場地布置

針對大型體育場館建筑集群，建筑單體相互串聯(lián)，建筑結(jié)構(gòu)復(fù)雜，交叉專業(yè)多，施工場地空間有限[5]，本項(xiàng)目遵循“永臨結(jié)合”的原則規(guī)劃施工平面圖，進(jìn)行場地部署，建立施工階段BIM場布三維模型，通過施工模擬驗(yàn)證場布合理性。

結(jié)合各場館施工段劃分，通過BIM模型模擬塔吊運(yùn)行，進(jìn)行方案比選，優(yōu)化塔吊布置，考充分慮經(jīng)濟(jì)與工效確定塔吊最終選型和布置位置，減少二次搬運(yùn)，提升場地利用率。如圖7～8所示。

圖7 施工場地平面布置圖

圖8 塔吊布置方案比選

4.2 施工階段深化設(shè)計

(1)鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計

本項(xiàng)目各場館空間架體結(jié)構(gòu)均采用鋼結(jié)構(gòu)形式，變化多樣，其中主體育場采用新型交叉扭轉(zhuǎn)與懸挑組合桁架體系，綜合館采用小矢跨比單層網(wǎng)殼弦支穹頂結(jié)構(gòu)體系，網(wǎng)球館為可開合屋蓋結(jié)構(gòu)體，外部造型與內(nèi)部結(jié)構(gòu)完美融合，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，施工難度大。

應(yīng)用BIM技術(shù)，創(chuàng)建勁性鋼骨柱與鋼制樓梯深化節(jié)點(diǎn)模型，可協(xié)助鋼構(gòu)廠數(shù)控下料加工組裝，從加工源頭確保構(gòu)件精度，保證現(xiàn)場焊接拼裝及安裝的精度。針對各場館鋼罩棚系統(tǒng)，對于多管相交部位和受力較大鑄鋼節(jié)點(diǎn)部位，基于BIM模型進(jìn)行深化設(shè)計，保證準(zhǔn)確度，如圖9所示。

圖9 鋼罩棚鑄鋼節(jié)點(diǎn)深化

(2)幕墻、屋面系統(tǒng)深化設(shè)計

對于場館類建筑來說，外立面幕墻造型及屋蓋系統(tǒng)是整個建筑最具表現(xiàn)力的部分，本項(xiàng)目外立面幕墻與屋面均采用鋁板系統(tǒng)。

以主體育場為例，外立面鋁板面板用量超過10萬平方米，如何保證鋁板的供應(yīng)充足，是施工管理的控制重點(diǎn)?；贐IM技術(shù)應(yīng)用提出解決思路，在幕墻深化設(shè)計階段，對體育場鋁板進(jìn)行分析歸類，確定單曲鋁板翹曲值、分布位置及數(shù)量。根據(jù)BIM分析可得整體的3 mm厚淡金色穿孔鋁板由單曲和平板構(gòu)成。通過BIM技術(shù)可將單曲板的翹曲半徑求出，分類提出幾何數(shù)據(jù)，提供給專業(yè)廠家作為數(shù)據(jù)支撐。如圖10所示，此處為體育場外立面曲率最大位置處。

圖10 體育場大花瓣單片鋁板數(shù)量及曲率數(shù)據(jù)提取

(3)預(yù)制看臺深化設(shè)計

工廠預(yù)制清水混凝土看臺板在施工中有進(jìn)度快、摩擦力小、結(jié)構(gòu)性能好的優(yōu)點(diǎn)，具有較強(qiáng)的塑形變形能力。本項(xiàng)目中體育場、綜合館、游泳館均采用預(yù)制清水混凝土看臺板，其中體育場預(yù)制看臺板總方量約9 230 m3。

運(yùn)用Python代碼編程，控制模型的循環(huán)生成，根據(jù)施工工藝調(diào)整預(yù)制看臺尺寸[6]。體育場館具體很強(qiáng)的功能性，除滿足合理布局外還應(yīng)考慮觀眾視線設(shè)計，利用BIM技術(shù)對看臺進(jìn)行視線分析模擬[7]，確保設(shè)計合理，對預(yù)制看臺進(jìn)行規(guī)格統(tǒng)一，優(yōu)化設(shè)計，減少預(yù)制看臺開模數(shù)量，并統(tǒng)一編號、出圖加工制作，節(jié)約成本，如圖11所示。

(4)精裝修深化設(shè)計

在場館內(nèi)部精裝修深化設(shè)計時，利用BIM模型，一模多用，能夠更精確地確定吊頂平面燈具、噴頭、風(fēng)口、檢修口、煙感探頭和溫感探頭等位置，達(dá)到符合各專業(yè)設(shè)計規(guī)范要求且美觀、合理，使精裝修方案一次通過專家評審，極大縮短了深化周期，如圖12所示。

圖11 看臺視線模擬分析

圖12 綜合館配套服務(wù)門廳效果圖及主材選用

4.3 進(jìn)度、質(zhì)量、安全控制應(yīng)用

在進(jìn)度管理方面，利用Synchro對項(xiàng)目進(jìn)度進(jìn)行管理。將BIM模型與進(jìn)度計劃、施工資源關(guān)聯(lián)，在進(jìn)度管控過程中，定期將實(shí)際進(jìn)度與消耗資源錄入Synchro中與計劃進(jìn)度、施工資源進(jìn)行對比分析，以數(shù)字量化形式進(jìn)行客觀反映進(jìn)度偏差及產(chǎn)生分原因[8]，為施工管理提供依據(jù)，如圖13所示。

圖13 進(jìn)度計劃與BIM模型相關(guān)聯(lián)

在質(zhì)量管理方面，根據(jù)場館集群建造特點(diǎn)，建立樣板模型，其中虛擬樣板35個、實(shí)體樣板48個、原位樣板60多個，覆蓋場館集群建造所涉及到的全部關(guān)鍵工藝和核心技術(shù)，如圖14所示。

圖14 樣板模型創(chuàng)建、出圖及制作

在安全管理方面，通過BIM可視化對現(xiàn)場臨邊洞口進(jìn)行安全分析，合理布置臨邊防護(hù)，結(jié)合施工現(xiàn)場危險源分析圖表，動態(tài)管控現(xiàn)場危險源。超限梁危險系數(shù)高，支模架采用新型盤扣式支模架，利用BIM模型結(jié)合Midas進(jìn)行支架受力分析，驗(yàn)證架體安全性，輔助管理人員現(xiàn)場檢查驗(yàn)收。如圖15所示，對典型高支模體系進(jìn)行有限元受力分析。

圖15 高支模架體有限元受力分析

4.4 特殊異形結(jié)構(gòu)BIM技術(shù)應(yīng)用

本項(xiàng)目在游泳館一層位置，采用16根樹杈柱形結(jié)構(gòu)，環(huán)繞一周，與鋼結(jié)構(gòu)、玻璃幕墻系統(tǒng)相互配合，形成一個完整且融合的空間結(jié)構(gòu)，樹杈柱中間的型鋼混凝土圓管柱直徑1.8m，兩個斜柱直徑1m，上面設(shè)7根拉梁，局部還有埋件，中間鋼筋縱橫交錯，施工難度大。

項(xiàng)目部利用BIM技術(shù)，創(chuàng)建樹杈柱三維模型，并確定構(gòu)件各個關(guān)鍵點(diǎn)的三維坐標(biāo)，計算出斜柱距離圓柱中心的距離和斜率，將空間三維構(gòu)件邊緣控制線或中心線進(jìn)行水平投影即將空間三維轉(zhuǎn)換為平面二維，現(xiàn)場測控作業(yè)時在地面上放構(gòu)件水平投影線[9]。同時，借助模型計算混凝土用量理論值，對比理論與實(shí)際值，確?；炷琳駬v到位，杜絕質(zhì)量通病，如圖16～17所示。

圖16 創(chuàng)建貫口模型并指導(dǎo)現(xiàn)場施工

圖17 利用BIM計算樹杈柱砼理論凈用量

5 結(jié)論

以BIM技術(shù)在蘭州奧體中心項(xiàng)目的綜合應(yīng)用為借鑒，可對BIM技術(shù)在大型體育場館建筑集群的建設(shè)應(yīng)用提供強(qiáng)有力的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，在同類工程中推廣應(yīng)用，并全面推進(jìn)BIM+、放樣機(jī)器人等新技術(shù)、新設(shè)備、以及數(shù)字化管理平臺[10]在場館建設(shè)中的集成創(chuàng)新應(yīng)用，提升大型場館建設(shè)信息化和智能化水平。