張明亮1, 2 劉著群3 劉兆榮3 張業(yè)豪3 劉 維

(1.湖南建工集團有限公司，長沙 410004； 2.湖南省建筑施工技術(shù)研究所，長沙 410004；3.湖南省第六工程有限公司，長沙 410015)

BIM(Building Information Modeling)技術(shù)具有可視化、協(xié)調(diào)性、模擬性、優(yōu)化性和可出圖性等特點，是傳統(tǒng)建造模式與信息技術(shù)的結(jié)合物，建造過程中的各種信息、主輔材用量、工藝過程、造價甚至力學(xué)特征等都能在模型里表達，還可以通過真實性模擬和建筑可視化來更好地溝通，以便讓項目各方了解工期、現(xiàn)場實時情況、成本和環(huán)境影響等項目基本信息。BIM技術(shù)越來越受到項目建設(shè)各方的認可與接受，部分省市建設(shè)主管部門更出臺了相關(guān)的BIM技術(shù)應(yīng)用政策要求。本文根據(jù)BIM技術(shù)的特點，結(jié)合援塞內(nèi)加爾摔跤館建設(shè)工程的實際施工情況，從鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計與施工、機電安裝、裝飾裝修以及BIM5D管控平臺等方面進行了介紹。通過BIM技術(shù)的應(yīng)用，取得了較好的經(jīng)濟與社會效益，對類似工程的BIM技術(shù)應(yīng)用具有一定的指導(dǎo)意義。

1 工程概況

塞內(nèi)加爾競技摔跤場項目是中國政府“一帶一路”援建項目，工程地點位于塞內(nèi)加爾共和國首都達喀爾市皮金區(qū)內(nèi)，總建筑面積約1.8萬m2，場館地上三層。摔跤管由南向、北向、西向三部分看臺組成，可同時容納2萬名觀眾全方位、全視角觀看比賽。屋蓋罩棚結(jié)構(gòu)為空間管桁架結(jié)構(gòu)，中間高兩邊底，中間寬兩邊窄； 鋼結(jié)構(gòu)罩棚最高點高度50.5m，縱向跨度為206.9m，橫向跨度45mm，向外呈現(xiàn)為“金腰帶”的形狀，是西非地區(qū)跨度最大、結(jié)構(gòu)最復(fù)雜的鋼桁架結(jié)構(gòu)工程。工程效果圖如圖1所示。

圖1 工程效果圖

2 施工難點特點

本工程的施工難點特點主要為：

(1)結(jié)構(gòu)新穎獨特，加工難度大：前拱主桁架為疊層桁架，截面為倒梯形，沿南北方向布置，跨度約209m，拱高50m，主桁架上邊長約4m，下邊長約8m，高度約4m，支承于基礎(chǔ)混凝土支座上。后拱主桁架為倒三角桁架，沿南北布置，跨度約250m，拱高約28m，支承在西看臺8個勁性混凝土鋼柱上。鋼結(jié)構(gòu)桿件數(shù)量種類多(2 600多件)，曲率半徑各不相同，冷彎加工難度很大。屋面管桁架管材為無縫鋼管，管材規(guī)格共計達17種。

(2)施工現(xiàn)場條件復(fù)雜，拼裝難度大、焊接量大：現(xiàn)場多為沙地，施工場地狹小，導(dǎo)致拼裝難度很大。

(3)現(xiàn)場氣候環(huán)境差，施工難度大：項目地處達喀爾熱帶海洋氣候帶中，全年分旱季、雨季； 常年風速較大，施工氣候環(huán)境較差； 在施工期間，為確保工程質(zhì)量，需做大量防風、防雨措施，給現(xiàn)場施工帶來了很大難度。

(4)吊裝工況多，高空焊接量大：主次桁架49榀，每榀重量、長度、吊裝位置各異； 高空對接、精準就位，難度大； 高空焊接工程量大，全位置焊接難度大。

(5)屋面及風檐板系統(tǒng)為雙曲面，加工安裝技術(shù)要求高、難度大：屋面展開面積約1.15萬m2，呈空間曲面，暗扣式直立鎖邊屋面板； 屋面T型支座安裝需采用全站儀放線放點，安裝技術(shù)要求高、安裝難度大。前后拱封檐系統(tǒng)為雙曲面空間立體結(jié)構(gòu)，封檐板加工安裝技術(shù)要求高，施工難度很大。

(6)施工管理難度大：專業(yè)齊全，技術(shù)要求高，各類專業(yè)施工單位多，施工區(qū)域和施工內(nèi)容眾多，施工工序搭接頻繁，現(xiàn)場立體交叉作業(yè)普遍，在同一區(qū)域存在大量交叉作業(yè)現(xiàn)象，需要合理安排施工順序和部位，作好項目協(xié)調(diào)配合工作[1-4]。

3 BIM技術(shù)應(yīng)用

本工程在施工前建立了BIM模型并利用BIM技術(shù)對鋼結(jié)構(gòu)的施工方案進行比選、鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計加工、安裝工程與裝飾裝修工程深化設(shè)計、材料管控來解決施工技術(shù)與成本上的問題，通過施工方案模擬交底及BIM5D平臺管理來解決我方與塞內(nèi)加爾雙方人員之間的溝通及現(xiàn)場管理問題。

3.1 施工方案比選

本工程罩棚鋼拱架及次桁梁安裝最大高度分別為50.46m、28.75m，主拱、后拱及次桁架共約820t，結(jié)構(gòu)桿件數(shù)量眾多，自重較大，一般可采用分段提升法、液壓同步提升法、高空散裝法進行施工。針對以上三種施工方法，項目技術(shù)人員利用BIM技術(shù)進行模擬，對比分析，考慮到項目的工期、場布、安全、成本、施工質(zhì)量等客觀因素后，最終選用工期有保障、成本合理的分段吊裝法進行施工(圖2)。

圖2 施工場布BIM模型

3.2 鋼結(jié)構(gòu)深化加工

3.2.1 鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點深化設(shè)計

通過創(chuàng)建鋼結(jié)構(gòu)的BIM模型，對鋼結(jié)構(gòu)細部節(jié)點進行設(shè)計，并自動生成鋼結(jié)構(gòu)深化節(jié)點詳圖，用于構(gòu)件工廠加工下料。

3.2.2 CNC自動化加工

將BIM深化設(shè)計完后的模型導(dǎo)出CNC文件，用于相貫線生產(chǎn)，解決了傳統(tǒng)手工切割無法保證空間彎管相貫線精確放樣和焊接坡口的準確制作難題，保證了空間管桁架的準確定位和制作精度(圖3)。

(a)CNC加工圖

(b)構(gòu)件切割成品圖3 鋼桁架構(gòu)件下料

3.2.3 勁性鋼柱預(yù)留孔

根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計圖紙建立勁性鋼柱復(fù)雜節(jié)點模型，同時布上鋼筋模型，分析可能存在的碰撞點，將預(yù)留孔位置導(dǎo)入CNC自動加工機床。在型鋼上設(shè)置鋼筋預(yù)留洞口，來確定梁柱節(jié)點的鋼筋擺放位置與交叉焊接點(圖4)。

圖4 勁性鋼柱節(jié)點模型

3.3 施工技術(shù)三維模擬交底

本項目現(xiàn)場施工人員由中國和塞內(nèi)加爾兩國人員組成，工作中的語言溝通成為本項目的一大難點。項目技術(shù)人員對關(guān)鍵施工方法及工藝，采用BIM技術(shù)三維可視化交底，不僅降低了工作人員對方案理解的難度，更大大提高了兩國之間的溝通效率，為項目順利實施打下了堅實的基礎(chǔ)。

3.3.1 鋼結(jié)構(gòu)吊裝施工交底

本罩棚桁架安裝選用兩臺280t履帶吊車，一內(nèi)一外； 現(xiàn)場地面拼裝，選用兩臺50t汽車吊預(yù)拼、卸貨及材料倒運； 在本桁架施工過程中，材料堆放、拼裝場地均設(shè)在汽車吊施工范圍之內(nèi)(圖5)。

圖5 主體結(jié)構(gòu)施工模型

由于罩棚鋼結(jié)構(gòu)安裝涉及臨時支撐架的安拆、結(jié)構(gòu)主拱桁架、次桁架、連系桁架等的分段吊裝，施工工藝復(fù)雜，工序繁多，采用BIM技術(shù)的吊裝交底，提高了施工工效，同時也保障了施工質(zhì)量與安全[5]。

3.3.3 鋼結(jié)構(gòu)二維碼交底

因本項目非標件量占比較大，不僅出廠管理容易出錯，運送至現(xiàn)場安裝也會給工人帶來諸多困擾。為解決此問題，特采用二維碼貼條進行制作管理和安裝交底，制作過程通過二維碼信息進行統(tǒng)籌管理； 到施工現(xiàn)場后工人通過手機掃描即可讀取構(gòu)件二維碼信息，作業(yè)人員根據(jù)二維碼信息進行零件組裝構(gòu)件，最后再進行分段吊裝施工(圖6)。

圖6 二維碼技術(shù)應(yīng)用

3.3.3 拱腳基礎(chǔ)基坑施工交底

先進行旋挖樁施工，再使用旋噴樁填充樁之間的空隙，起到基坑支護的同時形成整體止水帷幕，坑內(nèi)設(shè)置支撐，第一層為鋼筋混凝土支撐，第二、三層為可拆卸鋼支撐。依次分層進行土方開挖至設(shè)計底標高，開挖一層支護一層(圖7)。

圖7 拱腳基礎(chǔ)基坑模型

3.3.4 混凝土斜柱工藝模擬

本項目看臺外圍柱為28根混凝土斜柱，高18m，截面尺寸為1.2m×0.7m，向外傾斜角度為16°。搭設(shè)滿堂腳手架進行支撐，斜柱范圍內(nèi)的架體需要局部加強，并滿布豎向剪刀撐。斜柱分六次澆筑，每次澆筑3m高，因在澆筑混凝土的過程中產(chǎn)生的水平荷載，需在樓板看臺的適當位置采用鋼絲繩斜向拉結(jié)，滿足支模架體的穩(wěn)定性要求[6](圖8)。

圖8 混凝土斜立柱施工模型

3.4 機電安裝BIM深化設(shè)計

本項目的國內(nèi)技術(shù)團隊建立機電安裝專業(yè)深化設(shè)計、優(yōu)化BIM模型，通過管線綜合、預(yù)留預(yù)埋、凈高優(yōu)化等應(yīng)用，消除各專業(yè)碰撞問題。施工現(xiàn)場BIM人員將根據(jù)實際情況進行模型跟蹤維護與調(diào)整，同時在維修洞口、室內(nèi)裝修、安裝面板、燈具排布等方面進行應(yīng)用，并導(dǎo)出圖紙指導(dǎo)現(xiàn)場施工[7-13](圖9)。

(a)機電管線綜合模型 (b)水泵房模型 (c)過道管線綜合圖圖9 機電安裝專業(yè)模型

3.5 裝飾裝修BIM深化設(shè)計

3.5.1 鋪磚排布

為減少材料浪費，保證裝飾質(zhì)量，利用BIM技術(shù)提前進行鋪磚排布，制作三維工藝交底，指導(dǎo)現(xiàn)場施工(圖10)。

3.5.2 座椅排布

針對現(xiàn)場座椅排布問題，從兩方面著手解決：一方面，安排人員與國家商務(wù)部、設(shè)計院、塞內(nèi)加爾國家體育部溝通，多方協(xié)同解決； 另一方面，由現(xiàn)場確定座椅尺寸，國內(nèi)技術(shù)團隊利用BIM進行座椅排布，力爭采用最合理的排布方式擺放盡量多的座椅(圖11)。

圖10 鋪磚排布模型

圖11 看臺座椅排布模型

3.6 BIM5D平臺管理

3.6.1 材料管理計劃

由于賽內(nèi)加爾項目地域的特殊性，材料需提前4個月從國內(nèi)制定計劃、購買、運輸，材料計劃尤為重要。利用BIM5D物資查詢功能，制定符合實際的鋼筋、鋼結(jié)構(gòu)等主材計劃單，與傳統(tǒng)下料單進行比較分析，作出精確的階段材料計劃單，確保施工現(xiàn)場材料供應(yīng)，保證施工進度(圖12)。

圖12 鋼筋下料截圖

3.6.2 BIM5D管控平臺

將計劃進度與現(xiàn)場實際進度導(dǎo)入BIM5D平臺進行對比，找出偏差，分析原因，合理規(guī)劃后續(xù)進度。在材料供應(yīng)得以保障的前提下，對比整個項目土建進度，共調(diào)整4次，提前26天完成項目施工(圖13)。

圖13 施工進度模擬

3.7 其他方面應(yīng)用

在編制大體積混凝土施工方案前對拱腳基礎(chǔ)模型進行水化熱模擬分析，多次模擬后選出冷卻水管最佳布置方案，為方案編制提供可靠依據(jù)，確保施工方案的科學(xué)合理性(圖14)。

圖14 拱腳混凝土基礎(chǔ)水化熱模擬

本工程看臺樓板均為弧形階梯樓板，測量放樣定位困難，技術(shù)人員根據(jù)施工圖紙，建立精確結(jié)構(gòu)模型，在模型中可以得到任意位置剖切，獲取三維坐標，將坐標導(dǎo)入全站儀，方便測量控制及復(fù)核，便于施工交底，確保支模架一次性搭設(shè)成功，減少人材機的浪費(圖15)。

圖15 看臺混凝土高支模模型

4 結(jié)語

援塞內(nèi)加爾摔跤館建設(shè)工程在施工過程中利用BIM技術(shù)進行了罩棚屋蓋鋼結(jié)構(gòu)方案比選、鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計與加工、機電安裝深化設(shè)計、裝飾裝修深化設(shè)計、材料管控來解決技術(shù)與成本上的問題，通過施工過程模擬交底及BIM5D平臺管理來解決我方人員與塞內(nèi)加爾外方人員之間的溝通及現(xiàn)場管理問題，科學(xué)地指導(dǎo)了現(xiàn)場施工。通過BIM技術(shù)的應(yīng)用，取得了較好的經(jīng)濟與社會效益，可為類似工程的施工提供經(jīng)驗和參考。

隨著國家“一帶一路”戰(zhàn)略的實施，湖南建工集團海外市場得到了進一步開拓，承接項目逐年遞增，集團將繼續(xù)不斷利用BIM技術(shù)指導(dǎo)施工，擴充完善BIM族庫的建立，并利用BIM技術(shù)開發(fā)平臺，逐步實現(xiàn)海外的項目的智能管控。