BIM 集成技術(shù)在2022 年杭州亞運(yùn)會(huì)曲棍球場(chǎng)館數(shù)字化建造中的應(yīng)用

黃軒安 張群力 方波 史月霞 李文

（1.同濟(jì)大學(xué) 土木工程學(xué)院，上海 2 000921；2.浙江新盛建設(shè)集團(tuán)有限公司，杭州 310006；3.浙江中南集團(tuán)鋼構(gòu)有限公司，杭州 310051）

引言

BIM 作為連接建筑實(shí)體和數(shù)字虛體之間的技術(shù)紐帶和基礎(chǔ)，形成了建筑意識(shí)世界-數(shù)字世界-物理世界三元世界的相互促進(jìn)、共同進(jìn)化、共生發(fā)展，從而使得建筑業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型成為了可能[1]。BIM 集成具有廣泛性價(jià)值，在BIM 集成技術(shù)支持下，數(shù)字建筑相關(guān)信息通過(guò)IFC、IDM、IFD 等數(shù)據(jù)格式，可以在數(shù)字建造的各個(gè)平臺(tái)、專業(yè)等環(huán)節(jié)之間不斷地映射、復(fù)合、迭代、衍生從而創(chuàng)造出各方所需的建造信息[2]。

1 工程概況

曲棍球比賽場(chǎng)館設(shè)計(jì)靈感源于江南油紙傘，造型新穎，集“賽、健、休”于一體，是一座綜合性體育場(chǎng)館。曲棍球館擁有5 000 個(gè)座位看臺(tái)，頂部罩棚曲面左右對(duì)稱、前高后低，最高點(diǎn)標(biāo)高為47m，最低點(diǎn)標(biāo)高為24m。膜曲面的水平投影最大長(zhǎng)度，前后方向?yàn)?12m。左右方向?yàn)?24m?？磁_(tái)罩棚采用骨架式膜覆蓋結(jié)構(gòu)，膜覆蓋在一個(gè)巨型四角落地的拱網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)上，膜材采用ETFE（乙烯-四氟乙烯共聚物）材質(zhì)編制，輕盈漂柔，如圖1 所示。

圖1 曲棍球場(chǎng)館室內(nèi)與室外效果圖

2 BIM 參數(shù)化建模

曲棍球館結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用四角落地拱網(wǎng)殼形式。結(jié)構(gòu)布置的曲線網(wǎng)格都是通過(guò)控制曲面的上的曲線網(wǎng)格衍生出來(lái)的。所以必須采用BIM 技術(shù)進(jìn)行參數(shù)化深化設(shè)計(jì)與建造。

2.1 BIM 參數(shù)化建模步驟

建筑幾何控制系統(tǒng)建模：首先根據(jù)曲棍球館建筑整體的幾何控制條件，參數(shù)化導(dǎo)出罩棚膜曲面的邊緣曲線（膜面的控制曲線），再由控制曲線導(dǎo)出膜控制曲面KS。其次，建立膜控制面KS 上的曲線控制網(wǎng)絡(luò) KM，利用曲面的法向等距映射得到等距曲面S（結(jié)構(gòu)控制曲面）和等距曲線網(wǎng)格M（結(jié)構(gòu)控制網(wǎng)格）。從而衍生出網(wǎng)殼中結(jié)構(gòu)圓管中心曲線的拓?fù)渚W(wǎng)格。幾何模型可根據(jù)幾何生成邏輯，通過(guò)Rhinoceros/Grasshopper 可視化編程生成[3]。

2.2 膜控制曲線和曲面

根據(jù)方案設(shè)想，前、后兩條邊緣曲線是由兩個(gè)直立的圓柱面RS1 和RS2 與二個(gè)傾斜平面S1 和S2 曲面求交后產(chǎn)生，其中RS1 與S2 相交得到L2，RS2 與S1相交得到L1。L2 為后方的橢圓曲線，L1 為前方的橢圓曲線，如圖2 所示。

圖2 邊緣控制曲線

膜曲面的邊曲緣線是由L1 和L2 上的部分曲線段組成的。再由建筑設(shè)計(jì)要求由控制曲線，如圖3 所示，并構(gòu)造出直紋曲面（膜控制曲面）KS，如圖4 所示。

圖3 油紙傘與直紋曲面

圖4 膜控制曲面

2.3 罩棚拱網(wǎng)殼

在結(jié)構(gòu)控制曲面S 和結(jié)構(gòu)控制網(wǎng)格M 上衍生出網(wǎng)殼中布置結(jié)構(gòu)圓管構(gòu)件所需的中心曲線拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)。

2.3.1 三角形拱桁架的建模流程為了避免構(gòu)件截面過(guò)大，主拱結(jié)構(gòu)采用倒三角形管桁架，三角形拱桁架中有三條曲線形弦桿（主桿），其中有兩條的定位曲線在結(jié)構(gòu)控制曲面S 上，另一條在S 的等距曲面Sd 上（d 為三角形截面的高），兩個(gè)三角形管桁架的建模方法相同，流程都分為3 步：

（1）第一步確定結(jié)構(gòu)控制曲面S 上的兩條弦桿定位軸線及其上的控制點(diǎn)。利用選定的圓柱面與S 曲面相交，可以得到曲面S 上一條曲線，這條曲線為三角形拱桁架第一條弦桿的控制曲線。將該控制曲線按弧長(zhǎng)分段得到點(diǎn)列ai，在ai 上利用S 曲面直母線上設(shè)定的歐氏距離（三角形的寬度）得到S 曲面上點(diǎn)列bi，點(diǎn)列bi 用S 曲面上的測(cè)地線連接起來(lái)就得到S 曲面上三角形拱桁架的第二條弦桿控制曲線；

（2）第二步確定等距曲面Sd 上的一條弦桿定位軸線及其上的控制點(diǎn)。在Sd 曲面上，對(duì)同一個(gè)i，ai與bi 位于同一條直母線上且它們的中點(diǎn)（ai+bi）/2=ci也在該直線上。在點(diǎn)列ci 上，利用曲面S 的法線向內(nèi)方向上量取長(zhǎng)度d，得到點(diǎn)列di，點(diǎn)列di 位于曲面S的法向等距曲面Sd 上。用空間插值曲線連接di 后就得到三角形拱桁架的第三條控制曲線；

（3）第三步確定三角形拱桁架腹桿的定位軸線。利用點(diǎn)列ai、bi、di 就可進(jìn)行三角形截面拱桁架的腹桿布置，腹桿定位軸線采用直線形式。

2.4 鋼罩棚內(nèi)部子結(jié)構(gòu)

曲棍球場(chǎng)館罩棚是個(gè)非常薄的曲面形雙層網(wǎng)殼，一般情況下其內(nèi)部網(wǎng)格是雙向彎曲的，這里卻能布置出單向的桁架組，是巧妙利用了直紋曲面是由直線組成的幾何特點(diǎn)，S 曲面上的直線本身也是S 曲面上一條測(cè)地線。這里就利用該直線進(jìn)行桁架布置。由內(nèi)部子結(jié)構(gòu)和外部主結(jié)構(gòu)組成的鋼罩棚，如圖5 所示。

圖5 罩棚結(jié)構(gòu)與拱網(wǎng)殼

3 Tekla、Midas 深化設(shè)計(jì)與加工

將Rhino 建筑形體模型導(dǎo)入AutoCAD 進(jìn)行數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換，再通過(guò)Midas 進(jìn)行結(jié)構(gòu)及各工況有限元分析，最后采用Tekla 進(jìn)行深化出圖。通過(guò)Tekla Structures 完整的電腦虛擬預(yù)拼裝過(guò)程，對(duì)全過(guò)程工況干擾情況進(jìn)行了預(yù)檢查，提前規(guī)避了后期項(xiàng)目可預(yù)見(jiàn)問(wèn)題。在深化過(guò)程中，鋼結(jié)構(gòu)的桿件、節(jié)點(diǎn)連接、螺栓焊縫、鋼構(gòu)件和混凝土構(gòu)件等信息都通過(guò)三維實(shí)體建模進(jìn)入整體模型[4]。加工詳圖（包括布置圖、構(gòu)件圖、零件圖等）在軟件中進(jìn)行2D-CAD 圖層設(shè)定，軟件直接三維轉(zhuǎn)二維導(dǎo)出施工圖紙[5]，如圖6 所示。

圖6 Tekla 深化設(shè)計(jì)

3.1 BIM 軟件間的數(shù)據(jù)交互

通過(guò)Rhino 進(jìn)行膜結(jié)構(gòu)空間形體基礎(chǔ)模型建模，模型經(jīng)過(guò)AutoCAD 軟件轉(zhuǎn)換導(dǎo)入Midas 及Tekla 進(jìn)行膜結(jié)構(gòu)受力分析及加工圖深化，數(shù)據(jù)交互轉(zhuǎn)換主要格式包括DWG、DXF 等。

3.2 Midas 深化結(jié)果復(fù)核

整體計(jì)算分析采用Midas Gen 有限元計(jì)算軟件進(jìn)行，進(jìn)行以下四個(gè)方面的計(jì)算：

（1）結(jié)構(gòu)靜力分析。采取不同的應(yīng)力比控制指標(biāo)，以保證對(duì)結(jié)構(gòu)安全性比較關(guān)鍵的構(gòu)件有較大的安全儲(chǔ)備[7]；

（2）常遇地震下結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度及穩(wěn)定性計(jì)算分析。按照彈性設(shè)計(jì)控制，地震分析方法為反應(yīng)譜法；

（3）位移分析。荷載以豎向荷載為主，在“1.0恒+1.0 活”組合工況作用下桁架最大撓度為263mm，桁架跨度約為120m，263mm

（4）特征值分析。Midas 模型模擬了三種結(jié)構(gòu)邊界條件，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)與混凝土支座進(jìn)行了剛接、鉸接、彈性連接等進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計(jì)。根據(jù)MIDAS 計(jì)算所得結(jié)構(gòu)振型和周期，進(jìn)行曲棍球場(chǎng)“館罩棚鋼結(jié)構(gòu)”的特征值分析計(jì)算。振型數(shù)為50 階，前3 階模態(tài)特征參數(shù)計(jì)算結(jié)果，如表1 所示；剛性支座三階條件下結(jié)構(gòu)前三階模態(tài)，如圖7 所示。

表1 結(jié)構(gòu)前3 階模態(tài)特征參數(shù)

圖7 剛性支座三階條件下結(jié)構(gòu)前三階模態(tài)Midas 吊裝工況驗(yàn)算圖

MIDAS Gen 進(jìn)行工況驗(yàn)算，對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)造設(shè)計(jì)與單元切分進(jìn)行驗(yàn)證。對(duì)吊裝過(guò)程采用靜力結(jié)構(gòu)分析，在對(duì)各吊裝單元的內(nèi)力分布分析時(shí)，采用將靜載荷乘以1.4 倍的動(dòng)力放大系數(shù)，而變形分析仍采用靜載荷作用下的變形。Midas 分析吊裝單元模型強(qiáng)度與變形分析圖，如圖8 所示。

圖8 Midas 分析吊裝單元模型強(qiáng)度與變形分析圖

通過(guò)選用Midas Gen v8.75 進(jìn)行結(jié)構(gòu)有限元分析，荷載僅為自重（含節(jié)點(diǎn)自重），考慮動(dòng)荷載系數(shù)1.4，曲棍球館罩棚根據(jù)施工過(guò)程分析的Midas 云圖，如圖9 所示。結(jié)果顯示在施工過(guò)程中，桿件的應(yīng)力比最大值0.52，結(jié)構(gòu)最大位移209mm，方向向下，跨度與撓度之比為1/600；結(jié)構(gòu)的變形和桿件應(yīng)力比均較小，可以滿足施工要求。

圖9 Midas 結(jié)構(gòu)安全復(fù)核

3.3 Tekla+Midas 節(jié)點(diǎn)分析與深化

罩棚的四個(gè)拱支座結(jié)構(gòu)是整個(gè)結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部位，拱底構(gòu)件截面形式多、多管相交、桿件之間夾角較小導(dǎo)致相貫焊縫長(zhǎng)，節(jié)點(diǎn)放樣原則復(fù)雜，節(jié)點(diǎn)深化難度很大，無(wú)論是鋼拱架底部還是型鋼混凝大墩都采用二款不同系列的有限元軟件進(jìn)行了分析比較按包絡(luò)設(shè)計(jì)。邊界條件按剛接假定、鉸接假定、彈性假定包絡(luò)分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)，拱桁架底部鋼結(jié)構(gòu)Midas 有限元分析及主管內(nèi)加勁板和C40 混凝土綜合應(yīng)力分析，如圖10 所示。

圖10 拱底鋼、混綜合應(yīng)力有限元分析云圖

3.4 工廠數(shù)控制造

根據(jù)桁架吊裝模擬確定的分段結(jié)果進(jìn)行桁架分段加工。由Tekla 模型生成結(jié)構(gòu)構(gòu)件加工信息，遠(yuǎn)程導(dǎo)入加工廠的數(shù)控中頻彎管機(jī)和數(shù)控大管徑相貫線切割機(jī)、自動(dòng)電焊機(jī)等智能設(shè)備，進(jìn)行數(shù)控下料、數(shù)控拉彎和數(shù)控焊接，以及打磨、除銹、上底漆、中漆及面漆、標(biāo)注桿件標(biāo)識(shí)碼，安裝部位標(biāo)記等制作工序。

4 BIM+機(jī)械化施工

曲棍球館施工過(guò)程工藝：鋼結(jié)構(gòu)施工采用“工廠或現(xiàn)場(chǎng)地面拼裝成段、跨外分段吊裝、高空對(duì)接合攏、結(jié)構(gòu)整體分級(jí)同步卸載”的施工工藝[8]。吊裝單元?jiǎng)澐譃榱藴p少支撐體系的用量合理地使用大噸位吊車，采用分段吊裝的形式。分段吊裝的單元為2 榀三角拱桁架，11 榀平面次桁架和邊緣拱管和連接桿件等，均采取地面拼裝，高空分段吊裝,分段重量控制在75t 以下，如圖11 所示。屋蓋吊裝由一臺(tái)350t 履帶吊完成，其中兩榀主桁架共4 個(gè)柱腳分段，履帶吊吊裝柱腳分段時(shí)站位可相對(duì)較近，如圖12 所示。由兩臺(tái)80t 汽車吊支撐架安拆，拼裝卸貨采用三臺(tái)50t 汽車吊。

圖11 拱桁架分段吊裝示意圖

圖12 履帶吊吊裝工況圖

另外外圍懸挑部分在地面拼裝成分塊之后吊裝到位。邊緣拱通過(guò)曲面內(nèi)鋸齒形分布的桿件與三角拱進(jìn)行連接，為懸挑（帽沿狀）結(jié)構(gòu)，這些組件的吊裝施工難度都很大。吊裝高度高，吊裝半徑大，吊裝噸位大。因此采用300履帶吊配合50t汽車吊共同進(jìn)行吊裝施工。

4.1 支撐架設(shè)置

為了便于節(jié)點(diǎn)和構(gòu)件施工就位，同時(shí)考慮鋼結(jié)構(gòu)在吊裝過(guò)程中的施工安全及結(jié)構(gòu)構(gòu)件卸載時(shí)所承受的最不利工況，本工程在三角拱桁架下方及邊緣拱等下方設(shè)置了5 排支撐架，支撐架在鋼結(jié)構(gòu)施工完成之后，進(jìn)行整體卸載。

4.2 支撐架設(shè)計(jì)

僅舉一例，四邊形支撐架平面尺寸為1.6m×3.2m，節(jié)間高度2.2m，最大搭設(shè)高度35m，立桿及腹桿采用矩形方管，立桿規(guī)格為140mm×12mm，斜腹桿規(guī)格為80mm×10mm，水平腹桿規(guī)格為50mm×4mm，材質(zhì)為Q235B；頂部轉(zhuǎn)換鋼梁規(guī)格為HW400x408x21x21，材質(zhì)為Q235B。支撐架設(shè)計(jì)時(shí)荷載取值及組合按國(guó)家相關(guān)規(guī)范執(zhí)行。圖13 為支撐架水平、豎向變形及應(yīng)力比云圖。

圖13 Midas 支撐架強(qiáng)度、穩(wěn)定和變形分析

4.3 鋼結(jié)構(gòu)吊裝

本工程鋼結(jié)構(gòu)吊裝方法是利用支撐架系統(tǒng)配合大型履帶起重機(jī)跨外分段吊裝與空中對(duì)接的方式。吊裝前用儀器對(duì)拱支座埋件或支撐架頂部進(jìn)行測(cè)量定位，定位過(guò)程中測(cè)量出來(lái)的角度和距離偏差，通過(guò)向前后左右移動(dòng)調(diào)整吊裝單元的位置或其他方法進(jìn)行調(diào)整，確保定位正確。吊裝時(shí)，三角拱桁架分成5 段吊裝，前后方向（前方向?yàn)橘悎?chǎng)方向）的兩榀三角拱桁架分別從兩側(cè)拱墩開(kāi)始施工，在中間最高處合攏。再?gòu)膬蓚?cè)（低處）開(kāi)始，對(duì)稱吊裝9 榀次桁架分別與前后兩榀三角拱桁架進(jìn)行焊接連接。最后一榀在中間（最高位與前后兩榀三角拱桁架焊接連接。最后吊裝邊緣拱管，先施工后方邊緣拱（同樣也分為5段），從兩側(cè)（低處）開(kāi)始對(duì)稱吊裝、焊接，在中間合攏。再施工前方邊緣拱，方法同后面的邊緣拱。

4.4 鋼結(jié)構(gòu)卸載

鋼結(jié)構(gòu)卸載時(shí)，分4 個(gè)區(qū)同時(shí)進(jìn)行，采取分步等距卸載的方式，卸載時(shí)拱桁架跨度方向?qū)ΨQ施工，卸載從中間位置開(kāi)始，分別向兩邊交錯(cuò)對(duì)稱施工，必須嚴(yán)格按照此順序進(jìn)行施工。在卸載過(guò)程中可能會(huì)有各種偶然因素對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響，因此在選取卸載千斤頂設(shè)備以及下部支撐腳手架的設(shè)計(jì)時(shí)，留有足夠的安全儲(chǔ)備性能。卸載工序的施工過(guò)程要嚴(yán)格按照施工方案執(zhí)行[9]。

5 BIM+虛擬現(xiàn)實(shí)

通過(guò)Rhino、Revit、3ds Max /Fuzor 組合應(yīng)用進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)吊裝重難點(diǎn)施工交底。兩種動(dòng)畫(huà)制作軟件Fuzor或3DS Max 都對(duì)Revit 具有很好的兼容性，本工程鋼結(jié)構(gòu)吊裝施工模擬動(dòng)畫(huà)采用BIM+Rhinoceros+Revit+3ds Max 軟件。把BIM、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和數(shù)值模擬技術(shù)相結(jié)合，將虛擬吊裝過(guò)程可視化動(dòng)態(tài)展示[10]。對(duì)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力進(jìn)行模擬分析，確定最終吊裝方案。動(dòng)畫(huà)制作前，應(yīng)對(duì)整個(gè)施工工序有清晰的認(rèn)識(shí)，如圖14 所示。

圖14 3ds Max 虛擬施工模擬圖

6 多源數(shù)據(jù)融合的測(cè)量技術(shù)

多源數(shù)據(jù)融合測(cè)量技術(shù)指將不同測(cè)量方法得到的信息綜合起來(lái)，并對(duì)信息進(jìn)行統(tǒng)一評(píng)估，吸取不同數(shù)據(jù)源特點(diǎn)，提取出統(tǒng)一的、更豐富的測(cè)量信息。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量控制系統(tǒng)，利用無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量、測(cè)量機(jī)器人、激光掃描等組成的多源數(shù)據(jù)融合的測(cè)量技術(shù)[11]，對(duì)罩棚鋼結(jié)構(gòu)空間位置進(jìn)行高精度檢測(cè)與調(diào)整。并對(duì)卸載后的鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行安全監(jiān)測(cè)。

6.1 BIM+測(cè)量機(jī)器人

BIM 模型導(dǎo)入到測(cè)量機(jī)器人萊卡全站儀中，機(jī)器人內(nèi)部自建坐標(biāo)系并計(jì)算出各個(gè)節(jié)點(diǎn)的三維坐標(biāo)數(shù)值，以此作為控制依據(jù)，利用測(cè)量機(jī)器人對(duì)目標(biāo)進(jìn)行自動(dòng)照準(zhǔn)、鎖定、跟蹤、快速判斷的功能，輔助鋼構(gòu)件施工關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)和提升對(duì)接安裝位置的監(jiān)測(cè)與校正，避免誤差積累到對(duì)接節(jié)口而造成對(duì)接困難，實(shí)時(shí)監(jiān)控關(guān)鍵點(diǎn)，在多個(gè)千斤頂?shù)仍O(shè)備同步微調(diào)的技術(shù)支持下確保對(duì)接口位置誤差控制在限值以內(nèi)，最終在測(cè)量機(jī)器人輔助下實(shí)現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)所有連接節(jié)點(diǎn)的精準(zhǔn)對(duì)接[12]。

6.2 BIM+無(wú)人機(jī)

應(yīng)用大疆”悟” Inspire 2，實(shí)時(shí)進(jìn)行吊裝施工監(jiān)測(cè)及航空攝影測(cè)量等高空作業(yè)，如圖15 所示。大疆”悟”Inspire2p 配備支持2.4/5.8GHz 的Lightbridge 高清圖傳系統(tǒng)，有效傳輸距離達(dá)7km，并可同時(shí)傳輸1080p 主相機(jī)畫(huà)面及720p FPV 攝像頭畫(huà)面，在配合Cendence 使用時(shí)，可在4km 內(nèi)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的10Mbps 碼流的高畫(huà)質(zhì)圖像傳輸。

圖15 無(wú)人機(jī)高空作業(yè)

6.3 BIM+激光掃描

本工程采用 FARO ～Focus Laser 脈沖測(cè)距法技術(shù)進(jìn)行激光現(xiàn)場(chǎng)掃描實(shí)體點(diǎn)云信息采集，數(shù)據(jù)處理可以在后臺(tái)軟件完成，并基于Revit 軟件進(jìn)行BIM 建模。結(jié)合BIM 的三維激光掃描儀可以檢測(cè)和控制施工過(guò)程中的施工質(zhì)量，基于點(diǎn)云擬合的模型避免了由于過(guò)渡的人為干預(yù)導(dǎo)致的二次精度的損失，從而提高了建模率和準(zhǔn)確度[13]，如圖16 所示。

7 結(jié)論

BIM 集成技術(shù)在本工程建造過(guò)程都發(fā)揮了重要作用，其中包括幾何建模、結(jié)構(gòu)分析、數(shù)字化加工、碰撞檢查、管線綜合、精密測(cè)量、施工模擬和方案優(yōu)化等。在復(fù)雜形體大跨度鋼結(jié)構(gòu)數(shù)字化建造中BIM 集成技術(shù)具有無(wú)法取代地位。本文通過(guò)工程實(shí)例介紹了超大型骨架支承式膜覆蓋結(jié)構(gòu)BIM 集成技術(shù)建造的幾個(gè)重要環(huán)節(jié)，可為今后類似工程項(xiàng)目的數(shù)字化建造提供借鑒。