劉鵬坤 齊宏拓 滕 越 馬玉錳 劉界鵬

(1.重慶大學(xué)鋼結(jié)構(gòu)研究中心，重慶 400045；2.重慶中科大業(yè)建筑科技有限公司，重慶 400045)

1 工程概況

中科大廈是中科大業(yè)建筑科技有限公司EPC總承包建設(shè)的裝配式建筑試點(diǎn)項(xiàng)目，位于重慶市涪陵區(qū)西部新城區(qū)太白大道，為一類(lèi)高層公共建筑，包含辦公、商業(yè)、酒店式公寓等功能，其總建筑面積約3.8萬(wàn)㎡，建筑高度99.75m。

1.1 技術(shù)應(yīng)用介紹

中科大廈是采用EPC模式建造的裝配式重點(diǎn)示范項(xiàng)目，其復(fù)雜性、獨(dú)特性、創(chuàng)新性為項(xiàng)目的整體管控帶來(lái)了巨大的挑戰(zhàn)，BIM技術(shù)的成功的運(yùn)用為項(xiàng)目的順利實(shí)施創(chuàng)造了條件。整體預(yù)制率達(dá) 51%，裝配率達(dá)61%。采用鋼管約束混凝土組合結(jié)構(gòu)體系，比同等條件的裝配式混凝土結(jié)構(gòu)重量更輕、連接更方便，而且具有更高的承載能力及抗震性能。項(xiàng)目采用EPC總承包模式，運(yùn)用了系列新型建材及預(yù)制部品部件，如高拋不離析微膨脹混凝土、裝配式同層排水衛(wèi)生間、后復(fù)合三明治外墻板、輕質(zhì)灌漿內(nèi)墻板等 10余項(xiàng)新技術(shù)、新產(chǎn)品。在本項(xiàng)目建設(shè)過(guò)程中，BIM技術(shù)的運(yùn)用覆蓋設(shè)計(jì)階段、預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)階段、施工階段。

圖1 中科大廈外立面效果

在項(xiàng)目管理方面，創(chuàng)新項(xiàng)目管理方式，采用數(shù)字信息化管理，通過(guò)BIM管控平臺(tái)，運(yùn)用BIM、3D測(cè)量?jī)x等先進(jìn)技術(shù)和儀器，實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目精細(xì)化管理。同時(shí)，由臺(tái)灣潤(rùn)泰對(duì)項(xiàng)目管理提供全過(guò)程指導(dǎo)，確保實(shí)現(xiàn)新工法新工藝的落地[1]。

2 設(shè)計(jì)階段BIM 應(yīng)用

2.1 外墻板的參數(shù)化設(shè)計(jì)

中科大廈前期方案構(gòu)思中，項(xiàng)目區(qū)位邑枕長(zhǎng)江烏江兩江，設(shè)計(jì)靈感源于浩瀚江水，外墻板采用預(yù)制清水混凝土，考慮到外立面設(shè)計(jì)為扭曲的線條來(lái)模擬動(dòng)態(tài)的水面效果（如圖1所示），其異型的立面效果給傳統(tǒng)設(shè)計(jì)模式帶來(lái)了諸多不變，立面的更改會(huì)增加很多工作量，方案設(shè)計(jì)及優(yōu)化的效率低下。因此，在方案設(shè)計(jì)階段引入了的參數(shù)化設(shè)計(jì)，基于 Rhino和Grasshopper參數(shù)化設(shè)計(jì)軟件，對(duì)建筑外形進(jìn)行整體蒙皮化分割，并通過(guò)編寫(xiě)參數(shù)化程序構(gòu)建幾何間聯(lián)動(dòng)的邏輯關(guān)系，從而更加易于控制各形體之間的關(guān)聯(lián)，以實(shí)現(xiàn)前期方案的快速修改與變動(dòng)，最終高效地完成了建筑立面的構(gòu)建與設(shè)計(jì)。

圖2 外墻板造型歸類(lèi)

2.2 預(yù)制部品部件及加工

中科大廈建設(shè)過(guò)程大量采用了新型預(yù)制部品部件生產(chǎn)技術(shù)，包括新型擠壓成型預(yù)應(yīng)力混凝土疊合板、新型預(yù)制夾芯保溫外掛墻板、輕型裝配式樓梯及裝配式同層排水衛(wèi)生間。預(yù)制構(gòu)件由工廠生產(chǎn)加工完成，大量減少現(xiàn)場(chǎng)現(xiàn)澆作業(yè)，減少工地材料堆放及建筑廢料的產(chǎn)生，符合節(jié)能環(huán)保的要求；外觀質(zhì)量?jī)?yōu)良，避免防火施工，減少腳手架搭設(shè)，整體工期速度加快，有利于節(jié)約成本；預(yù)制構(gòu)件的安裝采用裝配式工法，大大減少現(xiàn)場(chǎng)用工量。

圖3 外墻板定位

圖4 外掛墻板創(chuàng)建

圖5 預(yù)制部品部件

在目前工業(yè)化建筑或者裝配式建筑中，預(yù)制構(gòu)件一般是根據(jù)設(shè)計(jì)單位提供的預(yù)制構(gòu)件加工圖進(jìn)行生產(chǎn)，這類(lèi)加工圖還是傳統(tǒng)的平立剖加大樣詳圖的二維圖紙，信息化程度低。BIM技術(shù)相關(guān)軟件中，通過(guò)“族”的概念，對(duì)構(gòu)件進(jìn)行劃分，結(jié)合構(gòu)件生產(chǎn)廠家生產(chǎn)工藝，建立模塊化預(yù)制構(gòu)件庫(kù)，在不同建筑項(xiàng)目設(shè)計(jì)過(guò)程中，只需從構(gòu)件庫(kù)中提取各類(lèi)構(gòu)件，再進(jìn)行組裝，即可建立最終整體建筑模型。構(gòu)件庫(kù)的構(gòu)件種類(lèi)也可以在其他項(xiàng)目的設(shè)計(jì)過(guò)程中進(jìn)行應(yīng)用，并且不斷擴(kuò)充，不斷完善。

2.3 各專(zhuān)業(yè)的協(xié)同設(shè)計(jì)

BIM技術(shù)的協(xié)同作用不僅體現(xiàn)在中科大廈的初步設(shè)計(jì)階段，在各專(zhuān)業(yè)深化設(shè)計(jì)階段同樣采用了BIM技術(shù)進(jìn)行協(xié)同指導(dǎo)。

（1）預(yù)制構(gòu)件深化設(shè)計(jì)

項(xiàng)目中采用了預(yù)制外墻板、預(yù)制衛(wèi)生間、預(yù)制樓梯及預(yù)應(yīng)力疊合板等裝配構(gòu)件，其中預(yù)制外墻板構(gòu)造復(fù)雜、類(lèi)型多、生產(chǎn)難度大，成為重點(diǎn)把控對(duì)象。采用BIM模型對(duì)預(yù)埋件與鋼筋、預(yù)埋件之間進(jìn)行碰撞核查，優(yōu)化調(diào)整。

圖6 外墻板預(yù)埋件與鋼筋碰撞核查及調(diào)整

（2）機(jī)電深化設(shè)計(jì)階段

中科大廈項(xiàng)目為功能綜合型項(xiàng)目，具有機(jī)電專(zhuān)業(yè)系統(tǒng)多，樓層層高低，管線復(fù)雜的特點(diǎn)，管線綜合排布具有一定的難度。該項(xiàng)目管線綜合排布遵循大管讓小管、壓力管避讓重力自流管、金屬管避讓非金屬管、工程量小避讓工程量大等原則，滿足設(shè)計(jì)規(guī)范及功能需求，同時(shí)保證美觀[2]。

圖7 機(jī)電管線綜合

（3）鋼結(jié)構(gòu)深化階段

采用Tekla搭建BIM模型，在模型中核查構(gòu)件尺寸、定位及連接節(jié)點(diǎn)，同時(shí)導(dǎo)入其他專(zhuān)業(yè)模型進(jìn)行碰撞核查，比如導(dǎo)入預(yù)制外墻板模型，核查外墻板與鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)布置的合理性、施工可行性，最終生成二維加工圖紙及材料單，保證了圖紙及數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性[3-4]。

3 預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)階段BIM應(yīng)用

對(duì)預(yù)制工廠而言，BIM技術(shù)的應(yīng)用主要體現(xiàn)在兩方面：一是構(gòu)件廠的建設(shè)和管理運(yùn)營(yíng)，二是預(yù)制構(gòu)件的全生命周期管理[5]。

3.1 預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)指導(dǎo)

在構(gòu)件生產(chǎn)準(zhǔn)備階段，采用BIM進(jìn)行生產(chǎn)模擬、三維交底，分析生產(chǎn)過(guò)程中的難點(diǎn)，編制專(zhuān)項(xiàng)方案，同時(shí)提高現(xiàn)場(chǎng)人員對(duì)預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)工序的了解，有利于生產(chǎn)過(guò)程中的質(zhì)量把控。

在構(gòu)件生產(chǎn)階段，利用BIM的精細(xì)化模型指導(dǎo)生產(chǎn)全過(guò)程。技術(shù)工人使用BIM模型可以非常直觀地看到構(gòu)件的形狀、造型和預(yù)埋件的位置等；利用BIM管控平臺(tái)，輔以RFID和二維碼等信息采集系統(tǒng)，可以隨時(shí)監(jiān)控構(gòu)件在生產(chǎn)中的狀態(tài)和控制生產(chǎn)質(zhì)量。

3.2 成品三維檢測(cè)

構(gòu)件養(yǎng)護(hù)至脫模后，為提高構(gòu)件生產(chǎn)質(zhì)量，保證合格率，同時(shí)杜絕施工現(xiàn)場(chǎng)二次處理情況發(fā)生，生產(chǎn)的預(yù)制構(gòu)件均采用三維掃描檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行驗(yàn)收，合格后方可運(yùn)輸至項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)?；赗FID信息采集系統(tǒng)和三維掃描技術(shù)對(duì)構(gòu)件進(jìn)行核查比對(duì)，比人工核查精度更高、速度更快。核查完成后，仍然通過(guò)管控平臺(tái)可以及時(shí)監(jiān)控構(gòu)件在繼續(xù)養(yǎng)護(hù)、堆場(chǎng)存放的狀態(tài)，直至運(yùn)輸出廠至工地。

圖8 外墻板三維掃描點(diǎn)云核查

4 施工安裝階段BIM 應(yīng)用

中科大廈項(xiàng)目BIM全過(guò)程管理，施工階段的運(yùn)用尤為重要，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

4.1 施工場(chǎng)地管理的BIM應(yīng)用

運(yùn)用BIM技術(shù)能夠?qū)⑹┕?chǎng)內(nèi)的平面元素立體直觀化，更直觀地進(jìn)行各階段場(chǎng)地的布置策劃，綜合考慮各階段的場(chǎng)地轉(zhuǎn)換，對(duì)施工中機(jī)械位置、物料擺放進(jìn)行合理規(guī)劃，并結(jié)合綠色施工中節(jié)能、節(jié)地的理念優(yōu)化場(chǎng)地，避免重復(fù)布置。

（1）場(chǎng)地模型建立

根據(jù)標(biāo)高方格網(wǎng)導(dǎo)入地形，提前策劃整個(gè)現(xiàn)場(chǎng)的道路標(biāo)高系統(tǒng)、排水系統(tǒng)、塔吊、施工升降機(jī)等其他臨建設(shè)施的布置位置。

圖9 中科大廈施工場(chǎng)地布置

（2）企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)族庫(kù)的建立

為了實(shí)現(xiàn)裝配式建筑統(tǒng)一、標(biāo)準(zhǔn)的要求，場(chǎng)內(nèi)臨建設(shè)施建立標(biāo)準(zhǔn)化族庫(kù)，提高場(chǎng)地布置效率，同時(shí)為后續(xù)的項(xiàng)目提供標(biāo)準(zhǔn)模板。

圖10 施工臨建設(shè)施標(biāo)準(zhǔn)化族庫(kù)

4.2 土建施工過(guò)程管控的BIM運(yùn)用

針對(duì)裝配構(gòu)件節(jié)點(diǎn)處理復(fù)雜、吊裝難度大、安裝精度高的特點(diǎn)，施工前采用BIM模型進(jìn)行模擬，對(duì)施工的難點(diǎn)、重點(diǎn)進(jìn)行虛擬演示、動(dòng)態(tài)仿真，編制多種施工計(jì)劃和工藝方案，進(jìn)行擇優(yōu)選取。同時(shí)運(yùn)用 BIM技術(shù)確定施工人員在作業(yè)時(shí)的空間位置、工序、工法，提前發(fā)現(xiàn)危險(xiǎn)源，采取措施降低施工風(fēng)險(xiǎn)，保證施工人員的安全。

（1）BIM模型施工模擬

a）預(yù)制外墻板吊裝模擬

圖11 外墻板吊裝模擬

b）預(yù)制樓梯吊裝模擬

圖13 預(yù)制樓梯吊裝模擬

（2）碰撞檢查和節(jié)點(diǎn)優(yōu)化

a）鋼結(jié)構(gòu)與外墻板的節(jié)點(diǎn)核查。施工前，利用Tekla模型與外墻板模型的結(jié)合，核查連接節(jié)點(diǎn)的合理性，既滿足結(jié)構(gòu)受力及承載力要求，又方便施工安裝，按此原則對(duì)鋼結(jié)構(gòu)埋件或外墻板埋件進(jìn)行合理優(yōu)化，包括埋件定位、連接形式、固定措施等，保證施工安裝順利進(jìn)行。

圖14 外墻板鐵件核查及優(yōu)化

b）混凝土結(jié)構(gòu)與外墻板的節(jié)點(diǎn)核查。中科大廈負(fù)一層至一層為混凝土結(jié)構(gòu)，外掛墻板固定埋件采取現(xiàn)場(chǎng)預(yù)埋，為保證大廈外立面整體效果，外墻板安裝精度控制在±15mm，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)預(yù)埋工作提出非常大的挑戰(zhàn)。預(yù)埋前，采用BIM進(jìn)行模擬安裝及節(jié)點(diǎn)核查，分析預(yù)埋工作的重點(diǎn)、難點(diǎn)，針對(duì)性編制專(zhuān)項(xiàng)方案，確保現(xiàn)場(chǎng)施工精度。

圖15 混凝土結(jié)構(gòu)與外墻板的節(jié)點(diǎn)核查

c）預(yù)埋件與鋼筋的碰撞核查?；炷两Y(jié)構(gòu)埋件預(yù)埋過(guò)程中，除了嚴(yán)格控制埋件定位、標(biāo)高之外，與結(jié)構(gòu)鋼筋的碰撞核查同樣重要。提前采用BIM模型進(jìn)行核查，發(fā)現(xiàn)碰撞及時(shí)反饋設(shè)計(jì)優(yōu)化處理，杜絕現(xiàn)場(chǎng)鋼筋截?cái)?、局部彎曲現(xiàn)象的出現(xiàn)，保證施工質(zhì)量及結(jié)構(gòu)安全。

圖16 鋼筋、預(yù)埋件碰撞核查

（3）現(xiàn)場(chǎng)施工交底

該項(xiàng)目施工過(guò)程中，針對(duì)分部分項(xiàng)工程的重點(diǎn)、難點(diǎn)工序，定期組織BIM施工交底，讓施工管理人員參與到BIM管理當(dāng)中，從認(rèn)識(shí)BIM、學(xué)習(xí)BIM到運(yùn)用BIM進(jìn)行管理，打造成為信息化施工管理團(tuán)隊(duì)。

4.3 機(jī)電安裝的BIM運(yùn)用

（1）機(jī)電管線碰撞檢查

應(yīng)用BIM模型輔助圖紙會(huì)審，通過(guò)Revit模型導(dǎo)入 Navisworks中對(duì)機(jī)電管線進(jìn)行碰撞檢查，共核查機(jī)電與土建碰撞126項(xiàng)，機(jī)電各類(lèi)管線碰撞208處，并反饋設(shè)計(jì)修改。

圖17 機(jī)電管線的碰撞核查

（2）施工指導(dǎo)

利用BIM模型進(jìn)行剖切、細(xì)化，標(biāo)注尺寸、間距、標(biāo)高等信息指導(dǎo)施工，通過(guò)Navisworks保存視點(diǎn)功能，對(duì)建筑功能區(qū)域進(jìn)行區(qū)分，分樓層、分區(qū)域進(jìn)行視點(diǎn)保存，導(dǎo)出圖片，用于施工現(xiàn)場(chǎng)的施工指導(dǎo)。

圖18 模型與實(shí)際施工對(duì)照

4.4 三維檢測(cè)技術(shù)在施工中的應(yīng)用

三維檢測(cè)是一種產(chǎn)品三維尺寸的測(cè)量技術(shù)，主要用于對(duì)物體空間外形和結(jié)構(gòu)進(jìn)行掃描，以獲得物體表面的空間坐標(biāo)。此技術(shù)能夠?qū)?shí)物的立體信息轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)能直接處理的數(shù)字信號(hào)，與原始模型進(jìn)行比對(duì)分析，便于對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行精度檢測(cè)及改良[6]。

中科大廈項(xiàng)目施工過(guò)程中，采用三維掃描儀分階段進(jìn)行檢測(cè)驗(yàn)收，生成的點(diǎn)云數(shù)據(jù)通過(guò)Sense軟件進(jìn)行處理，再導(dǎo)入Navisworks中與Revit模型進(jìn)行比對(duì)以核查施工誤差，發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)施工、預(yù)埋件定位、預(yù)留洞口位置等有偏差時(shí)，多方共同商議解決，為后續(xù)的施工安裝提供保障。

圖19 檢查報(bào)告

5 總結(jié)

中科大廈項(xiàng)目采用EPC總承包模式，并將BIM作為工程項(xiàng)目管理的主要技術(shù)手段，保證了項(xiàng)目的成功實(shí)施，提高了工程建設(shè)質(zhì)量和項(xiàng)目綜合管理水平。

（1）設(shè)計(jì)階段

a）外墻板的參數(shù)化設(shè)計(jì)

利用參數(shù)化設(shè)計(jì)快速實(shí)現(xiàn)前期方案的快速修改與變動(dòng)，最終高效地完成了建筑立面的構(gòu)建與設(shè)計(jì)。

b）各專(zhuān)業(yè)的協(xié)同設(shè)計(jì)

由各個(gè)專(zhuān)業(yè)間的數(shù)據(jù)共享和互通，在設(shè)計(jì)過(guò)程中能夠進(jìn)行各個(gè)專(zhuān)業(yè)間的有效協(xié)調(diào)，避免了各個(gè)專(zhuān)業(yè)間的沖突。

（2）預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)階段

a）預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)指導(dǎo)

進(jìn)行生產(chǎn)模擬、三維交底，分析生產(chǎn)過(guò)程中的難點(diǎn)，編制專(zhuān)項(xiàng)方案，同時(shí)提高現(xiàn)場(chǎng)人員對(duì)預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)工序的了解，有利于生產(chǎn)過(guò)程中的質(zhì)量把控。

b）成品三維檢測(cè)

構(gòu)件養(yǎng)護(hù)至脫模后，為提高構(gòu)件生產(chǎn)質(zhì)量，保證合格率，同時(shí)杜絕施工現(xiàn)場(chǎng)二次處理情況發(fā)生，生產(chǎn)的預(yù)制構(gòu)件均采用三維掃描檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行驗(yàn)收，合格后方可運(yùn)輸至項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)?；赗FID和三維掃描對(duì)構(gòu)件進(jìn)行核查比對(duì)，比人工核查精度更高、速度更快。

（3）施工安裝階段

a）施工場(chǎng)地管理

運(yùn)用BIM技術(shù)能夠?qū)⑹┕?chǎng)內(nèi)的平面元素立體直觀化，更直觀地進(jìn)行各階段場(chǎng)地的布置策劃，綜合考慮各階段的場(chǎng)地轉(zhuǎn)換，對(duì)施工中機(jī)械位置、物料擺放進(jìn)行合理規(guī)劃，并結(jié)合綠色施工中節(jié)能、節(jié)地的理念優(yōu)化場(chǎng)地，避免重復(fù)布置。

b）土建施工過(guò)程管控

針對(duì)裝配構(gòu)件節(jié)點(diǎn)處理復(fù)雜、吊裝難度大、安裝精度高的特點(diǎn)，在施工前采用BIM模型進(jìn)行模擬，對(duì)施工的難點(diǎn)、重點(diǎn)進(jìn)行虛擬演示、動(dòng)態(tài)仿真，編制多種施工計(jì)劃和工藝方案，進(jìn)行擇優(yōu)選取。同時(shí)確定施工人員在作業(yè)時(shí)的空間位置、工序、工法，提前發(fā)現(xiàn)危險(xiǎn)源，采取措施降低施工風(fēng)險(xiǎn)，保證施工人員的安全。

c）三維檢測(cè)技術(shù)

采用三維掃描儀分階段進(jìn)行檢測(cè)驗(yàn)收，生成的點(diǎn)云數(shù)據(jù)與Revit模型進(jìn)行比對(duì)以核查施工誤差，發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)施工、預(yù)埋件定位、預(yù)留洞口位置等有偏差時(shí)，多方共同商議解決，為后續(xù)的施工安裝提供保障。

本項(xiàng)目在設(shè)計(jì)、預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)和施工安裝階段的BIM應(yīng)用拓展了 BIM技術(shù)在裝配式建筑中的應(yīng)用范圍，為裝配式建筑與BIM的深入融合提供了技術(shù)支撐。