段超龍，周曉帆，戴 路，胡新余

(中建三局集團有限公司，湖北 武漢 430064)

0 引言

當代美術(shù)館作為集中體現(xiàn)城市文化內(nèi)涵的建筑，為適應(yīng)藝術(shù)形式的變化，在建造空間上提出許多要求，使美術(shù)館空間功能日益復(fù)雜，形式更加多變，往往具有建筑造型復(fù)雜和結(jié)構(gòu)設(shè)計施工難度大等特點[1-3]。利用BIM技術(shù)可視化、參數(shù)化和信息化等特點解決二維設(shè)計圖紙表達結(jié)構(gòu)復(fù)雜建筑存在的問題，并將虛擬三維模型應(yīng)用于設(shè)計階段、施工階段及運維階段，已在諸多項目中取得良好的效益[4-6]。黃宗貴等[7]在隆平水稻博物館中應(yīng)用BIM技術(shù)，輔助雙曲薄殼混凝土屋面支模、工程量統(tǒng)計、施工測量等施工過程。付冠超等[8]以西安奧體中心“一場兩館”幕墻及屋面BIM應(yīng)用為例，介紹基于BIM技術(shù)的可視化設(shè)計、設(shè)計優(yōu)化、專業(yè)協(xié)同、深化出圖、施工模擬等成果，并提出體育場館BIM應(yīng)用方向及要點。張怡等[9]在國家速滑館項目中通過BIM 技術(shù)輔助輪廓曲面玻璃幕墻施工深化設(shè)計、構(gòu)件加工和現(xiàn)場施工，有效保證幕墻精準高效施工。但上述工程僅在單一方向上應(yīng)用BIM技術(shù)輔助項目實施，武漢市琴臺美術(shù)館建筑造型起伏多變，完全采用清水混凝土結(jié)構(gòu)進行建造，屋蓋采用自由曲面鋼筋混凝土殼體結(jié)構(gòu)，使整體形態(tài)似山體變化[10]。屋蓋、墻體構(gòu)造復(fù)雜多變，設(shè)備管線與結(jié)構(gòu)交互關(guān)系錯綜復(fù)雜，設(shè)計、施工和各專業(yè)配合難度較大。本項目通過前期BIM策劃，實施過程中使用BIM技術(shù)對自由曲面混凝土屋蓋和清水混凝土結(jié)構(gòu)進行設(shè)計及施工方案優(yōu)化，并對機電管線進行綜合排布，極大提高工程質(zhì)量、縮短項目工期，取得良好的經(jīng)濟效益。

1 工程概況

琴臺美術(shù)館項目位于武漢市漢陽月湖藝術(shù)博覽區(qū)，琴臺大劇院以西、月湖以北，地下1層為停車場、設(shè)備用房、展廳，1層為展廳，2層為公共藝術(shù)廣場，總建筑面積約4.3萬m2，其中地上建筑面積約2.08萬m2，地下建筑面積約2.22萬m2，工程造價2.48億元。項目采用成型后無須裝飾的清水混凝土結(jié)構(gòu)及自然的地景式建筑設(shè)計方案，在滿足生活便利的前提下，最大程度保有自然形態(tài)，造型起伏多變，若隱若現(xiàn)，與周邊景觀自然融合，如圖1所示。

圖1 琴臺美術(shù)館效果

2 重難點分析

本項目屬于特別不規(guī)則的超限多層結(jié)構(gòu)，采用大量異形雙曲面清水混凝土結(jié)構(gòu)，是當時國內(nèi)在建公共美術(shù)館建筑中采用清水混凝土建造比例最大的項目。為體現(xiàn)現(xiàn)代美術(shù)館的建筑美感，天花要求具有清水混凝土效果，屋面采用自由曲面混凝土殼體結(jié)構(gòu)。屋面自由曲面設(shè)計限定室內(nèi)大小錯落的展廳空間，對展廳空間尺寸形態(tài)、功能使用及消防設(shè)計都提出較高要求。屋面最高處模板工程屬于高支模施工范疇，對模板施工質(zhì)量要求較高。

地下室功能分區(qū)多樣，結(jié)構(gòu)標高錯綜復(fù)雜。因結(jié)構(gòu)形式限制，所有機房均設(shè)置于地下，且凈高要求嚴格，使地下風(fēng)管多處水平重疊或交叉，進而管線綜合難度較大。地上建筑為保證清水混凝土建筑視覺風(fēng)格，要求所有設(shè)備管線隱身于結(jié)構(gòu)內(nèi)部。因此，大部分管線設(shè)置于架空地板層與空腔管井內(nèi)，對地上管線、地板支座和空腔管井中的墻體夾層板、模板深化排版設(shè)計要求高。同時，基于清水混凝土一次成型的特點，對建筑、結(jié)構(gòu)、機電、室內(nèi)各工種高密度協(xié)作要求極高。所以，項目建造要求及施工管理難度較大。

3 組織策劃

琴臺美術(shù)館項目通過BIM技術(shù)，在施工前完成施工圖深化工作，以改善粗放型管理、周期長、危險性大、設(shè)計變更多和施工質(zhì)量不穩(wěn)定等問題。為達到BIM技術(shù)輔助項目實施的目標，首先依據(jù)設(shè)計圖紙進行各專業(yè)模型創(chuàng)建和專業(yè)間碰撞檢查，輔助設(shè)計發(fā)現(xiàn)圖紙中的錯漏碰缺。其次，通過BIM模型深化和機電管線深化，解決多專業(yè)協(xié)同問題，解決設(shè)計與施工一體化信息銜接的問題，以提升溝通效率和設(shè)計圖紙質(zhì)量。利用BIM三維可視化技術(shù)進行交底，為工程重難點提供可視化技術(shù)支持，指導(dǎo)現(xiàn)場施工。為實現(xiàn)通過BIM技術(shù)輔助項目實施的目標，業(yè)主組建BIM管理組織架構(gòu)，明確設(shè)計院和總承包單位管理職能，并整體管理設(shè)計和施工過程中各專業(yè)的組織協(xié)調(diào)工作，如圖2所示。

圖2 BIM管理組織架構(gòu)

BIM工作實施流程分為設(shè)計階段BIM應(yīng)用和施工階段BIM應(yīng)用。通過建立BIM實施標準與組織人員架構(gòu)，明確BIM實施標準、人員職責(zé)、建模標準、編碼命名規(guī)則、模型拆分原則、數(shù)據(jù)交互標準和成果交付要求等內(nèi)容，為工作開展建立完整的實施依據(jù)，保證設(shè)計階段和施工階段工作前后統(tǒng)一協(xié)調(diào)。并統(tǒng)一BIM技術(shù)采用的軟件類型、版本，依托智能建造平臺實現(xiàn)設(shè)計、建造、管理數(shù)字化，避免由于軟件版本和模型版本不一致導(dǎo)致項目成果難以應(yīng)用等問題，如表1所示。

表1 琴臺美術(shù)館BIM軟件配置

4 異形屋面深化

本項目屋面總面積約2.2萬m2，采用曲率均不一致的自由雙曲面殼體結(jié)構(gòu)，天花采用無裝飾面層的清水混凝土，結(jié)構(gòu)形式為自由雙曲面密肋梁+實心板，最大跨度約28.8m，最大懸挑約10.5m，曲面最高處模板支撐架體高23.88m，屬于高支模施工。設(shè)計方通過Rhino結(jié)合Grasshopper進行參數(shù)化處理，設(shè)計和比選殼體自由變化屋面方案，并在Dynamo中讀取Rhino中的屋面數(shù)據(jù)源，以達到Revit和Dynamo的實時聯(lián)動，通過參數(shù)化程序?qū)崟r生成可控雙曲面自由屋面，同時生成依賴于屋面的附屬結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

圖3 屋面自由曲面數(shù)字化模型

利用Grasshopper軟件對屋面翻邊及支墩進行批量處理，并以Excel格式導(dǎo)出精準定位點，以解決整個屋面等高線定位點繁多、定位難度大、工作量繁重的問題。當屋面方案發(fā)生變化時，Revit中的雙曲屋面及附屬結(jié)構(gòu)能實時自動更新。

屋面結(jié)構(gòu)設(shè)計根據(jù)建筑設(shè)計方案，建立屋面自由曲面數(shù)字化模型，并驗算恒荷載、活荷載、溫度作用及地震作用影響。其中，利用Rhino數(shù)字化幾何模型創(chuàng)建準確的屋蓋有限元模型，利用YJK軟件設(shè)計計算下部主體結(jié)構(gòu)，利用MIDAS Gen軟件創(chuàng)建下部主體結(jié)構(gòu)整體計算模型，并設(shè)計計算不同結(jié)構(gòu)形式的屋蓋，利用ABAQUS軟件建立整體結(jié)構(gòu)計算模型，通過分析材料非線性和幾何非線性動力時程，確保結(jié)構(gòu)抗震安全可靠。屋面通過參數(shù)化設(shè)計，最終確定屋蓋中央為穹頂造型，并分析中央穹頂受力性能，確定結(jié)構(gòu)方案為密肋梁+實心板結(jié)構(gòu)形式。

為保證天花清水混凝土一次成型，模板拼縫必須順滑，背楞體系需滿足模板自由雙曲面曲率要求。通過Revit及Rhino軟件對項目結(jié)構(gòu)及屋面進行建模，經(jīng)方案比對后，背楞體系選用槽鋼+方鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)殼體系，該體系與設(shè)計曲面貼合，具有質(zhì)量可控、模板支撐體系穩(wěn)固性好、操作難度低等特點，如圖4所示。同時，基于BIM輔助屋面測量定位，利用MAGNET 系統(tǒng)實現(xiàn)自由雙曲面屋蓋標高控制、等高線階梯放樣及全自動密集放樣。根據(jù)屋蓋三維模型采集屋面模板數(shù)據(jù)并進行標高定位，輸出CAD圖紙后指導(dǎo)模板加工及鋪設(shè)。

圖4 屋面模板搭建

5 結(jié)構(gòu)深化

本項目大面積采用清水混凝土建造方式，且清水混凝土豎向墻體在不規(guī)則夾層板中布置，對模板深化排版設(shè)計要求高。施工階段采用BIM三維模型識別高支模區(qū)域，利用BIM可視化技術(shù)比對高支模方案，經(jīng)多次方案比選及分析，最終采用型鋼柱+貝雷架+滿堂腳手架+鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)殼支撐體系，如圖5所示。根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計圖紙及Rhino模型，使用Revit軟件對貝雷架支撐體系進行三維建模后，運用MIDAS軟件進行有限元分析，對BIM深化排版模型進行安全驗算，以優(yōu)化貝雷架支撐體系，并進行架體安全核算，如圖6所示。根據(jù)BIM模型，對鋼立柱進行編號，并輸出鋼立柱定位圖用于現(xiàn)場施工，確保現(xiàn)場與模型對應(yīng)。同時，通過BIM模型調(diào)整下部鋼立柱定位，避免高支模方案影響主體結(jié)構(gòu)，合理排布貝雷架，避開豎向構(gòu)件，保證貝雷架支撐體系安全可靠，并輸出施工圖紙和工程量，指導(dǎo)施工及采購工作。利用深化后的BIM模型，編制高支模專項施工方案，明確模板支撐體系的施工工藝和安全措施等，保障高支模工程順利實施，且順利通過專家論證。

圖5 貝雷架支撐結(jié)構(gòu)

圖6 貝雷架支撐體系有限元計算模型

在屋面密肋梁與實心板交叉區(qū)域創(chuàng)建BIM模型，輸出施工圖紙并對工人進行培訓(xùn)及交底，以指導(dǎo)現(xiàn)場模板與鋼筋施工、混凝土澆筑。通過BIM技術(shù)優(yōu)化清水混凝土模板，對現(xiàn)場班組進行施工交底，保證現(xiàn)場排版與模型一致，并減少材料浪費。同時，根據(jù)清水模板排版對機電點位進行二次深化，合理優(yōu)化點位位置，輸出定位圖紙，指導(dǎo)現(xiàn)場預(yù)埋，以確保預(yù)留孔洞一次成型?？涨还芫疄槿忾]式管井，最小凈寬僅400mm，內(nèi)置風(fēng)管等管線，內(nèi)側(cè)模板無操作空間，通過BIM三維模型對空腔墻體及風(fēng)管安裝作業(yè)進行交底，并導(dǎo)出工序穿插施工圖紙，如圖7所示。

圖7 空腔墻澆筑工序

6 機電深化

由于屋面結(jié)構(gòu)形式限制，本項目所有機房均設(shè)置在地下室，通過豎向管井送回風(fēng)，所有設(shè)備管線不能外露，因而地下室管線十分密集。大部分區(qū)域無建筑吊頂，利用空腔雙墻以方便設(shè)備管線豎向穿行，采取上翻柱帽和架空木地板的方式，以方便設(shè)備管線水平穿行。通過風(fēng)機設(shè)備將新風(fēng)或煙氣由上往下經(jīng)空腔墻抽入地下室機房，后由風(fēng)管排出室外。整個建筑沒有出屋面風(fēng)井及設(shè)備，如圖8所示。

圖8 空腔墻風(fēng)管安裝工序

在機電管線深化階段，結(jié)構(gòu)標高復(fù)雜、管線交錯密集、管線綜合難度大。首先，創(chuàng)建各專業(yè)BIM模型，在管線密集區(qū)域，通過BIM技術(shù)進行模型整合、三維審圖、管線排布優(yōu)化、碰撞檢測、凈高分析確定機電管線綜合排布方案，確保模型及圖紙質(zhì)量，并排布無梁樓蓋區(qū)域管線。地下1層無梁樓蓋區(qū)域風(fēng)管頂距樓板底100mm處分層平鋪，橋架水管置于風(fēng)管底避開風(fēng)口排布，管道翻彎從風(fēng)管間隙穿過。通過深化設(shè)備模型和精確設(shè)備定位深化機房模型，并輸出設(shè)備基礎(chǔ)定位圖，以指導(dǎo)基礎(chǔ)施工。

地下1層后勤走道區(qū)域較窄，管道密集，將風(fēng)管排布于頂層，橋架排布于風(fēng)管下層，水管分層置于底層敷設(shè)。深化架空層機電管線及支座點位，合理排布管線路由，使風(fēng)管與管道交叉處空間滿足安裝要求。當風(fēng)管與管道交叉處排布空間不足時，優(yōu)化設(shè)計協(xié)調(diào)架空層機電管線，并借助BIM模型輸出機電各專業(yè)平面圖紙及留洞圖，以指導(dǎo)施工。利用BIM模型導(dǎo)出工程量清單，輔助下料與工程量核對。

7 效益分析

通過應(yīng)用BIM技術(shù)實現(xiàn)各參建方協(xié)同管理及信息共享，使各參建方能及時參與設(shè)計過程，提高溝通效率，解決多方協(xié)同錯位問題，形成經(jīng)濟美觀的建筑方案。應(yīng)用BIM技術(shù)優(yōu)化貝雷架支撐體系，使地下室砌體及抹灰提前插入50d，整體節(jié)約工期120d。借助BIM技術(shù)進行機電深化設(shè)計和清水混凝土模板排版，共發(fā)現(xiàn)203處圖紙問題，避免后期結(jié)構(gòu)開洞，且模板拼縫美觀，一次成優(yōu)，提高工程質(zhì)量。通過正向驗證貝雷架體系，優(yōu)化整體支撐體系，減少支撐體系用料，節(jié)約費用約180萬元。

8 結(jié)語

琴臺美術(shù)館項目在設(shè)計和施工階段，通過應(yīng)用BIM技術(shù)消減屋蓋與墻體構(gòu)造的多變性，及設(shè)備管線與結(jié)構(gòu)交互關(guān)系錯綜的復(fù)雜性，解決因自由曲面鋼筋混凝土殼體結(jié)構(gòu)屋面和豎向清水混凝土墻體造成的設(shè)計、施工和專業(yè)間協(xié)調(diào)配合問題。

1)采用BIM技術(shù)輔助大跨度自由雙曲面清水混凝土屋蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計和施工過程，實現(xiàn)異形屋面參數(shù)化設(shè)計，并驗算恒荷載、活荷載、溫度作用及地震作用對屋面的影響。

2)基于BIM模型有限元分析，最終確定大空間支撐體系和雙曲面背楞模板體系，并輸出施工圖紙，指導(dǎo)現(xiàn)場施工。

3)通過應(yīng)用BIM技術(shù)深化清水混凝土結(jié)構(gòu)，對空腔管井施工工藝穿插進行施工模擬，綜合考慮機電點位，輸出深化圖紙指導(dǎo)現(xiàn)場施工，確保清水墻成型質(zhì)量，杜絕墻面后開孔。

4)通過應(yīng)用BIM技術(shù)進行機電深化，提前發(fā)現(xiàn)并解決管線交錯密集，梁樓蓋區(qū)域、項目機房和架空層存在的問題，實現(xiàn)多專業(yè)協(xié)同管理，解決設(shè)計與施工一體化信息銜接問題，大大提升溝通效率和設(shè)計圖紙質(zhì)量、縮短工期、降低成本。