劉 明 王學福 陳 曦 張國文 武 斌

(1.中建三局集團有限公司，武漢 430064； 2.鄭州市建設(shè)投資集團有限公司，鄭州 450000)

1 項目概況

1.1 工程概況

鄭州博物館新館總建筑面積約14.7×104m2，地下兩層，地上五層，建筑總高67.797m，建成后為全國第二大博物館。鄭州博物館新館秉承“中華之中、黃帝之冠”的設(shè)計理念，以弘揚中原黃帝文化為切入點，凝練鄭州地域特色，將象征黃帝文明的“冕冠”作為設(shè)計原型，同時引借聚寶盆的形象語言，提煉出剛勁有力的曲線動勢，生成建筑主體形象，表達中原地區(qū)光輝燦爛的文明歷史。項目結(jié)構(gòu)形式為“勁性鋼骨柱+勁性鋼骨梁+核心筒鋼—砼組合截面剪力墻”混合結(jié)構(gòu)體系，屋面為螺栓球網(wǎng)架與雙向正交鋼管桁架混合結(jié)構(gòu)體系。項目效果圖見圖1。

圖1 鄭州市博物館新館項目效果圖

1.2 項目重難點

(1)設(shè)計難度大

建筑造型復(fù)雜，屋面為弧形坡面鋼屋面。外立面為弧形幕墻，材料采用雙腔弧形玻璃、異形GRC、陶板、鋁板等構(gòu)造復(fù)雜，北側(cè)為弧形碗狀GRC幕墻。鋼結(jié)構(gòu)空間定位難，功能分區(qū)多。

(2)施工復(fù)雜

項目含有10個異形勁性核心筒，鋼板剪力墻、鋼管柱等鋼結(jié)構(gòu)異常復(fù)雜、鋼結(jié)構(gòu)與鋼筋穿插節(jié)點施工復(fù)雜，工程量大。

(3)工期緊

項目需配合全國少數(shù)民族運動會投入使用，總工期約20個月，工期緊張。

(4)新技術(shù)應(yīng)用多

共應(yīng)用建筑業(yè)十項新技術(shù)共10大項、39小項，存在大量連梁阻尼器、屈曲約束支撐等新技術(shù)。

2 BIM組織與應(yīng)用環(huán)境

2.1 BIM應(yīng)用目標

項目BIM應(yīng)用總體目標為利用BIM技術(shù)實現(xiàn)節(jié)約成本、優(yōu)化工期、打造精品工程。

具體實施目標為：

(1)設(shè)計施工一體化

強化設(shè)計施工一體化融合的工作模式，降低綜合成本。

(2)精細設(shè)計

應(yīng)用BIM技術(shù)提前解決了設(shè)計問題，提高建筑品質(zhì)，促進施工。

(3)精益施工

應(yīng)用BIM技術(shù)實現(xiàn)精細化管理。

(4)探索創(chuàng)新應(yīng)用

圖2 BIM管理組織結(jié)構(gòu)

打造智慧工地，探索VR、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)與BIM的融合應(yīng)用。

2.2 實施方案

制定項目BIM應(yīng)用導(dǎo)則(制定BIM應(yīng)用目標，確定BIM應(yīng)用應(yīng)取得的實施效果，明確各方職責)、BIM實施方案(結(jié)合項目特點制定具體實施的應(yīng)用點和實施方法，指導(dǎo)BIM工作落地)、BIM應(yīng)用制度(制定實行制度，明確獎罰措施，促進管理提升)[1]。

2.3 團隊組織

項目建立以建設(shè)單位主導(dǎo)，設(shè)計、施工、監(jiān)理、咨詢單位全體參與的BIM管理組織架構(gòu)，見圖2。

2.4 軟硬件環(huán)境

項目以REVIT2016為核心，用于土建、機電、分包、現(xiàn)場平面布置等模型的創(chuàng)建。TEKLA用于鋼結(jié)構(gòu)模型創(chuàng)建和深化，NAVISWORKS用于進行模型的碰撞檢測，F(xiàn)UZOR、LUMION用于建筑方案設(shè)計、模型瀏覽、漫游、動畫、VR應(yīng)用，MIDAS用于結(jié)構(gòu)設(shè)計分析，廣聯(lián)達BIM5D用于項目進度、質(zhì)量、安全、技術(shù)、商務(wù)、物資管理，廣聯(lián)達GMJ用于模板、腳手架模型的創(chuàng)建和應(yīng)用。

硬件方面項目配備相應(yīng)的計算機、觸屏電腦、大屏電視、VR眼鏡、無人機等。

3 基于BIM的設(shè)計管理

設(shè)計單位提供滿足施工深化的BIM模型，再通過代表業(yè)主的BIM咨詢單位進行模型二次復(fù)核最終達到可進行施工模型深化的設(shè)計模型。設(shè)計單位起到了承上啟下的作用，既對圖紙負責同時也要配合施工單位完成施工模型。

3.1 設(shè)計階段管理措施

在設(shè)計階段，設(shè)計單位以建設(shè)單位的標準為框架，制定了符合要求的建模標準以及行為準則。

在此過程中設(shè)計單位需對不同角色人員明確工作內(nèi)容，優(yōu)化BIM實施流程，明確BIM工作流，量化BIM工作內(nèi)容，把繁雜的BIM實施有效合理地劃分為單元工作并逐一完成，直指符合項目要求。項目還需明確BIM協(xié)同模式以及拆模原則，為BIM實施人員搭建基本工作環(huán)境。

3.2 設(shè)計階段實施難點

(1)鄭州博物館新館項目以皇帝之冠為創(chuàng)作原型，整體建筑造型方案為“黃帝之冠，聚寶之器”，見圖3，超大規(guī)模的建筑體量，大跨度鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計及定位難度大。

BIM技術(shù)實施采用“輔助設(shè)計形式”，確保圖紙質(zhì)量、保證空間使用需求、結(jié)構(gòu)計算要求，提前預(yù)判施工問題保證施工進度[2]。

圖3 建筑方案圖

(2)以往工程相關(guān)設(shè)計較模糊，深化工作容易滯后影響施工。本項目通過BIM參數(shù)化設(shè)計，加強幕墻前期設(shè)計深度，為后期幕墻深化設(shè)計及安裝提供精準數(shù)據(jù)，以保證施工工期、節(jié)約項目實施成本。

針對鋼結(jié)構(gòu)模型，通過BIM參數(shù)化建模技術(shù)，把計算模型轉(zhuǎn)換為可進行綜合應(yīng)用的revit應(yīng)用模型，以滿足多專業(yè)的使用的需求，見圖4。在設(shè)計階段搭建鋼結(jié)構(gòu)屋面BIM模型，確定細部桿件設(shè)置，結(jié)合外形完成復(fù)雜構(gòu)件的設(shè)計及優(yōu)化，解決了以往設(shè)計不直觀，深化設(shè)計工作滯后等問題。

圖4 鋼結(jié)構(gòu)、幕墻模型

(3)項目的空間使用分區(qū)多達90多個，不同類型的使用空間都需單獨進行凈高分析，考慮底板與頂板之間的高度，影響當前區(qū)域凈高的最大梁高、裝修方案。而后考慮管線安裝空間、維修空間等綜合因素進行管線綜合優(yōu)化和凈高分析，見圖5。

圖5 層高分析表和優(yōu)化模型

4 基于BIM的施工管理

項目開工后，總承包單位作為總協(xié)調(diào)方，協(xié)調(diào)各單位，牽頭進行BIM技術(shù)的引用。

4.1 深化設(shè)計

施工階段堅持“誰施工、誰深化”的原則，由總承包單位協(xié)調(diào)組織召開施工圖紙、模型評審會議。各分包單位提出相應(yīng)要求后經(jīng)總承包單位復(fù)核，將整合模型交由分包單位進行深化設(shè)計。深化設(shè)計結(jié)果經(jīng)多方協(xié)調(diào)同意，經(jīng)建設(shè)單位審核通過后，由設(shè)計單位進行圖紙蓋章發(fā)送。圖紙經(jīng)簽收后指導(dǎo)現(xiàn)場施工。本工程經(jīng)設(shè)計院和業(yè)主審核通過深化設(shè)計圖紙及材料統(tǒng)計表等文件，共計深化設(shè)計圖紙5 600余張[3]。

項目鋼結(jié)構(gòu)與鋼筋穿插復(fù)雜施工難度大，通過鋼結(jié)構(gòu)深化模型生成節(jié)點大樣，保證施工高效進行，節(jié)省工期約16天，施工費用67.7萬元，形成一項河南省級工法，獲得河南省級QC一等獎。

4.2 施工管理應(yīng)用

施工階段項目通過BIM、云平臺、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、智能設(shè)備等新技術(shù)實現(xiàn)了項目的精細化管理，項目基于BIM模型及數(shù)據(jù)開展日常管理工作，包括進度、質(zhì)量、安全、成本等各個環(huán)節(jié)，同時項目采用基于BIM的協(xié)同平臺進行項目的管理，解決了以往溝通效率底、數(shù)據(jù)存儲難等問題[4]。

(1)總平面管理

項目場地情況復(fù)雜：四個中心多項目同時施工，周邊管廊、地鐵、道路同步開挖，且現(xiàn)場場地狹小，無法形成環(huán)形道路。項目應(yīng)用BIM技術(shù)進行場地模型建立，分階段總平面布置(見圖6)，精細化臨建模型提量。相關(guān)溝通決策效率提高80%，保證了總平面布置合理高效且將臨建成本控制在合同額1%以內(nèi)。

圖6 各階段總平面布置

(2)模架設(shè)計

項目高支模架體面積達1.4×104m2，最高搭設(shè)高度達24m，部分為階梯狀變化高支模架體，搭設(shè)復(fù)雜。通過模架軟件設(shè)計，優(yōu)化布置，三維交底指導(dǎo)現(xiàn)場施工。生成配料單，精細化模架的材料用量，較常規(guī)測算節(jié)省了約9萬元周轉(zhuǎn)材料租賃費用。

(3)幕墻施工

從BIM模型中創(chuàng)建放樣點導(dǎo)入軟件中，使用BIM放樣機器人進行點位放樣。BIM放樣機器人通過發(fā)射紅外激光自動照準現(xiàn)實點位，從而將BIM模型精確的反應(yīng)到施工現(xiàn)場，保證施工精度，提高效率。

GRC幕墻板的生產(chǎn)通過建立幕墻深化BIM模型導(dǎo)入三維數(shù)控雕刻機，雕刻機讀取數(shù)據(jù)進行模具加工，保證構(gòu)件加工樣式、紋理符合設(shè)計和現(xiàn)場安裝要求。

GRC幕墻板的安裝通過模擬吊裝施工確定安裝順序，指導(dǎo)現(xiàn)場施工，保證現(xiàn)場施工合理高效，見圖8。

圖7 測量控制點位

圖8 模擬施工

(4)砌體排版

為避免砌體材料浪費，利用BIM排磚技術(shù)出具砌體排版圖，墻體面積約7 300m2，并結(jié)合現(xiàn)場管控，將砌體損耗率由傳統(tǒng)7%降至2%。

首先由土建和機電綜合模型通過REVIT插件進行一鍵留洞，已經(jīng)按照要求進行留洞的墻體導(dǎo)入BIM5D軟件中進行虛擬排磚?，F(xiàn)場安裝排磚圖進行加工和砌筑、驗收。

(5)資料管理

項目技術(shù)資料上傳云平臺，可以用手機、網(wǎng)頁進行查看。根據(jù)施工方案制作工藝庫，所有人員隨時可以通過手機下載查看，截至目前訪問、下載量達8350余次。

(6)計劃管理

建立基于BIM的計劃管理流程，見圖9。首先通過模擬施工編制總計劃，由總計劃推出工作計劃。在計劃落實過程中，將計劃和實際對比，根據(jù)現(xiàn)場完成情況調(diào)配人員和材料等資源進行流水段精細化管理。相關(guān)數(shù)據(jù)上傳云平臺，在每周的生產(chǎn)例會上對完成情況進行通報，督促相關(guān)工作的落實。

人人有責、層層考核、及時激勵，建立完善的計劃管理體系，也是深入貫徹全員績效考核的基礎(chǔ)。本項目為四個中心開工最晚項目，目前實體進度已追趕上其他項目。

圖9 基于BIM的計劃管理流程

(7)質(zhì)量管理

項目平面面積大，質(zhì)量管理繁雜，項目基于工程BIM模型進行質(zhì)量安全問題的收集和追蹤，全員納入系統(tǒng)，建立了完善的質(zhì)量安全管理流程模式，見圖10。

圖10 基于BIM的質(zhì)量管理

原本需2～3天才能整改完成的任務(wù)，本項目平均需1天即可完成，問題解決率達94%，較常規(guī)項目提高13%。

平臺打通線上線下，自動生成整改單和質(zhì)量情況分析，也可在會議上進行匯報。

(8)安全管理

安全管理不僅應(yīng)用了質(zhì)量管理的流程和方法，還增加了其他應(yīng)用。在大型設(shè)備、危險源附近設(shè)置巡更點，巡更點處設(shè)置可掃描的二維碼。巡查人員定期對巡更點進行檢查，通過掃描二維碼將檢查電子信息錄入，詳實反饋檢查情況。項目配備VR安全教育設(shè)備，加強安全管理工作。

(9)商務(wù)管理

項目對模型進行流水段劃分，結(jié)合BIM模型物資提量，并將各流水段模型與進度計劃精確關(guān)聯(lián)，分析得出了項目每個月的材料計劃[5]。

如項目對混凝土進行限額領(lǐng)料，通過模型工程量嚴格控制分包的材料損耗，同時現(xiàn)場通過智能地磅實時監(jiān)控材料進出場。每次澆筑混凝土均嚴格將損耗控制在偏差范圍內(nèi)。項目商務(wù)部每月將物資計劃量、模型工程量、實際消耗量進行對比分析，并得出了資源三算分析表，控制混凝土節(jié)約率在1.3%。實現(xiàn)了項目的資源動態(tài)管控。

(10)其他應(yīng)用

項目聯(lián)合BIM技術(shù)探索智慧工地技術(shù)應(yīng)用，采用智慧工地云平臺結(jié)合BIM5D，確保工期、勞務(wù)、質(zhì)量、安全、環(huán)境管理全覆蓋，大力推動綠色施工新技術(shù)創(chuàng)新應(yīng)用。項目建立智慧云平臺，將監(jiān)控攝像、巡更系統(tǒng)、塔機監(jiān)控、揚塵檢測、BIM5D等各項系統(tǒng)集成、數(shù)據(jù)共享，通過平臺可實時監(jiān)控項目塔吊運行、施工用水用電、勞動力人數(shù)、現(xiàn)場進度及安全質(zhì)量問題，保證施工現(xiàn)場管理便捷高效。

對施工的零構(gòu)件粘貼系統(tǒng)自動生成的零構(gòu)件二維碼，在完成相應(yīng)工位的施工后，進行條碼掃描，可將構(gòu)件當前狀態(tài)反饋到系統(tǒng)中，形成快遞式管理。

5 項目應(yīng)用效果

通過BIM技術(shù)在設(shè)計階段的應(yīng)用，已測算的設(shè)計時間效益為75天，現(xiàn)場施工時間效益為80天，間接效益約480萬元。

通過BIM技術(shù)在施工階段的應(yīng)用，直接經(jīng)濟效益為131萬，現(xiàn)場施工時間效益為51天，間接效益約1 530萬元。

6 總結(jié)

本文闡述了BIM技術(shù)在在鄭州博物館新館項目的應(yīng)用。項目建立由業(yè)主驅(qū)動，全過程、多參與方協(xié)同的BIM實施體系，形成了設(shè)計BIM向施工BIM過渡的方法經(jīng)驗，總結(jié)了BIM與施工生產(chǎn)業(yè)務(wù)流程相融合的管理模式。

6.1 創(chuàng)新點

(1)設(shè)計階段復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)的空間定位為施工提供了有力支撐，推動設(shè)計施工一體化，沒有進行二次建模；(2)曲面幕墻的“深化+加工+施工”技術(shù)保證現(xiàn)場施工和設(shè)計模型的高度契合，促進項目優(yōu)質(zhì)建造； (3)基于BIM的“進度+資源+工作”計劃管理實現(xiàn)了項目的精細化管理，保證了節(jié)約成本、優(yōu)化工期、打造精品工程的目標。

6.2 經(jīng)驗

(1)建設(shè)單位如不配備相關(guān)BIM人員需委托具有相應(yīng)實力的咨詢單位進行輔助管理；(2)設(shè)計單位的分工和拆模工作需提早進行劃分； (3)施工單位的BIM技術(shù)應(yīng)用最好在開工階段就進行明確； (4)各參建單位的BIM應(yīng)用實力需接近，否則相關(guān)協(xié)調(diào)工作量大。