許忠縣 劉 斌 李明闖 唐子明

(中國(guó)建筑第八工程局有限公司,上海 200122)

1 工程概況

1.1 項(xiàng)目介紹

山東省科技館新館項(xiàng)目地處山東省濟(jì)南市西部新城文化商務(wù)核心區(qū)，位于城市東西服務(wù)發(fā)展軸和南北生態(tài)休閑景觀軸的交點(diǎn)上。北望省會(huì)大劇院，西鄰臘山河城市綠帶，東靠城市五七公園，南臨中開(kāi)院創(chuàng)業(yè)街。新館的定位是山東省科技傳播中心、山東省學(xué)術(shù)交流中心、山東省創(chuàng)客體驗(yàn)中心，總建筑面積約8萬(wàn)m2，預(yù)計(jì)2020年投入使用，建成后將躋身全國(guó)十大科技館行列，工程項(xiàng)目將數(shù)學(xué)符號(hào)∞”嵌入形體，意為“無(wú)限”，隱喻隨著社會(huì)進(jìn)步，科技領(lǐng)域無(wú)限未知、無(wú)限發(fā)展并有無(wú)限可能，如圖1和圖2所示。

1.2 工作難點(diǎn)與特點(diǎn)

工程兼具了“大、高、難”等特點(diǎn)：

(1)“大”包括超大的鋼結(jié)構(gòu)桁架和超大的混凝土殼體結(jié)構(gòu)。

單品鋼結(jié)構(gòu)桁架最長(zhǎng)46m，最重60t。拼接后整體天窗桁架1 000余t。

工程球幕影院殼體直徑28m，高度20.1m，是目前國(guó)內(nèi)最大的純混凝土單層薄殼殼體結(jié)構(gòu)。雙曲面定位、架體支設(shè)、模板施工以及混凝土澆筑均為復(fù)雜的施工工藝。

(2)“高”表示高支模區(qū)域的占比高。

工程標(biāo)準(zhǔn)層高8.8m(常規(guī)住宅層高3倍)，高支模區(qū)域占比82.8%，最高達(dá)到25.25m，相當(dāng)于9層住宅樓高度，單梁最大高度3.1m，寬度1.3m，重量92.5t。

(3)“難”表示梁柱節(jié)點(diǎn)復(fù)雜且施工標(biāo)準(zhǔn)高。

1)工程原設(shè)計(jì)有102顆型鋼柱，鋼柱截面大、操作空間小，梁柱縱筋直徑大、數(shù)量多，單個(gè)梁柱節(jié)點(diǎn)最多有381根鋼筋在此交匯，每根鋼筋均需精細(xì)加工及安裝。各類看臺(tái)、展廳、報(bào)告廳結(jié)構(gòu)交錯(cuò)重疊，異形層出，施工難度巨大。

2)項(xiàng)目定位高

質(zhì)量管理目標(biāo)：“魯班獎(jiǎng)”

安全管理目標(biāo)：AAA級(jí)安全文明標(biāo)準(zhǔn)化工程

綠色施工目標(biāo)：全國(guó)建筑綠色施工示范工程

為保證設(shè)計(jì)理念得以完美實(shí)現(xiàn)，我們?cè)谑┕す芾砗图夹g(shù)工藝上做了諸多創(chuàng)新。以“共享+集成”為核心思路進(jìn)行智慧工地集成管理，建立集成化控制機(jī)房，實(shí)現(xiàn)揚(yáng)塵在線監(jiān)測(cè)及自動(dòng)化噴淋、施工現(xiàn)場(chǎng)全方位監(jiān)控、全國(guó)勞務(wù)實(shí)名制管理、智慧物業(yè)； 同時(shí)，使用建筑3D打印數(shù)字建造技術(shù)，該技術(shù)的使用使得傳統(tǒng)的建造技術(shù)被數(shù)字化建造技術(shù)所取代，從而滿足建筑中日益增長(zhǎng)的非線性、自由曲面等復(fù)雜建筑形式的設(shè)計(jì)建造要求[1]， BIM技術(shù)通過(guò)與VR、AR的集成，結(jié)合3D打印技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了交互式三維智慧圖紙的創(chuàng)新； 通過(guò)BIM深化設(shè)計(jì)、工業(yè)化生產(chǎn)、定位配送實(shí)現(xiàn)模塊化裝配式施工，確保施工質(zhì)量與進(jìn)度符合建筑要求； 通過(guò)樣板引路，保證過(guò)程精品，確保工程質(zhì)量。并且，我們還倡導(dǎo)環(huán)保理念，踐行綠色施工，打造綠色工地。

圖1 科技館新館項(xiàng)目效果圖

圖2 科技館新館項(xiàng)目立面效果圖

2 BIM組織與應(yīng)用環(huán)境

BIM是建筑學(xué)、工程學(xué)以及土木工程的新工具。它能夠?qū)崿F(xiàn)建筑信息的集成，貫穿建筑項(xiàng)目的全壽命周期，還可以有效提高工作效率、節(jié)省資源、降低成本，以實(shí)現(xiàn)建筑行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[2]，其核心用途是建立建筑工程的三維模型，利用數(shù)字化技術(shù)，為模型提供完整的、與實(shí)際情況相同的建筑工程信息[3]，進(jìn)而可以提高建筑工程信息的集成化程度，從而為工程項(xiàng)目提供一個(gè)信息交換和共享的平臺(tái)[4]。

2.1 實(shí)施方案

山東新科技館新館項(xiàng)目是以BIM技術(shù)的多方協(xié)作智慧管理為基礎(chǔ)，通過(guò)BIM技術(shù)全生命周期應(yīng)用輔助施工管理，進(jìn)行重難點(diǎn)分析、設(shè)計(jì)優(yōu)化、方案選型、平面布置及進(jìn)度管控。

項(xiàng)目開(kāi)發(fā)智慧工地平臺(tái)，如圖3所示，集成了塔吊防碰撞系統(tǒng)、GPS 定位管理系統(tǒng)、物料驗(yàn)收稱重系統(tǒng)和物料跟蹤系統(tǒng)、質(zhì)量和安全巡檢系統(tǒng)、多方協(xié)同系統(tǒng)，運(yùn)用無(wú)人機(jī)逆向建模和熱感成像技術(shù)以及 TSP 環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行智慧管理。項(xiàng)目指揮部以智慧大屏進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)展示，并與 BIM 結(jié)合應(yīng)用，便捷高效地進(jìn)行智慧建造管理[5]。

圖3 智慧工地管理平臺(tái)

2.2 BIM軟硬件環(huán)境

(1)硬件環(huán)境：BIM應(yīng)用采用高端臺(tái)式機(jī)與移動(dòng)工作站相結(jié)合的方式來(lái)運(yùn)算項(xiàng)目模型。具體配置如表1和表2所示。

(2)軟件環(huán)境：軟件主要包括三維建模軟件、鋼結(jié)構(gòu)軟件、幕墻軟件、裝飾軟件等，其軟件名稱和軟件版本如表3所示。

表1 硬件準(zhǔn)備一覽表

表2 硬件配置

表3 軟件配置

3 BIM應(yīng)用

本項(xiàng)目在設(shè)計(jì)優(yōu)化、施工組織管理、技術(shù)交底、平臺(tái)集成、智慧工地等方面對(duì)BIM技術(shù)進(jìn)行了全方位的應(yīng)用[6]，減少了設(shè)計(jì)變更，提高了施工效率。

3.1 設(shè)計(jì)優(yōu)化

(1)土建深化

圖6 幕墻節(jié)點(diǎn)深化

各專業(yè)進(jìn)行綜合建模，通過(guò)BIM建模“以建代閱”，精準(zhǔn)發(fā)現(xiàn)圖紙內(nèi)存在的問(wèn)題。建模過(guò)程中共發(fā)現(xiàn)碰撞問(wèn)題1 961項(xiàng)，結(jié)構(gòu)、建筑、人防及鋼結(jié)構(gòu)問(wèn)題109項(xiàng)，與設(shè)計(jì)單位協(xié)調(diào)解決的問(wèn)題為38項(xiàng)，最終形成圖紙會(huì)審內(nèi)容71項(xiàng)，施工過(guò)程中及時(shí)更新BIM模型，保持模型時(shí)效性。

進(jìn)行綜合排磚，通過(guò)BIM深化+限額領(lǐng)料制度提高材料利用率，做到“一墻一圖”，減少材料浪費(fèi)。如圖4、5所示。

圖4 二層結(jié)構(gòu)排版

圖5 一墻一圖

(2)鋼結(jié)構(gòu)幕墻優(yōu)化

深化鋼結(jié)構(gòu)圖紙，簡(jiǎn)化施工流程，確保施工質(zhì)量。通過(guò)對(duì)設(shè)計(jì)圖紙的校核與優(yōu)化，節(jié)約了371t鋼材。

優(yōu)化幕墻節(jié)點(diǎn)，針對(duì)曲線異形部位、細(xì)部節(jié)點(diǎn)進(jìn)行重點(diǎn)控制，實(shí)現(xiàn)BIM藍(lán)圖指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工，如圖6所示。

(a)管道分段預(yù)制加工圖 (b)管道分段二維碼標(biāo)簽 (c)管道分段二維碼標(biāo)簽 圖7 機(jī)電安裝

圖8 塔吊優(yōu)化圖

(3)機(jī)電安裝優(yōu)化

通過(guò)對(duì)碰撞檢查，管線綜合排布，凈高優(yōu)化，來(lái)出具BIM施工藍(lán)圖，進(jìn)而指導(dǎo)施工。同時(shí)，應(yīng)用公司自主研發(fā)的BIDA裝配式一體化施工技術(shù)及智慧圖紙技術(shù)進(jìn)行輔助管理，確保工程施工高效優(yōu)質(zhì)，如圖7所示。

3.2 施工組織優(yōu)化

(1)塔吊優(yōu)化

對(duì)塔吊數(shù)量進(jìn)行了優(yōu)化。在滿足垂直運(yùn)輸需求的情況下，將原投標(biāo)方案中6臺(tái)塔吊優(yōu)化為3臺(tái)塔吊。累計(jì)節(jié)約成本288萬(wàn)元。

通過(guò)BIM技術(shù)的輔助，實(shí)現(xiàn)了對(duì)塔吊使用工況的監(jiān)控，分析了塔吊的施工臂長(zhǎng)和吊重，并研究了吊次的合理頻次，驗(yàn)證了方案的可行性。同時(shí)，位置有效避開(kāi)鋼骨梁及預(yù)應(yīng)力大梁，如圖8所示。

(2)電梯優(yōu)化

通過(guò)對(duì)施工電梯進(jìn)行精準(zhǔn)定位，將投標(biāo)方案中的4部電梯優(yōu)化為2部。

工程地上四層，局部有夾層，為了增加施工電梯的利用率，位置定位必須能夠同時(shí)到達(dá)普通樓層及局部夾層。通過(guò)結(jié)構(gòu)模型與機(jī)械模型的合并與碰撞，選擇電梯的合理位置，使電梯的利用率達(dá)到最大化。優(yōu)化效益47萬(wàn)元，如圖9所示。

3.3 技術(shù)管理服務(wù)

(1)鋼結(jié)構(gòu)方案優(yōu)化

對(duì)鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行虛擬預(yù)吊裝，優(yōu)化吊裝順序； 進(jìn)行支撐架選型及驗(yàn)算，輔助鋼結(jié)構(gòu)吊裝方案，指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工； 進(jìn)行吊點(diǎn)設(shè)計(jì)、吊裝機(jī)械組合設(shè)計(jì)，確保施工過(guò)程經(jīng)濟(jì)合理，如圖10所示。

(2)梁柱節(jié)點(diǎn)優(yōu)化

進(jìn)行梁柱節(jié)點(diǎn)的連接方式創(chuàng)新，模型建立、排布鋼筋、連接選型、節(jié)點(diǎn)優(yōu)化，最終確定“焊接板+長(zhǎng)套筒+中空溜槽”的施工方案。減少了安全隱患和質(zhì)量問(wèn)題，縮短了工期，節(jié)約了成本。

腹板開(kāi)孔：傳統(tǒng)的開(kāi)孔方式是最直接的貫通方式，是傳力效果最好的方式。

套筒連接：能夠有效保證施工質(zhì)量，減少施工成本，保證安全。

焊接板：焊接板能夠減少現(xiàn)場(chǎng)施工誤差，單個(gè)節(jié)點(diǎn)能夠節(jié)省1d，保證工期。

長(zhǎng)套筒：能夠有效提高施工質(zhì)量，單個(gè)節(jié)點(diǎn)能夠節(jié)省1d，減少施工誤差，如圖11所示。

分別從穿孔對(duì)位、繞鋼骨貫通、附加補(bǔ)強(qiáng)、長(zhǎng)套筒連接等進(jìn)行優(yōu)化選型，優(yōu)化焊接位置，套筒排布、以及鋼筋排布。多方案比選，確定最優(yōu)方案，如圖12所示。

圖9 電梯優(yōu)化圖

圖10 鋼結(jié)構(gòu)優(yōu)化圖

圖12 方案的選擇

圖13 模板支設(shè)方案選型

圖14 BIM技術(shù)展示

球幕影院進(jìn)行流水段施工作業(yè)，首先選擇流水劃分部位，避開(kāi)主梁交叉位置，減少質(zhì)量、安全隱患，如圖12所示。其次建立LOD400BIM模型，應(yīng)用BIM技術(shù)的精確、可視化優(yōu)勢(shì)進(jìn)行控制點(diǎn)放線，輔助內(nèi)架排布，制定內(nèi)架方案，制定球幕影院滿堂架及外防護(hù)架施工方案，如圖13所示。最后對(duì)龍骨及模板進(jìn)行選型，繪制細(xì)部龍骨加工圖紙，制定模板支設(shè)方案，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)施工，通過(guò)BIM模型實(shí)現(xiàn)3D打印，進(jìn)行直觀交底。如圖13所示。

4 BIM技術(shù)輔助智慧建造

4.1 教育基地

作為后臺(tái)保障，公司建立企業(yè)級(jí)BIM+安全教育基地，基地涵蓋了隱患排查體驗(yàn)、機(jī)械設(shè)備認(rèn)知體驗(yàn)、AR增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)、VR虛擬體驗(yàn)，以及安全通關(guān)測(cè)試區(qū)等[7]。工人入場(chǎng)前，項(xiàng)目需組織全部工人到教育基地進(jìn)行集體教育，通關(guān)測(cè)試合格后方可入場(chǎng)施工，如圖14所示。

4.2 BIM集成平臺(tái)

八局BIM協(xié)同管理平臺(tái)對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行基于BIM 的各方集成，包括協(xié)同管理、文檔管理、質(zhì)量管理、安全管理、計(jì)劃管理、物資管理、設(shè)計(jì)管理、二維碼管理以及監(jiān)控管理[8]，通過(guò)與模型對(duì)接，實(shí)現(xiàn)BIM+的集成化管控，如圖15所示。同時(shí)平臺(tái)內(nèi)部集成公司施工組方案、交底庫(kù)及后臺(tái)族庫(kù)，可從庫(kù)中直接提取二維碼進(jìn)行掛接，現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行二維碼張掛交底，如圖16所示。平臺(tái)也對(duì)質(zhì)量安全問(wèn)題的檢查進(jìn)行錄入及跟蹤管理； 同時(shí)，導(dǎo)入工期計(jì)劃，實(shí)現(xiàn)施工模擬及工期管理，通過(guò)實(shí)際進(jìn)度與錄入進(jìn)度的對(duì)比達(dá)到工期預(yù)警自動(dòng)推送[9]。

圖15 BIM協(xié)同管理平臺(tái)

圖16 BIM協(xié)同管理平臺(tái)中二維碼庫(kù)

4.3 智慧工地

引入BIM+三維掃描+無(wú)人機(jī)航拍進(jìn)行平面管理、動(dòng)態(tài)管控； 利用三維掃描進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)桁架的精準(zhǔn)定位和模型比對(duì)，控制鋼結(jié)構(gòu)加工及安裝偏差[10]。如圖17所示。同時(shí)，建立集成控制機(jī)房，打造BIM綜合看板，作為項(xiàng)目管理的“云大腦”，對(duì)信息進(jìn)行收集與處理，對(duì)工地大數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，從而達(dá)到基于BIM的數(shù)字化管控[11]。

(a)鋼結(jié)構(gòu)三維掃描

(b)無(wú)人機(jī)三維掃描與BIM技術(shù)的應(yīng)用圖17 BIM技術(shù)的應(yīng)用

5 總結(jié)

5.1 創(chuàng)新點(diǎn)

BIM在建造階段中工具屬性較為凸顯，研究與應(yīng)用僅僅圍繞項(xiàng)目的提質(zhì)增效開(kāi)展，通過(guò)應(yīng)用BIM技術(shù)實(shí)現(xiàn)降本增效。

新科技館項(xiàng)目通過(guò)對(duì)BIM技術(shù)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了對(duì)塔吊、電梯、設(shè)計(jì)、管線以及鋼結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，同時(shí)，還將系統(tǒng)化思維融入到技術(shù)應(yīng)用、經(jīng)營(yíng)把控和管理工作之中，從系統(tǒng)的角度分析施工問(wèn)題，使得BIM應(yīng)用成為一種工作模式，利用BIM+3D打印技術(shù)進(jìn)行實(shí)體翻模，打印重難點(diǎn)部位，建立實(shí)體可視化模型，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)交底。使用智慧建造管理平臺(tái)，以一個(gè)數(shù)據(jù)中心為載體，對(duì)項(xiàng)目建設(shè)的所有數(shù)據(jù)進(jìn)行集合，實(shí)現(xiàn)了對(duì)項(xiàng)目建設(shè)過(guò)程中的成本、進(jìn)度、質(zhì)量、環(huán)境、勞務(wù)、工程資料的全面管控，節(jié)約了項(xiàng)目成本，縮短了項(xiàng)目工期。

5.2 經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)

BIM在碰撞問(wèn)題上有很強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，但在檢查模型的樁號(hào)、尺寸、角度等具體設(shè)計(jì)方面較為繁瑣，如何可以簡(jiǎn)化該問(wèn)題是未來(lái)解決的方向。