萬仁威 姜月菊 張 東 韓 陽 肖曉嬌

（1.中建一局華江建設(shè)有限公司，北京 100161 ；2.中國建筑一局（集團(tuán)）有限公司，北京 100161；3.中國建筑一局（集團(tuán)）有限公司華北公司，天津 300457）

1 研究背景

相對于上世紀(jì)追求功能及經(jīng)濟(jì)效益的“方盒子”建筑，后現(xiàn)代、結(jié)構(gòu)主義等設(shè)計(jì)理念下的異形建筑的出現(xiàn)，為施工企業(yè)的建造過程帶來了諸多難題，可以說是基本沒有任何經(jīng)驗(yàn)可參考。

目前BIM技術(shù)在項(xiàng)目的應(yīng)用，更多的作用是項(xiàng)目設(shè)計(jì)成果展示、規(guī)避設(shè)計(jì)失誤風(fēng)險(xiǎn)，于施工方的意義在于一定程度上減少返工，提高施工質(zhì)量。

隨著BIM技術(shù)及智能化設(shè)備的推廣普及與引進(jìn)，為施工企業(yè)在解決異形結(jié)構(gòu)施工過程中的測量定位、可視化交底等問題，提供了新的解決方案。

為此，作為施工總承包企業(yè)，需提出一套能夠在異形建筑項(xiàng)目中有顯著效果的解決方案：既能夠讓BIM技術(shù)參與完善設(shè)計(jì)圖紙、輔助增強(qiáng)施工技術(shù)交底效率，也可以在施工過程中深度使用BIM模型，并將BIM應(yīng)用延伸到施工后的實(shí)測實(shí)量、檢查糾偏的工作中。

圖1 國內(nèi)各色異形建筑[4]

2 項(xiàng)目概況

景德鎮(zhèn)御窯博物館項(xiàng)目，位于江西省景德鎮(zhèn)市，珠山區(qū)，御窯廠遺址周邊。

項(xiàng)目由博物館主體、歷史街區(qū)修繕、市政道路改造等多個(gè)部分組成，其中博物館建筑總面積10 400m2，為雙曲面異型拱體結(jié)構(gòu)。

圖2 項(xiàng)目整體概況

御窯博物館主體為著名建筑師朱锫設(shè)計(jì)，取用窯的拱形元素，通過 8個(gè)體量、高度、朝向、雙曲率等均不同的單體拱體的組合、聚集而成，地下局部二層，雙曲面拱體結(jié)構(gòu)從地下一層升起，最高點(diǎn)到地上9m，整個(gè)結(jié)構(gòu)體系半藏于地下。

圖3 博物館完成效果

拱體采用混凝土為主體，外部采用砌筑窯磚幕墻，內(nèi)部采用干掛窯磚幕墻，窯磚幕墻均需滿足結(jié)構(gòu)的雙曲面效果。景德鎮(zhèn)御窯博物館項(xiàng)目部從業(yè)主管理方、工程總包到施工分包均從未有該類型項(xiàng)目的施工經(jīng)驗(yàn)，從技術(shù)方案到施工工藝均為全球首創(chuàng)。

圖4 室內(nèi)窯磚幕墻效果圖

2.1 雙曲面結(jié)構(gòu)難點(diǎn)

鑒于雙曲面結(jié)構(gòu)的特殊性，為保證雙曲面結(jié)構(gòu)精準(zhǔn)度，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)以每隔50cm的剖面作為控制點(diǎn)，針對項(xiàng)目的8個(gè)拱體分別出具了800余張拱體剖面圖，而且由于雙曲面結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，對于結(jié)構(gòu)主體的施工、模板支設(shè)控制以及澆筑完成后混凝土實(shí)體的實(shí)測實(shí)量工作均無類似的工程經(jīng)驗(yàn)來借鑒。

圖5 雙曲面結(jié)構(gòu)精度控制難度高

2.2 御窯遺址廠區(qū)場地運(yùn)輸規(guī)劃

御窯博物館設(shè)計(jì)在景德鎮(zhèn)老城區(qū)市中心御窯廠遺址原址之上，地下埋藏歷朝歷代重要?dú)v史遺址及文物，前期施工地下工程的清理運(yùn)輸需要科學(xué)的進(jìn)行考察和規(guī)劃。

圖6 施工場地運(yùn)輸主干道出土遺址

在施工場地大門及材料運(yùn)輸主干道發(fā)現(xiàn)了明代城墻遺址，為保護(hù)歷史遺跡，考古所及政府將改主干道進(jìn)行了封鎖，并需要進(jìn)行頻繁的周邊考古活動，對我們的施工材料運(yùn)輸工作造成了極大的困擾。

圖7 施工場地周邊歷史民居密集

同時(shí)，施工場地周邊均為迷宮般的御窯歷史民居街區(qū)，人力測量難以準(zhǔn)確得到民居巷弄道路走向，另外規(guī)劃運(yùn)輸?shù)缆奉H有難度。

3 項(xiàng)目BIM資源配置

3.1 人員配置

團(tuán)隊(duì)配備方面，項(xiàng)目部采用矩陣式組織架構(gòu)。

由指定專業(yè)工程師負(fù)責(zé)專項(xiàng)技術(shù)，形成一個(gè)17人的涵蓋項(xiàng)目全履約部門的項(xiàng)目級BIM應(yīng)用團(tuán)隊(duì)。

圖8 項(xiàng)目級BIM團(tuán)隊(duì)

為了將智能建造技術(shù)切實(shí)應(yīng)用到雙曲面拱體的質(zhì)量控制過程中，將QC小組與BIM小組成員深度融合。

圖9 BIM+QC融合

3.2 軟件配置

根據(jù)項(xiàng)目施工的難點(diǎn)需求及階段目標(biāo)，采用了：廣聯(lián)達(dá)三維場布、Rhino、Revit、VDP、Trimble(TOP及Realworks插件)等軟件。

3.3 硬件配置

針對于解決雙曲面結(jié)構(gòu)的智能精準(zhǔn)施工問題，項(xiàng)目部采購了7臺高配BIM工作站、天寶RTS771BIM放樣機(jī)器人、Hololens混合現(xiàn)實(shí)頭盔以及三維激光掃描儀。

圖10 項(xiàng)目采用的各類BIM+設(shè)備

4 基于BIM的智能設(shè)備在博物館施工中的應(yīng)用

4.1 遺址環(huán)境場地規(guī)劃

周邊區(qū)域內(nèi)有大量的民居及巷弄，且房屋、院落錯(cuò)綜復(fù)雜、非常密集。施工區(qū)域內(nèi)無法保障大規(guī)模的堆料場及加工場。地下工程的清理物料運(yùn)輸不便，大量的歷史土層渣土無處堆放。

圖11 周邊巷弄密集復(fù)雜航拍

在錯(cuò)綜復(fù)雜，身處其中難以分辨方位的巷弄中難以發(fā)現(xiàn)代替路徑解決材料進(jìn)出問題，通過利用無人機(jī)對周邊街巷進(jìn)行航拍，建立了該部位的三維BIM實(shí)景模型。

圖12 無人機(jī)及實(shí)景航拍自動路徑規(guī)劃

圖13 對街巷進(jìn)行實(shí)景建模

我們發(fā)現(xiàn)，在距周邊街區(qū)迎瑞上弄不遠(yuǎn)的新當(dāng)鋪上弄里，內(nèi)部可以打通一條運(yùn)輸路線，供物料及設(shè)備進(jìn)出。

圖14 新當(dāng)鋪巷弄較為寬敞

同時(shí)，也通過該方式從多個(gè)街巷中，確定了彭家下弄等四條主要運(yùn)輸路線作為博物館地下工程的運(yùn)輸路線。

圖15 新當(dāng)鋪運(yùn)輸路徑及實(shí)景模型

4.2 雙曲面異型拱體結(jié)構(gòu)的智能建造解決方案

針對于雙曲面異形結(jié)構(gòu)獨(dú)特的施工要求，項(xiàng)目部根據(jù)工程施工流程節(jié)點(diǎn)，將 Hololens全息眼鏡、三維放樣機(jī)器人及三維激光掃描儀分別運(yùn)用于施工的前期模型交底、中期施工控制、后期實(shí)測實(shí)量階段。

圖16 基于BIM的智能設(shè)備在施工中的應(yīng)用邏輯[5]

4.2.1 模型深化

在模型技術(shù)方面，單一的Revit模型已經(jīng)無法滿足一個(gè)異形建筑項(xiàng)目BIM技術(shù)的需求，因此項(xiàng)目部針對不同技術(shù)難點(diǎn)采用了不同的軟件配置。

結(jié)構(gòu)：主要利用設(shè)計(jì)方提供的犀牛模型，通過3dmax和Sketchup軟件的互導(dǎo)，得到dwg格式文件，再導(dǎo)入Revit中建立雙曲面拱體模型，結(jié)合機(jī)電模型，在Revit中進(jìn)行碰撞綜合，修改得到了結(jié)構(gòu)深化模型。

圖17 結(jié)構(gòu)、支吊架深化模型及雙曲弧形噴淋管模型

機(jī)電：利用Revit的MEP板塊，進(jìn)行了機(jī)電專業(yè)的深化工作。由于本項(xiàng)目結(jié)構(gòu)異形的特點(diǎn)，機(jī)電管線的弧形安裝也是一個(gè)難點(diǎn)，我們前期花了大量時(shí)間精力進(jìn)行管線優(yōu)化工作，建立了包含支吊架在內(nèi)的LOD350的深化設(shè)計(jì)模型，在進(jìn)入安裝階段后期,通過深化模型的快速出圖并結(jié)合智能設(shè)備，提高安裝工作的精確度。

項(xiàng)目部采用了多種模型軟件，從特殊幕墻節(jié)點(diǎn)構(gòu)造、異形模架體系，到對現(xiàn)場臨建規(guī)劃，施工展示樣板區(qū)均進(jìn)行了可視化的模擬和交底。

4.2.2 MR技術(shù)工程交底

圖18 BIM+MR技術(shù)應(yīng)用流程原理[5]

Hololens作為一種可穿戴智能設(shè)備應(yīng)用場景，項(xiàng)目部發(fā)揮了另一個(gè)優(yōu)勢就是用1：1等大模型與施工現(xiàn)場結(jié)合。

圖19 Hololens+擴(kuò)展屏輔助方案討論

項(xiàng)目部將拱體模型、幕墻施工節(jié)點(diǎn)模型以及機(jī)電支吊架模型在施工現(xiàn)場等比例顯示，找到模型與現(xiàn)場的重合角點(diǎn)，讓施工現(xiàn)場與模型重合。使用 Hololens的業(yè)主、工程師、施工班組在施工現(xiàn)場直接進(jìn)入了已完成的建筑模型中，直觀檢查異形拱形結(jié)構(gòu)、幕墻施工節(jié)點(diǎn)以及機(jī)電支吊架完成的情況，總包工程師對模型直接進(jìn)行位置，尺寸以及體積等信息進(jìn)行一一講解，將模型與現(xiàn)實(shí)混合起來，真正達(dá)到了所見即所得的效果。

圖20 Hololens現(xiàn)場交底

4.2.3 雙曲面模板精準(zhǔn)放線

利用一個(gè)能夠基于BIM模型進(jìn)行三維空間放樣的智能型全站儀，其工作部件主要由幾部分組成：智能觸控手簿、智能全站儀本體、反光棱鏡等。

4.2.3.1 操作流程

在TrimbleRealworks插件中，用深化調(diào)整后的BIM模型上生成控制點(diǎn)清單，只需要一個(gè)測量工程師，就可以對建筑的任何部位進(jìn)行抓點(diǎn)、放樣及完成面校核工作。

圖21 放樣機(jī)器人應(yīng)用流程團(tuán)里

由于放樣控制點(diǎn)眾多，首先需要編制項(xiàng)目級的放樣基點(diǎn)編號列表并確定命名規(guī)則。

圖22 在Trimble Field Points中抓控制點(diǎn)設(shè)置

將模型導(dǎo)入放樣機(jī)器人的手簿中，然后使用 BIM放樣機(jī)器人對現(xiàn)場放樣控制點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集；直接通過手簿選取BIM模型中所需放樣點(diǎn)，指揮機(jī)器人發(fā)射紅外激光自動照準(zhǔn)現(xiàn)實(shí)點(diǎn)位，實(shí)現(xiàn)“所見點(diǎn)即所得”，從而將BIM模型精確地反應(yīng)到施工現(xiàn)場。

圖23 拱體模板放線

圖24 拱體結(jié)構(gòu)校核

4.2.3.2 效能評估

（1）測量精確度提升

放線機(jī)器人能夠?qū)肴S模型，選取模型任意點(diǎn)進(jìn)行激光/棱鏡放線工作，對異形構(gòu)造、復(fù)雜機(jī)電管線定位十分有價(jià)值；

放線機(jī)器人相對于普通全站儀在放線工作中的人為操作環(huán)節(jié)減少：

1）自動追蹤棱鏡環(huán)節(jié)；

2）減少在全站儀操作的時(shí)候因震動的誤差；

3）人為手動輸入數(shù)據(jù)的誤差；

在放線定位調(diào)整校對時(shí)，不存在普通全站儀2秒的人工誤差；

綜合計(jì)算，每100m中，普通全站儀綜合誤差在1 cm左右；放線機(jī)器人的誤差在5mm之內(nèi)。

（2）工作效率提升

1）簡化放線流程，通過手持手簿進(jìn)行全站儀放線及測量的各項(xiàng)工作，加大提人工工作效率；

2）一天預(yù)計(jì)能測130個(gè)點(diǎn)；

3）相對于普通全站一合計(jì)節(jié)省平均每天2個(gè)人工。

4.2.4 雙曲面拱體結(jié)構(gòu)實(shí)測實(shí)量

圖25 三維掃描對拱體實(shí)測實(shí)量流程

對于雙曲面拱形結(jié)構(gòu)的實(shí)測實(shí)量技術(shù)目前在行業(yè)內(nèi)尚無可尋的參考方法與規(guī)范，而三維掃描進(jìn)行實(shí)測實(shí)量是一個(gè)能全面體現(xiàn)拱體施工質(zhì)量精度的方法。

圖26 三維掃描實(shí)測實(shí)量流程

以5#拱為例。在掃描工作開始之前，項(xiàng)目部成員先對掃描拱體周圍換進(jìn)進(jìn)行了勘察，確定了拱體周圍的遮擋物及內(nèi)部空間情況，

圖27 標(biāo)靶紙張貼

在相鄰兩站之間，不同平面，均勻分布了3-4個(gè)表把球，保證對任意測站點(diǎn)至少有 3 個(gè)標(biāo)靶與其通視

圖28 標(biāo)靶球放置

架設(shè)好之后需對儀器進(jìn)行調(diào)平，保證后期點(diǎn)云模型的水平對正.

圖29 掃描參數(shù)設(shè)置

掃描過程持續(xù)5-9分鐘不等，整個(gè)5#拱的掃描工作，包括搬運(yùn)、標(biāo)靶紙張貼、標(biāo)靶球設(shè)定在內(nèi)，一共持續(xù)了3個(gè)小時(shí)。

圖30 多角度設(shè)站

用掃描儀對已完成的雙曲面結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維掃描之后，在Trimble Realworks中自動將多站點(diǎn)云模型進(jìn)行拼接調(diào)整，然后將得到的完整拱體點(diǎn)云模型與BIM模型疊合，生成了實(shí)測適量色塊偏差圖。

圖31 點(diǎn)云實(shí)測實(shí)量色塊偏差圖

此類異形結(jié)構(gòu)的測量相關(guān)工作，三維掃描儀的應(yīng)用有著直接的效率提升，解決了傳統(tǒng)實(shí)測實(shí)量方式無法解決異性結(jié)構(gòu)的難題。

5 效益總結(jié)

圖32 雙曲面結(jié)構(gòu)完程航拍全貌

5.1 雙曲面拱體模板創(chuàng)效

通過基于BIM的質(zhì)量控制過程，研發(fā)出了滑軌移動式可調(diào)曲率模架體系，大大提高模架使用效率，交底考核效率、測量數(shù)據(jù)分析效率，達(dá)到 6個(gè)拱體結(jié)構(gòu)的一次合格通過驗(yàn)收，降低了大量返工費(fèi)用，提高了施工效率，單個(gè)拱體平均節(jié)約工期15天，自行研發(fā)專利模架體系，模板施工成本減少31.2萬元。

圖33 QC活動效果柱狀圖

5.2 科技成果總結(jié)

通過項(xiàng)目 BIM團(tuán)隊(duì)對各項(xiàng)技術(shù)的不斷實(shí)施和總結(jié)，目前形成了以下科技成果。

表1 科技成果總結(jié)

5.3 社會品牌效益

圖34 首都國企開放日BIM展區(qū)

由于本工程技術(shù)方面的難度和利用BIM技術(shù)成果解決了雙曲面拱體的施工難題，中央領(lǐng)導(dǎo)、地方領(lǐng)導(dǎo)、新聞媒體多次到項(xiàng)目進(jìn)行檢查指導(dǎo)和采訪，特別作為中建一局國企開放日的重要站點(diǎn)迎接廣大市民參觀，并作為中央四套《走遍中國》智能施工板塊中的重要展示項(xiàng)目接受專訪，并于2018年8月13日在全國播出，樹立了中建一局科技領(lǐng)域方面的良好企業(yè)形象。

圖35 走遍中國·智慧建造直播畫面

6 結(jié)束語

BIM的基礎(chǔ)技術(shù)在行業(yè)內(nèi)越來越堅(jiān)實(shí)，成熟的智慧建造技術(shù)也離我們越來越近，我們目前需要思考如何利用現(xiàn)有的智慧建造手段通過組合、策劃來解決項(xiàng)目的實(shí)際難點(diǎn)，如何更好的利用和傳遞現(xiàn)有的BIM模型，達(dá)到“一模多用”的效果。

景德鎮(zhèn)御窯博物館項(xiàng)目BIM應(yīng)用中，針對異型結(jié)構(gòu)建筑所使用的智慧建造技術(shù)，使BIM技術(shù)從曾經(jīng)的錦上添花轉(zhuǎn)變成了當(dāng)下高效、精細(xì)化、信息化施工中不可缺少的技術(shù)手段，也可為其他施工項(xiàng)目提供了一些可供參考的實(shí)際應(yīng)用案例。