淺談西安國(guó)際足球中心 EPC 總承包項(xiàng)目全過程 BIM 應(yīng)用技術(shù)

劉 富，陳佳偉，井坤龍，蔣興科

（陜西建工集團(tuán)股份有限公司，陜西 西安 710068）

0 引言

EPC 施工總承包工程在建設(shè)過程中，專業(yè)分包多，外部協(xié)調(diào)工作量大，需從設(shè)計(jì)、施工、工期、質(zhì)量、費(fèi)用等方方面面進(jìn)行工程管理［1-3］。如何做好各分包單位之間信息的整合，提升圖紙深化設(shè)計(jì)的效率、質(zhì)量，使設(shè)計(jì)圖紙切實(shí)可行，減少施工現(xiàn)場(chǎng)操作的難度，以達(dá)到管理升級(jí)、降本增效的目的，是 EPC 施工總承包單位施工管理的首要問題，而 BIM 技術(shù)的應(yīng)用是解決此問題的有效手段［4-6］。

1 工程概況

西安國(guó)際足球中心是 2023 年亞洲杯主場(chǎng)館之一，可容納 60 000人進(jìn)行觀賽，場(chǎng)館整體設(shè)計(jì)將“周秦圣殿、漢唐雄風(fēng)”元素與動(dòng)感、時(shí)尚、活力等特色完美結(jié)合，“下方上圓”的經(jīng)典馬鞍形造型，獨(dú)具一格的通風(fēng)加熱錨固系統(tǒng)，多彩變換的智能照明系統(tǒng)以及全球首創(chuàng)的雙層雙向正交索網(wǎng)結(jié)構(gòu)，充分展現(xiàn)了西安這座古都的歷史文化底蘊(yùn)。項(xiàng)目主樓北側(cè)為外挑尺寸最大達(dá)到 36 m 的大跨度懸挑結(jié)構(gòu)，外圍大面積外傾幕墻類型多樣、整體形變不易控制，如圖1 所示。

項(xiàng)目建設(shè)過程中，充分結(jié)合 EPC 總承包項(xiàng)目?jī)?yōu)勢(shì)，將各專業(yè)的 BIM 模型相互融合，全過程利用 BIM 技術(shù)指導(dǎo)優(yōu)化設(shè)計(jì)、方案策劃與現(xiàn)場(chǎng)施工，最大程度發(fā)揮了 BIM 技術(shù)在工程建設(shè)中的優(yōu)勢(shì)。

2 施工重難點(diǎn)

1）作為 EPC 總承包項(xiàng)目，項(xiàng)目工程專業(yè)多，總承包管理與協(xié)調(diào)工作量大，各專業(yè)施工整體功能、建設(shè)品質(zhì)要求高，需要進(jìn)行高效率的信息傳遞。

2）勁性柱受力復(fù)雜，存在 SRC+BRB 埋件+豎向斜梁，SRC+水平斜梁等復(fù)雜節(jié)點(diǎn)，周邊梁鋼筋配筋數(shù)量很多，如何保證節(jié)點(diǎn)處鋼筋綁扎及混凝土澆筑質(zhì)量是關(guān)鍵。

3）工程外圍大面積外傾幕墻類型多樣，包括大跨度玻璃幕墻，曲線鋁板幕墻，陶土板幕墻等形式，整體形變不易控制，安裝難度大。

3 BIM 技術(shù)輔助工程管理

3.1 設(shè)計(jì)階段—樁基荷載設(shè)計(jì)

在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段，采用 BIM 技術(shù)對(duì)樁基沉降進(jìn)行計(jì)算，保證建筑物樁基礎(chǔ)（不含樁長(zhǎng)）埋深控制≥1/18 建筑物總高。沉降計(jì)算采用 YJK 2.0.1 版基礎(chǔ)設(shè)計(jì)模塊，計(jì)算結(jié)果如圖2 所示。最大沉降量 20 mm，框架柱之間的沉降差 16 mm，＜0.002L（L為框架柱距），滿足規(guī)范要求。

圖2 樁基沉降計(jì)算結(jié)果

3.2 設(shè)計(jì)階段—混凝土結(jié)構(gòu)分析

場(chǎng)館主體混凝土結(jié)構(gòu)為超長(zhǎng)無縫設(shè)計(jì)，采用盈建科 YJK2.0.1 版和 SAP2000 V22.1.0 兩種空間有限元分析程序?qū)ο虏炕炷两Y(jié)構(gòu)進(jìn)行抗裂分析，得出結(jié)構(gòu)主要的樓板應(yīng)力均在 2.20 N/mm2以下，施工過程中對(duì)局部應(yīng)力集中部位可以通過增加抗裂纖維及樓板鋼筋配置等措施來減小混凝土裂縫的產(chǎn)生，混凝土結(jié)構(gòu)模型如圖3 所示。

圖3 混凝土結(jié)構(gòu)示意圖

3.3 設(shè)計(jì)階段—屋蓋結(jié)構(gòu)分析

為了能正確合理地分析屋蓋結(jié)構(gòu)，采用了足尺結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)分析。模型的反應(yīng)譜分析采用 CQC 組合，同時(shí)采用 SRSS 法考慮雙向地震的扭轉(zhuǎn)耦連效應(yīng)。計(jì)算時(shí)考慮阻尼比，對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)采用不同的阻尼比，鋼結(jié)構(gòu)的阻尼比取 0.02，混凝土結(jié)構(gòu)的阻尼比取 0.05。為驗(yàn)算屋蓋網(wǎng)殼桿件的穩(wěn)定性，驗(yàn)算過程中在恒載、活載以及風(fēng)荷載作用的基礎(chǔ)上，同時(shí)充分考慮溫度作用、地震作用的影響，將以上荷載進(jìn)行組合，確保驗(yàn)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。鋼構(gòu)件在各工況組合下最大應(yīng)力比 0.96，出現(xiàn)在屋蓋鋼結(jié)構(gòu)北側(cè) 45°，下弦與索網(wǎng)交界處桿件。最大應(yīng)力比＜1.0，滿足規(guī)范的要求。屋蓋結(jié)構(gòu)主要振型如圖4 所示。

圖4 屋蓋結(jié)構(gòu)主要振型演示

3.4 施工階段——方案模擬

利用 BIM 模型可視化的特點(diǎn)，建立行復(fù)雜節(jié)點(diǎn)的模型，提前找出施工過程中可能存在的問題。尤其是對(duì)結(jié)構(gòu)鋼筋與鋼構(gòu)、混凝土柱、梁交叉節(jié)點(diǎn)進(jìn)行重點(diǎn)分析，討論和交流得到最佳施工方案，提升現(xiàn)場(chǎng)人員管理水平，如圖5 所示。

圖5 梁柱節(jié)點(diǎn) BIM 模型交流

3.5 施工階段——深化設(shè)計(jì)

考慮到本工程專業(yè)眾多，二次深化需避免各專業(yè)發(fā)生碰撞問題，通過 BIM 模型優(yōu)化出圖、深化界面節(jié)點(diǎn)，解決各專業(yè)設(shè)計(jì)不合理問題，提高施工方案編制的可操作性，尤其是避免發(fā)生建筑與結(jié)構(gòu)產(chǎn)生標(biāo)高或位置偏差、型鋼混凝土柱鋼筋綁扎及澆筑困難、門、窗安裝、開啟方向不正確等問題。

3.6 施工階段——總平面管理

本工程主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有大量裝配式模塊化單元，包括上部外環(huán)網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)、內(nèi)場(chǎng)預(yù)制混凝土看臺(tái)以及外部大面積陶鋁板幕墻等。在上部屋蓋施工階段，大量物資同時(shí)進(jìn)場(chǎng)，且鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)殼單元施工與內(nèi)場(chǎng)清水混凝土看臺(tái)吊裝間存在交叉作業(yè)工作。如何有效利用內(nèi)外場(chǎng)場(chǎng)地，尤其是內(nèi)場(chǎng)場(chǎng)地，避免交叉作業(yè)中產(chǎn)生工序空間及時(shí)間上的碰撞是項(xiàng)目管理的重點(diǎn)。為解決以上問題，項(xiàng)目在施工準(zhǔn)備階段采用 BIM 技術(shù)可視化的特點(diǎn)進(jìn)行項(xiàng)目整體物資平面布置，全過程吊裝模擬，分區(qū)域進(jìn)行吊裝作業(yè)，屋蓋吊裝采用就近吊裝，在內(nèi)外分別布置兩處吊裝點(diǎn)，避免與看臺(tái)板吊裝發(fā)生碰撞問題。同時(shí)根據(jù)吊裝點(diǎn)的位置確定物料堆放位置及范圍、最佳物資運(yùn)輸路徑及吊裝范圍，可減少物資搬運(yùn)距離，有利于開展綠色施工。

3.7 施工階段——工程量計(jì)算

項(xiàng)目土建、機(jī)電、幕墻及鋼結(jié)構(gòu)等專業(yè)工作量大，采用傳統(tǒng)手算方法工作量大，浪費(fèi)人力，且錯(cuò)誤率高，匯總繁瑣。項(xiàng)目采用 BIM 軟件進(jìn)行工程量計(jì)算，采用電腦生成工程量匯總表，可大幅度減輕工程量計(jì)算及復(fù)核問題，如圖6 所示。

圖6 BIM 工程量計(jì)算

4 BIM 技術(shù)指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工

4.1 BIM 空間定位技術(shù)

本工程空間定位復(fù)雜，看臺(tái)、鋼結(jié)構(gòu)、幕墻需進(jìn)行三維空間定位，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置三級(jí)平面布置網(wǎng)，引進(jìn) BIM 空間定位技術(shù)（見圖7），應(yīng)用放線機(jī)器人進(jìn)行三維空間定位，簡(jiǎn)化坐標(biāo)計(jì)算，以保證定位精度，提高放線效率。

圖7 三維空間定位

4.2 預(yù)制看臺(tái)構(gòu)件 BIM 預(yù)拼裝

本工程看臺(tái)體量龐大，總量為 6 295 塊，類型多樣，規(guī)格型號(hào)達(dá)到 1 187 種，采用 BIM 技術(shù)進(jìn)行配板設(shè)計(jì)及吊裝模擬，保證看臺(tái)整體達(dá)到清水效果，如圖8 所示。

圖8 BIM 模擬預(yù)拼裝

4.3 BIM 技術(shù)輔助吊裝設(shè)備布置

項(xiàng)目屋蓋結(jié)構(gòu)為非常新穎的剛性環(huán)殼和柔性索網(wǎng)組合的大跨度結(jié)構(gòu)，本工程根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的形式、特點(diǎn)，劃分吊裝單元塊體的重量、吊裝半徑等，選用不同吊裝機(jī)械進(jìn)行吊裝。根據(jù)吊裝塊體的重量、重心位置確定吊點(diǎn)及吊繩長(zhǎng)度，結(jié)合 BIM 模型進(jìn)行受力分析及安裝模擬，模擬吊裝每一個(gè)塊體單元，確定出吊機(jī)站位、吊臂長(zhǎng)度回旋半徑等，得到最終確定吊裝方案，保證吊裝過程一次成功就位，如圖9 所示。

圖9 吊裝設(shè)備布置（單位：mm）

4.4 BIM 輔助結(jié)構(gòu)計(jì)算

主樓北側(cè)設(shè)計(jì)為大跨度懸挑結(jié)構(gòu)，橫跨軸線 S12-S33，整體延伸出一個(gè)扇形區(qū)域，總跨度約為240 m，外挑尺寸達(dá)到 17～36 m，施工及吊裝難度大。采用 BIM 模擬技術(shù)對(duì)外伸結(jié)構(gòu)以及幕墻支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析計(jì)算以及安裝模擬（見圖10）。在1.0D+1.0L荷載工況下，通過計(jì)算外懸挑端部的最大豎向位移為 32 mm。滿足規(guī)范L/400=2L0/400=148 mm 的要求。水平構(gòu)件應(yīng)力比最大為 0.893，出現(xiàn)于支撐的懸挑主梁，斜柱應(yīng)力比最大 0.78，均滿足結(jié)構(gòu)安全要求。

圖10 北側(cè)懸挑結(jié)構(gòu)模型及計(jì)算

4.5 BIM 模型索膜結(jié)構(gòu)施工全過程模擬

在索結(jié)構(gòu)施工中預(yù)應(yīng)力達(dá)到設(shè)計(jì)要求時(shí)，整個(gè)結(jié)構(gòu)才是穩(wěn)定的，不能在牽引的過程中產(chǎn)生超過壓環(huán)所能承受的彎矩，否則有可能在牽引過程中，壓環(huán)達(dá)到它的極限而失穩(wěn)。通過建立 BIM 模型，選擇多點(diǎn)整體牽引的方法，在每根索的端頭都設(shè)置牽引索，采用 ANSYS 等軟件，經(jīng)過復(fù)雜的計(jì)算分析（見圖11），對(duì)索網(wǎng)施工全過程進(jìn)行仿真模擬，并進(jìn)行實(shí)體縮尺試驗(yàn)，分析索網(wǎng)在不同牽引狀態(tài)下索體的內(nèi)力及整體形態(tài)，最終確定不同索體和膜共同受力，牽引過程中進(jìn)行動(dòng)態(tài)控制，精確控制每根索體的拉力，并且要經(jīng)歷多次調(diào)索，最終才能確保設(shè)計(jì)形態(tài)的實(shí)現(xiàn)。

圖11 BIM 建模 ANSYS 分析

4.6 BIM 技術(shù)指導(dǎo)綜合管線排布

本工程采用“機(jī)電管線及設(shè)備工廠化預(yù)制技術(shù)”，經(jīng) BIM 對(duì)各專業(yè)綜合排布，由模塊化生產(chǎn)廠家定制生產(chǎn)，經(jīng)驗(yàn)收合格后分塊運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)裝配式施工（見圖12），現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用率約 30 %，該技術(shù)的應(yīng)用提高了預(yù)制率和裝配率，有效地提高了工效和工程質(zhì)量。

圖12 BIM 管線排布

本工程地下室區(qū)域凈高管綜排布復(fù)雜多變，機(jī)電安裝系統(tǒng)龐大復(fù)雜，管道規(guī)格和材質(zhì)種類繁多，體量較大，設(shè)備與管線分布密集，大量管道呈不規(guī)則變曲率圓弧形，預(yù)制及安裝難度大。通過 BIM 模擬、預(yù)建造、排布，發(fā)現(xiàn)不滿足凈高問題，及時(shí)調(diào)整。

4.7 幕墻節(jié)點(diǎn)深化

本工程大面積幕墻包括百葉幕墻、玻璃幕墻，陶土板幕墻等，形式多樣、整體形變不易控制、安裝難度大，幕墻面板幾何長(zhǎng)度均成漸變趨勢(shì)，采用 rhino 設(shè)計(jì)軟件對(duì)外圍幕墻進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，首先建立場(chǎng)館的外觀整體模型，再利用其對(duì)外幕墻進(jìn)行精確分割排版，然后根據(jù)構(gòu)件尺寸確定對(duì)接方案和接頭的位置，得到最優(yōu)的組裝方案，最終確定采用特制扇形板進(jìn)行屋面型材百葉幕墻組裝，達(dá)到屋面曲面設(shè)計(jì)效果，如圖13 所示。

圖13 幕墻外觀模型及節(jié)點(diǎn)

5 結(jié)語

西安國(guó)際足球中心項(xiàng)目全專業(yè)應(yīng)用 BIM 技術(shù)進(jìn)行深化設(shè)計(jì)，合理進(jìn)行場(chǎng)地布置，克服施工過程中的難題，提升工程質(zhì)量品質(zhì)，實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目精細(xì)化、集成化、智能化的管理，可為類似 EPC 總承包工程的管理提供一定的參考價(jià)值。Q