智能建造BIM技術(shù)在復(fù)雜建筑工程的集成應(yīng)用與技術(shù)創(chuàng)新研究

尹大偉 錢峰 王嘉

摘要：依托成都體育學(xué)院整體遷建（一期）項(xiàng)目二批次十標(biāo)段體育藝術(shù)中心為工程背景，采用BIM建模輔助施工及BIM拓展運(yùn)用完成了多專業(yè)交叉大型復(fù)雜建筑的修建。研究結(jié)果表明，深化設(shè)計(jì)后的BIM模型能滿足工程要求，符合現(xiàn)場安裝、施工規(guī)范，可直接用于指導(dǎo)現(xiàn)場生產(chǎn)、安裝和施工，為工程質(zhì)量檢查、工程驗(yàn)收帶來了巨大幫助。

關(guān)鍵詞：復(fù)雜建筑工程；智能建造；BIM技術(shù)；集成應(yīng)用

中圖分類號(hào)：TU741.2文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

由于造型簡單，且有以往成熟的BIM資源和案例可以參考利用，采用常規(guī)BIM軟件和設(shè)備就可以完成整體應(yīng)用，BIM技術(shù)廣泛應(yīng)用于簡單商業(yè)建筑項(xiàng)目［1-4］。而對(duì)于體育場、劇院、文藝中心等復(fù)雜造型建筑項(xiàng)目，由于專業(yè)繁多，造型復(fù)雜，標(biāo)高變化頻繁，缺乏BIM應(yīng)用案例，采用傳統(tǒng)BIM應(yīng)用方法無法滿足全專業(yè)落地應(yīng)用的要求，拓展應(yīng)用BIM技術(shù)成為大型復(fù)雜建筑體系輔助施工的一種新趨勢。

目前，國內(nèi)外大量學(xué)者對(duì)BIM技術(shù)的拓展應(yīng)用展開了大量研究。張宏銓等［5］通過對(duì)BIM部分功能進(jìn)行二次開發(fā)，使得BIM技術(shù)更好地應(yīng)用在碼頭項(xiàng)目工程的全生命周期中；王競千等［6］依托洪澤區(qū)文化體育館為工程背景，應(yīng)用BIM技術(shù)輔助施工管理，項(xiàng)目實(shí)施過程中為了更好應(yīng)用BIM建造智能平臺(tái)，借助外部插件對(duì)BIM技術(shù)進(jìn)行了二次開發(fā)；孫國旺等［7-9］將BIM技術(shù)廣泛應(yīng)用于輸變電工程中；常攀龍等［10］應(yīng)用BIM3D建模技術(shù)輔助完成了某鐵路站房工程的建設(shè)；張林等［11］在現(xiàn)有BIM技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過輕量化處理、數(shù)模分離以及數(shù)據(jù)融合，實(shí)現(xiàn)從BIM到CIM的高效融合無縫銜接；Cheng等［12］通過大量資料調(diào)研，統(tǒng)計(jì)了BIM技術(shù)拓展應(yīng)用于建筑工程中的25個(gè)經(jīng)典案例。

綜上，國內(nèi)外學(xué)者在復(fù)雜BIM建模技術(shù)、信息技術(shù)的深層次拓展研究上取得了顯著研究成果。本文依托成都體育學(xué)院整體遷建（一期）項(xiàng)目二批次十標(biāo)段體育藝術(shù)中心為工程背景，采用BIM建模技術(shù)輔助工程高難度施工，同時(shí)結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際，對(duì)BIM技術(shù)進(jìn)行拓展創(chuàng)新，將BIM+無人機(jī)、BIM+三維激光掃描、BIM+3D打印、BIM+VR等技術(shù)集成應(yīng)用于重難點(diǎn)工程上，可為類似工程提供一定參考價(jià)值。

1工程概況

如圖1所示，成都體育學(xué)院整體遷建（一期）項(xiàng)目二批次十標(biāo)段體育藝術(shù)中心建筑面積12 921.61 m2，建筑高度23.6 m，最大單跨跨度為27.6 m，地上2層，含機(jī)房層、架構(gòu)層等，地下局部2層，結(jié)構(gòu)類型為鋼筋混凝土框架剪力墻結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)形式為樁基礎(chǔ)+條形基礎(chǔ)，抗震設(shè)防烈度為6度，結(jié)構(gòu)抗震等級(jí)為三級(jí)。

本工程專業(yè)繁多，造型復(fù)雜，工期緊張，施工難度極大，亟需應(yīng)用BIM技術(shù)提前在全專業(yè)碰撞檢查、深化設(shè)計(jì)、施工模擬、管線綜合等方面開展落地應(yīng)用，在施工過程中拓展應(yīng)用BIM+無人機(jī)、BIM+三維激光掃描、BIM+3D打印、BIM+VR等技術(shù)，并結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際重難點(diǎn)研發(fā)BIM+創(chuàng)新技術(shù)，解決項(xiàng)目施工難題，降低施工成本，加快施工進(jìn)度。

2基于BIM技術(shù)的復(fù)雜建筑施工

2.1地基與基礎(chǔ)施工

本工程基坑最大埋深達(dá)13.65 m，最淺與最深的基礎(chǔ)頂相差10.45 m。基礎(chǔ)形式復(fù)雜，包含條形基礎(chǔ)、承臺(tái)基礎(chǔ)、樁基礎(chǔ)、抗浮錨桿等，其中樁基礎(chǔ)187根，最小樁距僅2.1 m，場地狹窄，施工困難；同時(shí)基礎(chǔ)節(jié)點(diǎn)復(fù)雜，防水施工困難，后續(xù)漏水風(fēng)險(xiǎn)高。地下室局部兩層，大面一層，有舞臺(tái)機(jī)械升降平臺(tái)和大型機(jī)電安裝設(shè)備的預(yù)留洞口，結(jié)構(gòu)施工過程中存在眾多預(yù)留預(yù)埋，施工工序與協(xié)調(diào)難度大。

如圖2所示，根據(jù)地勘報(bào)告、支護(hù)方案和基礎(chǔ)圖紙等資料，建立參數(shù)化地質(zhì)模型、基坑支護(hù)模型和基礎(chǔ)模型，模擬基坑開挖、支護(hù)及基礎(chǔ)施工全過程?；娱_挖階段，遇到軟臥土層，利用3D掃描技術(shù)掃描并建立土方超挖模型，并提取超挖工程量，輔助現(xiàn)場實(shí)際成本控制。地下室施工過程中，利用模型提前深化舞臺(tái)機(jī)械和安裝設(shè)備的預(yù)留洞口和施工路線，做好預(yù)留預(yù)埋工作。

2.2狹窄空間高大模板和大跨度預(yù)應(yīng)力梁施工

本工程最大支模高度為地下二層抗水板面至構(gòu)架層結(jié)構(gòu)板面，采用盤扣架搭設(shè)滿堂支撐架，支撐架高度38.45 m，面積約251 m2，如圖3所示。該區(qū)域還含有超重梁，梁跨度16 m，截面950 mm×2 600 mm，線荷載高達(dá)63 kN/m，觀眾席上空分布三根跨度27.6 m，截面500 mm×2 400 mm的后張法預(yù)應(yīng)力梁，整體施工安全風(fēng)險(xiǎn)極大。

針對(duì)本工程施工難點(diǎn)，根據(jù)BIM模型、模板施工方案、腳手架施工方案等創(chuàng)建模板及腳手架模型，直觀真實(shí)地反映現(xiàn)場支模架搭設(shè)和模板鋪設(shè)的情況，及時(shí)優(yōu)化模板施工方案，進(jìn)行三維可視化交底，提高施工效率。同時(shí)根據(jù)BIM模型、施工組織設(shè)計(jì)、資源計(jì)劃等創(chuàng)建施工模擬模型，通過4D施工模擬技術(shù)，直觀地展示施工過程的模擬，觀察施工方案和進(jìn)度的執(zhí)行情況，提前對(duì)施工過程進(jìn)行可視化、漫游及其他體驗(yàn)。

施工模擬的真實(shí)性能讓項(xiàng)目各方了解成本、工期與環(huán)境影響，揭露施工過程中施工空間、設(shè)施、資源之間可能存在的沖突和不足，有助于改進(jìn)施工規(guī)劃，盡早發(fā)現(xiàn)施工風(fēng)險(xiǎn)，提高施工組織設(shè)計(jì)的可實(shí)施性，減少潛在的施工問題。

3基于BIM技術(shù)的深化設(shè)計(jì)應(yīng)用

3.1工程特點(diǎn)

3.1.1土建結(jié)構(gòu)

如圖4所示，整個(gè)建筑外圈為圓形，多邊柱、折線梁、弧形梁等異形構(gòu)件較多，模板安裝、加固困難；室內(nèi)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，存在眾多夾層，用于設(shè)備房、操作間；觀眾看臺(tái)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，標(biāo)高眾多，施工難度大；主體結(jié)構(gòu)、二次結(jié)構(gòu)施工過程中需提前預(yù)留設(shè)備、設(shè)施安裝的進(jìn)出洞口；舞臺(tái)機(jī)械、燈光、音頻、樂池升降機(jī)械專業(yè)由建設(shè)單位分包，結(jié)構(gòu)施工過程中需專業(yè)分包提前介入，參與主體結(jié)構(gòu)施工過程中的預(yù)留預(yù)埋工作，工序、工期、工程質(zhì)量的協(xié)調(diào)、控制難度較大；大屋面采用疊合板，屋面滲水風(fēng)險(xiǎn)大。

3.1.2機(jī)電安裝

因地下室區(qū)域無車道、車庫，地下室的風(fēng)機(jī)、配電柜、變壓器、消防水泵、超長管道等，均需在二次結(jié)構(gòu)施工過程中，通過結(jié)構(gòu)預(yù)留洞吊入待裝樓層，通過土建搭設(shè)的施工通道轉(zhuǎn)運(yùn)進(jìn)入安裝部位，工作協(xié)調(diào)難度大；室內(nèi)各層各區(qū)域均存在多聯(lián)機(jī)空調(diào)吊裝，數(shù)量多，安裝難度高。

3.1.3幕墻

如圖5所示，外墻為石材+玻璃+鋁單板幕墻，受圓形建筑、異形造型影響，部分幕墻為弧形，石材、玻璃、保溫一體板、鋁單板等安裝難度大；屋頂為圓形，鋁方通等裝飾造型放樣難度大。施工過程中，相對(duì)于普通工程，需額外在外墻增設(shè)建筑控制點(diǎn)，采用全站儀極坐標(biāo)法控制弧形段定位，采用激光垂直儀投測豎向定位。施工完成后采用無人機(jī)掃描結(jié)合BIM模型進(jìn)行采用定位復(fù)測、糾偏。

3.1.4裝飾裝修

如圖6所示，演藝廳上空為40 mmGRG多面階梯狀弧形造型，最大板塊為27.7 m×9.81 m，圖紙顯示為整塊，整體安裝難度大；該部分位于觀眾席上空，地面為弧形階梯狀，腳手架搭設(shè)困難且搭設(shè)后室內(nèi)空間狹窄，材料運(yùn)輸及安裝施工難度大；墻面裝飾采用25 mm厚穿孔吸音蜂窩鋁板、18 mm厚木紋防火掛板、40 mm厚GRG石膏板等整體塊料裝飾面層，最大豎向安裝高度21.7 m，塊料面層最大尺寸5.55 m×1.5 m，材料水平轉(zhuǎn)運(yùn)、豎向垂直運(yùn)輸工程量大、運(yùn)輸難度大、安裝難度大；觀眾席臺(tái)階采用水磨石飾面，陰陽角成型質(zhì)量控制難度高，收邊收口施工難度大，墻面、地面防水工序需提前穿插，排水措施需提前考慮防止影響已完工程施工質(zhì)量；墻面、地面裝飾材料種類多，不同材料交界位置的收邊收口需提前策劃，深化設(shè)計(jì)施工圖，避免成型觀感質(zhì)量差產(chǎn)生返工的情況。

3.2智能建造BIM技術(shù)的集成應(yīng)用

針對(duì)多專業(yè)交叉施工的重難點(diǎn)，本工程采用BIM技術(shù)提前創(chuàng)建全專業(yè)模型，并以機(jī)電安裝為核心，開展各專業(yè)碰撞檢查，提前將所有碰撞問題落實(shí)解決。根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)安裝、機(jī)電管綜、幕墻安裝等要求，落實(shí)各專業(yè)預(yù)留預(yù)埋工作，避免后期破壞開洞等。具體深化設(shè)計(jì)包括異形模板深化設(shè)計(jì)、混凝土澆筑臨時(shí)通道深化設(shè)計(jì)、二次結(jié)構(gòu)深化設(shè)計(jì)、輕質(zhì)隔墻排版深化設(shè)計(jì)、預(yù)留洞口深化設(shè)計(jì)、屋面疊合板深化設(shè)計(jì)、鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件深化設(shè)計(jì)、機(jī)電管綜深化設(shè)計(jì)、幕墻深化設(shè)計(jì)、GRG造型深化設(shè)計(jì)等，結(jié)合生產(chǎn)、運(yùn)輸、安裝、施工等現(xiàn)場實(shí)際情況，對(duì)模型進(jìn)行細(xì)化、補(bǔ)充和完善，深化設(shè)計(jì)后的模型能滿足工程要求，符合現(xiàn)場安裝、施工規(guī)范，可直接用于指導(dǎo)現(xiàn)場生產(chǎn)、安裝和施工。

4BIM+拓展應(yīng)用

4.1BIM+無人機(jī)

在施工過程中，借助無人機(jī)飛行從垂直、傾斜等多個(gè)角度獲取建筑影像照片，同時(shí)獲取地面上各控制點(diǎn)的完整精確信息，導(dǎo)出無人機(jī)攝像基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，結(jié)合圖紙?jiān)O(shè)計(jì)資料，利用圖形運(yùn)算單元GPU，快速、精確、自動(dòng)地生成逼真的實(shí)景三維場景模型。通過分析實(shí)景三維模型可以得到真實(shí)場地的三維坐標(biāo)、視域情況、坡度坡向與現(xiàn)狀建筑等信息。在建立建筑物模型與表面紋理的過程中，垂直影像中包含建筑頂面信息，傾斜影像能夠提供地物側(cè)面的視角，兩者結(jié)合滿足生成建筑物表面紋理和模型的需要。

4.2BIM+三維激光掃描

三維激光掃描技術(shù)是整個(gè)三維數(shù)據(jù)獲取和重構(gòu)技術(shù)體系中的最新技術(shù)，其實(shí)現(xiàn)了直接從實(shí)體進(jìn)行快速逆向獲取三維數(shù)據(jù)及模型的重新構(gòu)建。在施工階段，將BIM模型用于現(xiàn)場管理需要集成有效的技術(shù)手段作為輔助。三維激光掃描技術(shù)可以高效、完整地記錄施工現(xiàn)場的復(fù)雜情況，與設(shè)計(jì)BIM模型進(jìn)行對(duì)比，為工程質(zhì)量檢查、工程驗(yàn)收帶來巨大幫助（圖7）。

4.3BIM+3D打印技術(shù)

本項(xiàng)目利用BIM+3D打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)機(jī)房模型縮放打印，保證機(jī)房安裝整體成型效果，分析安裝過程中容易出現(xiàn)的質(zhì)量和安全問題，提高技術(shù)交底的實(shí)用性和準(zhǔn)確性。

4.4BIM+VR技術(shù)

為了能更好地展現(xiàn)模型提高模型交底效果和現(xiàn)場交流效果，本項(xiàng)目結(jié)合VR技術(shù)實(shí)現(xiàn)模型虛擬體驗(yàn)，在三維模型的基礎(chǔ)上，加強(qiáng)了可視性和具象性，通過構(gòu)建虛擬展示，為使用者提供交互性設(shè)計(jì)和可視化印象。

5結(jié)束語

本文依托成都體育學(xué)院整體遷建（一期）項(xiàng)目二批次十標(biāo)段體育藝術(shù)中心為工程背景，通過深化設(shè)計(jì)BIM模型完成了多專業(yè)交叉大型復(fù)雜建筑的修建，模型能滿足工程要求，符合現(xiàn)場安裝、施工規(guī)范，可直接用于指導(dǎo)現(xiàn)場生產(chǎn)、安裝和施工，為工程質(zhì)量檢查、工程驗(yàn)收帶來了巨大幫助。

參考文獻(xiàn)

［1］池亞徽.BIM技術(shù)在高層建筑機(jī)電安裝施工中的應(yīng)用研究［J］.中國建筑金屬結(jié)構(gòu)，2023，22（8）：15-17.

［2］倪佰洋.BIM技術(shù)在建筑工程設(shè)計(jì)階段的應(yīng)用研究［J］.房地產(chǎn)世界，2023（7）：44-48.

［3］Neelima， Sharma R， Rajput Y S， et al. Chemical and functional properties of glycomacropeptide （GMP） and its role in the detection of cheese whey adulteration in milk： a review［J］.Dairy Science & Technology， 2013， 93（1）：21-43.

［4］蘇志鋒.建設(shè)方基于BIM的項(xiàng)目管理實(shí)踐——以某商業(yè)項(xiàng)目為例［J］.建設(shè)監(jiān)理，2022（5）：24-26.

［5］張宏銓，李家華，陳家悅，等.BIM技術(shù)在某大型碼頭設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究［J］.港工技術(shù)，2022，59（3）：84-88.

［6］王競千，徐思遠(yuǎn)，周大偉，等.BIM技術(shù)在施工管理中的應(yīng)用與功能拓展［J］.建筑機(jī)械化，2021，42（1）：41-43.

［7］孫國旺.BIM技術(shù)在輸變電工程造價(jià)管理中的應(yīng)用研究［J］.智能城市，2020，6（10）：88-89.

［8］郭文東，何萍.基于三維智能輔助模型的輸變電工程全壽命周期控制研究［J］.微型電腦應(yīng)用，2023，39（9）：82-86.

［9］季天程.輸變電工程項(xiàng)目管理場景中BIM技術(shù)應(yīng)用［J］.中國科技信息，2023（18）：144-145+148.

［10］常攀龍，黃翔，盧其峰，等.BIM技術(shù)在南寧北站站房工程創(chuàng)新應(yīng)用［J］.鐵路技術(shù)創(chuàng)新，2023（4）：124-130.

［11］張林，何平，陳云浩，等.BIM+CIM數(shù)據(jù)系統(tǒng)集成應(yīng)用的研究與實(shí)踐［J］.土木建筑工程信息技術(shù)，2023，15（1）：119-123.

［12］Cheng J H， Wang H. Application and Popularization of BIM Technology in Project Management［J］.Applied Mechanics & Materials， 2012， 174-177：2871-2875.

［作者簡介］尹大偉（1975—），男，本科，高級(jí)工程師，主要從事建筑施工技術(shù)及工程管理工作。

［通信作者］王嘉（1983—），男，本科，工程師，主要從事建筑施工技術(shù)方面研究工作。