趙偉佳 劉成偉 明德剛 陳松清

(1．武漢光谷地產(chǎn)有限公司，武漢 430074； 2．中國電力工程顧問集團(tuán)中南電力設(shè)計(jì)院有限公司，武漢 430071)

引言

大型展館與一般民用建筑及工業(yè)建筑相比具有建筑規(guī)模大、造型復(fù)雜、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要設(shè)計(jì)圖紙表達(dá)的信息量大，建造階段組成項(xiàng)目的構(gòu)件類型繁多等特點(diǎn)。上述特點(diǎn)導(dǎo)致該類建筑在設(shè)計(jì)階段很難避免產(chǎn)生錯(cuò)誤，施工階段安全風(fēng)險(xiǎn)大，易發(fā)生安全事故。此類建筑傳統(tǒng)建設(shè)過程，施工效率低，工期不可控，過程中不同專業(yè)之間易產(chǎn)生“打架”等問題。大型展館多由于空間大，存在回聲、聚焦、混響等問題，給建筑物使用造成較大困擾； 建造過程中多面臨鋼結(jié)構(gòu)深化，復(fù)雜節(jié)點(diǎn)等問題，需多專業(yè)協(xié)同化設(shè)計(jì)。BIM技術(shù)針對此類問題，有著很好的解決辦法，且使得建設(shè)更加高效、智能。但BIM技術(shù)在我國實(shí)際工程中的應(yīng)用效果并不理想[1]，尤其是大型展覽館等公共建筑，例如云南省科技館新館項(xiàng)目，BIM僅用在部分結(jié)構(gòu)吊裝、施工方案的驗(yàn)證中[2]，模型標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一、數(shù)據(jù)流通受阻[3]、未能應(yīng)用在全過程，且在關(guān)鍵技術(shù)上未能體現(xiàn)出BIM的優(yōu)勢。

1 項(xiàng)目概況

湖北省科技館新館位于武漢市光谷五路以東、高新大道以北，建筑面積70 300m2，項(xiàng)目由主展館科技館、球幕影院、動(dòng)力中心三個(gè)部分組成，本工程地上四層，局部設(shè)夾層，建筑高度51.1m，最大層高17.5m。項(xiàng)目建成后將成為國內(nèi)一流、中部領(lǐng)先的新一代現(xiàn)代化數(shù)字科技館。

湖北省科技館新館項(xiàng)目，采用鋼框架—支撐+跨層桁架+屋面桁架及單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)。建筑占地為158.4×150m，橫向跨19軸(1-19軸)，縱向跨20軸(A-V軸)。湖北省科技館新館鋼結(jié)構(gòu)主要由五個(gè)部分組成：

(1)核心筒鋼結(jié)構(gòu)；

(2)二層以下鋼框架；

(3)二層至三層間環(huán)形跨層主桁架+旋轉(zhuǎn)懸掛結(jié)構(gòu)面；

(4)三、四層鋼桁架；

(5)中庭沉浸影院網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)。

具體如下圖1、圖2所示。

圖1 項(xiàng)目鋼結(jié)構(gòu)整體概況圖

圖2 項(xiàng)目層高示意圖

2 基于BIM協(xié)同化設(shè)計(jì)

2.1 聲學(xué)模擬

項(xiàng)目中庭沉浸式影院空間大，且四周圍合，極易產(chǎn)生噪聲與回聲、混響時(shí)間長的聲學(xué)問題。聲學(xué)問題是困擾大型展館建筑的最主要問題之一，此問題直接關(guān)系著建筑物使用舒適程度。

基于BIM的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，在設(shè)計(jì)階段，通過不斷調(diào)整吊頂和墻面布置吸聲材料的方式提高中庭的整體吸聲量，使聲能可以得到快速的衰減。針對影院設(shè)備噪聲對中庭的干擾問題，通過調(diào)整吸聲材料的類別、面積以及鋪設(shè)方式，將逸散的聲能吸收。同時(shí)有效解決了聲聚焦的聲缺陷。也能夠通過降低中庭內(nèi)部混響時(shí)間，提高語言清晰度。通過Revit不斷調(diào)整材料的各項(xiàng)參數(shù)，精確設(shè)定各項(xiàng)指標(biāo)控制值，通過模擬、對比分析、篩選，室內(nèi)混響時(shí)間及其頻率特征、語言傳輸參數(shù)以及背景噪聲允許值均滿足對應(yīng)指標(biāo)要求。如圖3沉浸影院的混響時(shí)間縮短至原始狀態(tài)的1/3，過長的混響時(shí)間得到明顯改善。BIM這一關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用，不僅在聲學(xué)方面，還能在光學(xué)、消防逃生等方面得到很好應(yīng)用。

圖3 沉浸影院混響時(shí)間分布圖

2.2 鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計(jì)

項(xiàng)目施工圖設(shè)計(jì)階段鋼結(jié)構(gòu)規(guī)模為2.5萬t，深化完成后實(shí)際的鋼結(jié)構(gòu)規(guī)模為3.5萬t，主要原因是深對節(jié)點(diǎn)的深化時(shí)，為確保受力與結(jié)構(gòu)安全，節(jié)點(diǎn)間需增加大量的隔板與牛腿，導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)構(gòu)件異常復(fù)雜，由此也說明，深化設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度與重要性。經(jīng)過對比分析現(xiàn)階段常見的鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計(jì)軟件PKPM、3D3S、MTS、Tekla等[4]，結(jié)合項(xiàng)目BIM模型平臺(tái)Revit的兼容與項(xiàng)目的復(fù)雜程度，本文選擇基于BIM的Tekla深化設(shè)計(jì)。Tekla能方便、快捷地建出整體模型、能快速建立次梁連接節(jié)點(diǎn)、能準(zhǔn)確快捷地導(dǎo)出深化圖紙，由三維模型直接出圖，自動(dòng)生成材料明細(xì)表，全過程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，能最大程度地減少圖紙錯(cuò)誤。

2.2.1 深化設(shè)計(jì)流程

深化設(shè)計(jì)的節(jié)點(diǎn)構(gòu)造、放樣、工藝設(shè)計(jì)、制作、運(yùn)輸、吊裝等過程在BIM模型文件中可以體現(xiàn)，BIM模型文件是指導(dǎo)工廠加工及現(xiàn)場安裝的有效文件，可以快速導(dǎo)出預(yù)埋件構(gòu)件平面布置圖、構(gòu)件立面布置圖、零件圖、構(gòu)件清單、零件清單、螺栓清單等。具體流程如圖4。

圖4 鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計(jì)流程

2.2.2 設(shè)計(jì)加工安裝協(xié)同化

基于BIM的建筑信息共享性，以Revit為平臺(tái)，針對所有零構(gòu)件均能在同一個(gè)界面實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)、加工、施工信息的共享，為工程不同的管理人員提供了不同的查看方式——3D模型、二維圖紙、物料清單表格、數(shù)控管理文件。實(shí)現(xiàn)工程數(shù)據(jù)多維度表達(dá)，多環(huán)節(jié)使用，如圖5設(shè)計(jì)、加工與安裝三維度協(xié)同。

圖5 設(shè)計(jì)、加工與安裝三維度協(xié)同

2.3 設(shè)計(jì)錯(cuò)誤識(shí)別

省科技館新館項(xiàng)目作為大空間公共建筑，涉及給排水、中水回收、通風(fēng)、消防、空調(diào)機(jī)電等多種專業(yè)，項(xiàng)目的橋架、風(fēng)管、支架、電纜、給排水管、消防管、空調(diào)管等設(shè)備管道眾多，允許安裝的空間有限，如何在有限的空間將不同專業(yè)的管道合理準(zhǔn)確設(shè)計(jì)布置對傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)難度較大。傳統(tǒng)的二維圖紙?jiān)O(shè)計(jì)中，在結(jié)構(gòu)、水暖電等專業(yè)圖紙匯總后，由總圖工程師人工發(fā)現(xiàn)和解決不協(xié)調(diào)問題，對設(shè)計(jì)人員的技術(shù)能力、專業(yè)水平提出較高要求，同時(shí)需要大量的時(shí)間與精力[5]。采用二維圖紙進(jìn)行會(huì)審，人為的失誤在所難免，使施工出現(xiàn)返工現(xiàn)象，給進(jìn)度控制與投資控制帶來極大挑戰(zhàn)。

應(yīng)用BIM技術(shù)進(jìn)行三維管線的碰撞檢查，不但能夠徹底消除硬碰撞、軟碰撞，優(yōu)化工程設(shè)計(jì)[6]，減少在建筑施工階段可能存在的錯(cuò)誤和返工的可能性，對空間優(yōu)化，管線、橋架合理排放布局也有很好的功效。工程師可以利用檢測后的效果圖與方案，組織施工交底、模擬施工，極大提高施工質(zhì)量與業(yè)主溝通效率。省科技館新館項(xiàng)目在設(shè)計(jì)階段，設(shè)計(jì)各專業(yè)基于Revit平臺(tái)，共享項(xiàng)目所有信息，各專業(yè)設(shè)計(jì)完成后，統(tǒng)一集成在BIM模型中，對全部的構(gòu)件單元進(jìn)行碰撞沖突檢測，對有沖突的構(gòu)建生成檢測報(bào)告并標(biāo)記，根據(jù)檢測報(bào)告修改沖突設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)“零設(shè)計(jì)變更”，如圖6碰撞檢測后的設(shè)計(jì)模型。

圖6 碰撞檢測校核模型

3 基于BIM的數(shù)字化建造

3.1 施工構(gòu)配件數(shù)字化查詢

基于BIM的協(xié)同化設(shè)計(jì)，對建筑物每個(gè)組成部分進(jìn)行了參數(shù)化定義，建筑構(gòu)件具有數(shù)字化唯一屬性，為建筑物組成構(gòu)件的采購、加工、制作、安裝等環(huán)節(jié)的追溯、管理提供了條件，可實(shí)時(shí)對建造施工環(huán)節(jié)進(jìn)行動(dòng)態(tài)化管理。

根據(jù)構(gòu)件的不同，將構(gòu)件材料的物理特性與相關(guān)的力學(xué)特性用數(shù)字統(tǒng)一分類表示，包括桿件的長度、斷面尺寸、桿件連接角度、節(jié)點(diǎn)連接、焊縫形式，注明構(gòu)件所在位置，并將構(gòu)件的具體信息集成為一連串的數(shù)字字符。根據(jù)不同信息屬性，將不同的信息進(jìn)行歸類，歸口為施工建造密切相關(guān)的進(jìn)度、成本以及模型屬性信息。對具體的材料構(gòu)件從采購到施工，全過程可追溯，并對與具體的施工時(shí)間節(jié)點(diǎn)與造價(jià)信息可實(shí)施查詢，針對不在計(jì)劃時(shí)間內(nèi)完成的施工建造構(gòu)件，可即時(shí)預(yù)警、即時(shí)糾偏。如圖7，構(gòu)件施工信息查詢顯示示意圖。

圖7 構(gòu)件施工信息查詢顯示示意圖

3.2 施工構(gòu)配件數(shù)字化制造

省科技館新館項(xiàng)目鋼結(jié)構(gòu)在建模深化完成后，即進(jìn)入工廠進(jìn)行加工制造。BIM模型可以輸出清單文件、NC格式的數(shù)控?cái)?shù)據(jù)文件或DWG格式的圖紙文件。NC格式的數(shù)據(jù)控制文件包含了這個(gè)構(gòu)件的基本尺寸、開孔位置、開槽切割等具體信息。

圖8 構(gòu)件加工路徑數(shù)字管理

BIM平臺(tái)將鋼結(jié)構(gòu)作業(yè)流程細(xì)分為十余道數(shù)字化工序，被標(biāo)記的零構(gòu)件與加工制作路徑逐一對應(yīng)，加工制作與施工流程用相應(yīng)的數(shù)字代碼標(biāo)記。利用集成的構(gòu)建信息，生成二維碼，項(xiàng)目和應(yīng)用車間、安裝工人均能借助掃描等方式對工位路線進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)反饋，實(shí)現(xiàn)對建造的全過程跟蹤，快速識(shí)別即將安裝所需的構(gòu)件，準(zhǔn)確定位構(gòu)件在建筑中的位置，如圖8構(gòu)件路徑識(shí)別。這一關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用，對本項(xiàng)目鋼結(jié)構(gòu)加工制作工期節(jié)約20%。

4 可視化施工管理

湖北省科技館新館施工由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，鋼結(jié)構(gòu)規(guī)模大且受力、節(jié)點(diǎn)連接復(fù)雜，是一項(xiàng)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)工程。進(jìn)行虛擬化施工仿真模擬，在可視化的基礎(chǔ)上，制定更加科學(xué)、實(shí)用的施工方案[7]，預(yù)判實(shí)際施工中可能發(fā)現(xiàn)的問題，以節(jié)約工期與節(jié)省投資。

4.1 鋼結(jié)構(gòu)施工流程

主體鋼結(jié)構(gòu)安裝開始前對柱腳、埋件進(jìn)行復(fù)測，鋼結(jié)構(gòu)主體安裝主要使用2臺(tái)塔吊(D1100-63塔吊70m臂長)和2臺(tái)塔吊(ZSC-1000塔吊60m臂長)進(jìn)行吊裝。堆場和拼裝場地布置4臺(tái)50t汽車吊負(fù)責(zé)構(gòu)件拼裝及轉(zhuǎn)移。主體結(jié)構(gòu)安裝按照如下施工順序進(jìn)行安裝：

(1)先裝4個(gè)核心筒，后裝跨層主桁架；

(2)先裝角部結(jié)構(gòu)，后裝中部結(jié)構(gòu)；

(3)先徑向，后軸向，具體安裝流程如圖9所示。

圖9 鋼結(jié)構(gòu)安裝流程圖

基于BIM模型，針對流程中包括的每一具體步驟生成詳細(xì)的作業(yè)任務(wù)書與零構(gòu)件清單，同時(shí)附加詳細(xì)的作業(yè)指導(dǎo)想模型，將作業(yè)工人需要通過二維圖紙獲取的施工信息可視化，表達(dá)直觀、可重復(fù)性高可以實(shí)現(xiàn)施工方案的優(yōu)選以及技術(shù)交底的演練[8]，極大減少施工中的錯(cuò)誤、消除隱患。以柱腳預(yù)埋施工為例，將該分項(xiàng)工程分為4步驟，通過BIM虛擬化施工技術(shù)，將所有步驟可視化，如圖10所示。

圖10 鋼柱腳預(yù)埋施工可視化

4.2 可視化虛擬施工

基于BIM的虛擬建造可以在工程建設(shè)中對項(xiàng)目的全過程進(jìn)度進(jìn)行有效控制。虛擬施工能對實(shí)際建造過程中可能發(fā)生的問題進(jìn)行提前預(yù)警，建立提前預(yù)警機(jī)制，事前修改完善，將可能發(fā)生的問題在事前解決。最終優(yōu)化的進(jìn)度計(jì)劃與施工方案，更好更高效地指導(dǎo)實(shí)際項(xiàng)目的實(shí)施，提高現(xiàn)場作業(yè)的安全性。項(xiàng)目在鋼結(jié)構(gòu)吊裝施工階段，通過BIM虛擬施工確定材料構(gòu)件的最佳對方位置、最佳吊裝路徑、最佳的吊裝參數(shù)、以及吊裝工具的匹配，將施工方案可視化，驗(yàn)證施工方案的可行性，并進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。

圖11 結(jié)構(gòu)吊裝虛擬施工

湖北省科技館新館項(xiàng)目在施工期間，存在大量空間交叉作業(yè)，塔吊、汽車吊等空間機(jī)械同時(shí)吊裝時(shí)易產(chǎn)生時(shí)空碰撞的風(fēng)險(xiǎn)。基于NAVISWORK的虛擬施工與可視化管理，可將塔吊、汽車吊等機(jī)械設(shè)備在施工過程中建立相應(yīng)的危險(xiǎn)預(yù)警時(shí)空，以藍(lán)、黃、橙、紅四種顏色分別表示重大風(fēng)險(xiǎn)、較大風(fēng)險(xiǎn)、一般風(fēng)險(xiǎn)、較低風(fēng)險(xiǎn)，代表不同時(shí)空范圍內(nèi)的危險(xiǎn)。在虛擬施工階段，當(dāng)施工人員進(jìn)入不同危險(xiǎn)級別的時(shí)空范圍時(shí)，相應(yīng)范圍顯示相應(yīng)顏色預(yù)警，預(yù)判實(shí)際施工階段的安全風(fēng)險(xiǎn)與危險(xiǎn)因素，減少實(shí)際建造階段的不安全行為。

5 結(jié)語

本文詳細(xì)介紹了BIM在湖北省科技館新館項(xiàng)目中協(xié)同設(shè)計(jì)、數(shù)字化制作以及可視化管理方面的研究與應(yīng)用。闡述了BIM在解決傳統(tǒng)設(shè)計(jì)、施工很難解決的相關(guān)問題方面的應(yīng)用，以設(shè)計(jì)階段中的聲學(xué)問題、施工建造階段中的鋼結(jié)構(gòu)加工制造、吊裝以及安全風(fēng)險(xiǎn)管理為例，顯示出BIM在大型展館等公共建筑建設(shè)中具有很好的應(yīng)用，在建筑功能、建造效率、智能化施工、施工風(fēng)險(xiǎn)等方面具有很大應(yīng)用前景。工程實(shí)踐表明，BIM在大型展館建筑聲學(xué)優(yōu)化方面具有良好的應(yīng)用，對項(xiàng)目的協(xié)同化設(shè)計(jì)以及鋼結(jié)構(gòu)數(shù)字化加工制作、建造等環(huán)節(jié)具有可復(fù)制性，虛擬建造與可視化施工建立預(yù)處理機(jī)制，對復(fù)雜的展館建設(shè)具有切實(shí)可行的指導(dǎo)意義，為類似建筑的建設(shè)提供一種方法、管理手段和經(jīng)驗(yàn)。