2022年卡塔尔世界杯第四分区体育场设计BIM技术应用

魏 欣 邹 涵

（1.中南建筑设计院股份有限公司，武汉 430071；2.湖北工业大学土木建筑与环境学院，武汉 430068）

引言

BIM技术自21世纪开始得到快速发展。目前美国采用BIM技术的项目数量不断增加，超过65%设计院所采用BIM技术，而政府所负责建设的项目，更是要求全部使用BIM技术[1]；德国的BIM应用率为45%，而且德国国内自主研发的软件在占据了主导地位；法国当前的BIM技术应用率为47%[2]；日本、韩国、新加坡都陆续引入了BIM技术，在政府的主导作用下逐步推广BIM技术的应用[1]。

当前BIM技术在国内建设工程项目中的应用主要有：建立三维建筑结构模型、多专业管线碰撞检查、复杂节点的深化设计、施工进度动画模拟、施工进度的控制以及场地设施布置[3]。这些技术应用在一些大型公共建筑或超高层建筑的设计及施工过程中，取得了较好的效果。

在技术标准方面，2007 年美国建筑科学研究院发布了国家BIM标准“NBIMS（NIBS - NationalInstitute of Building Sciences）”；英国政府也制定了统一的技术标准，明确要求各个企业、设计院所在统一的技术标准下实现协同工作。

我国于2016年12月发布了BIM国家标准《建筑信息模型应用统一标准》（GB/T51212-2016），是我国第一部在施工领域中应用BIM技术的工程建设标准，对BIM技术的应用提出了基本要求，是国内BIM技术发展的一个重要里程碑。

目前在绿色公共建筑、超高层建筑中BIM技术的应用案例较多，但是关于将BIM技术应用在体育馆设计中的研究尚不多见，尤其是重大国际体育馆项目的相关案例鲜少。本文即试图以2022年卡塔尔世界杯第四分区体育馆设计为例提供相关参考。

1 项目概况

2022年卡塔尔世界杯第四分区体育场位于卡塔尔首都多哈东南部的海岸，是2022年世界杯的主要比赛场馆。总用地面积80.9万㎡，体育场建筑面积8.97万㎡，总座位数4.65万个，满足所有运营模式下的国际足联标准，体育场在赛后将被完全拆除，原址将重新开发（图1）。

本项目是完全由中国人投资、中国人设计和施工的PPP项目。中南建筑设计院股份有限公司作为设计总包方，严格执行国外设计规范和BIM标准，其要求远高于国内设计标准。设计成果除图纸、BIM模型外还有多种详细的专业报告。

图1 总体鸟瞰效果图

本项目的设计难点在于完全执行国外设计规范。主要有美国消防协会、卡塔尔交付与遗产最高委员会（业主）、国际足联等提出的规范和要求。其深度、广度和细致度要求远高于国内设计标准。

2 BIM项目策划

为保证建筑信息的有效传递，在项目开始之前根据业主对本项目的 BIM要求，参考美国 AIA和英国AEC标准制定《BIM项目标准》,各参与方统一按此项目标准运用BIM技术。

2.1 COBie信息化管理

施工运营建筑信息交换 COBie( Construction Operations Building Information Exchange) 是传输和管理建筑设施信息的国际标准。它将获取的有关建筑设施的文档信息与数据资料加以整合、存储和共享。利用IFC等格式，在不同的建筑利益相关者之间交换，规定了从设计到运维阶段内信息的获取交换技术、交换标准、交换流程[4]。

本项目采用COBie标准，在建筑全生命周期管理建筑设备信息。根据国际足联要求，在初步设计阶段需要考虑建筑设施维护和管理，其提供的COBie表格，对体育场房间、空间、设施种类进行分类、整合、储存（图2）。数据库构建完毕后即可根据建筑设施管理的功能要求进行系统设计，建立基于BIM-COBie 技术的建筑设施信息化管理系统。

图2 体育场COBie信息

2.2 BIM报告

作为成果提交给业主和国际足联的BIM报告有：《项目BIM手册》、《 BIM项目管理计划》、《项目BIM质量保证计划》、《BIM合规报告》。

《项目BIM手册》：包含对BIM模型命名与表达、BIM文件的操作规范、内部信息交换等一系列操作和协作问题，保证各专业在制图和建模过程中保持一致。

作为设计总包方，我们制定了《 BIM项目管理计划》：项目信息，项目BIM阶段交付计划（含：设计模型、施工模型、信息交换、节点的项目交付、BIM质量保证计划和BIM会议时间表等），以及BIM成果交付计划（含：成本设计、结构分析、能源分析、碰撞检测、赛后规划、施工规划、施工运营建筑信息交换等）。

根据国际足联的BIM要求，制定《项目BIM质量保证计划》，提出BIM的管控措施，确保高质量地完成设计。

《BIM合规报告》：在交付成果文件前，根据报告里的内容依次打分，来检测交付的模型及文件是否符业主的要求。合规报告分为建筑、结构和机电五个专业的评测内容。每次的任务节点都需要提交《BIM合规报告》，以便业主了解和记录BIM模型的进度和质量。

3 BIM应用

3.1 外表皮参数化设计

体育场通过融合传统阿拉伯特征与现代设计，赋予独特的超越时代的建筑形象。外观设计灵感来自伊斯兰城市特有的一种传统阿拉伯图案，其对称、均衡、规则排列的几何纹理非常适用于体育场的形状和体积，表现了伊斯兰建筑的艺术特征（图3）。

图3 传统阿拉伯图案

图4 人视效果图

图5 外表皮参数化设计

复杂双曲线外表皮用传统方法无法精确表达设计，故采用参数化设计：以 Revit为核心三维建模软件，以 Rhinocero和 Grasshopper为外表皮建精确的体量模型，根据屋顶洞口的日照分析调整参数，推敲屋顶造型，确定造型后导入Revit进行精细化设计（图5）。

经过多次修改完善后，得到屋顶合理的开洞和天窗布置形式。经过细节深化，由16个单元组组合成一个椭圆形，最终形成一个巨大的阿拉伯帐篷外表皮。

3.2 外表皮再利用

外表皮采用白色聚酯纤维膜材料，自重极轻、柔软、易于安装，非常适合于临时性的世界杯体育场。

我们充分考虑体育场外表皮的再利用，因此对每块膜进行了编号，使每个膜可以重新组装，在体育场拆除后用于滨海商业街的遮阳（图6）。

图6 外表皮再利用

3.3 视线分析

体育场观众席视野非常重要，先采用Ecotect软件对球场看台进行整体视线分析计算，得出结论：体育场看台对球场有很好的视野效果，全场观众席中最不利位置视线为300m2，80%的座位有3 000+m2的良好视野，能看到比赛场地全场（图7）。

图7 看台视线分析1

图8 看台视线分析2

国际足联对看台视线要求比常规场馆更严苛，座位C值需要高于90才符合其要求。对体育场所有座位进行详细的视线分析，得出所有座位的C值。看台最高层视线最大角度控制在 32.91°，原座位总数为 46 557，根据C值得出满足标准的净座位数为41 691（图8）。

3.4 房间统计

《体育场功能空间表》是国际足联合规报告中非常重要的部分，根据报告的要求，对体育场所有房间进行细致繁琐的信息输入和分类，设定颜色方案（图9）。

图9 房间信息输入与分类

Revit可以更高效便捷地对体育场一千多个房间进行信息输入和属性分类，这是在传统软件CAD中无法做到的。在明细表中完善信息后，《体育场功能空间表》可以直接导出Excel格式。

3.5 赛后规划

图10 体育场组成元素

考虑到体育场赛后将被拆除，所在地块将用于新的开发，我们在整个设计中充分考虑了“回收”的概念。体育场约 65%面积由预制的标准构件组成（图10），便于此地块新开发的重复使用，剩下的部分将作为遗址公园成为2022年世界杯的永久回忆。标准构件采用8×8m的尺寸，结构相互匹配，易于拆卸和组装施工，使重复利用成为可能。

3.6 BIM的结构设计

3.6.1 结构体系

体育场的结构设计分为基础、看台、屋面三部分。基础采用钢筋混凝土，看台和屋顶均采用钢结构，且所有楼层为空心预制楼板，方便施工安装和拆卸，并在比赛后进行回收和再利用。体育场屋面结构体系由16组柱和看台支撑单元组成（图11）。

图11 屋面结构体系

图12 看台节点设计

3.6.2 看台节点设计

看台节点采用了一种易安装、拆卸的钢框架连接节点，使施工现场安装过程中无焊接，施工简单方便，易于工人操作，在缩短钢构安装工期的同时，降低了安装人力成本（图12）。

若临时建筑或构架采取此连接方式，拆卸更加方便，而且在拆除过程中不会对原构件产生损伤，便于拆除构件后重复利用。

3.6.3 看台标准化

看台采用标准化设计，降低建设成本，并且便于安装和拆卸，拆卸后易于使用。用BIM模型模拟看台拆卸过程（图13），可指导施工。

图13 看台拆卸模拟

图14 结构拆除模拟

3.6.4 结构拆除

世界杯比赛结束后，体育场将被完全拆除。拆下的建筑材料将在赛后重新使用。基于BIM模型模拟体育场结构拆除过程（图14），用于指导施工。

3.7 BIM的照明设计

夜幕降临，体育场像一朵盛开在天空中的荷花，照明分为顶部、中部、底部三部分实现动态效果。立面所有照明都是开放和浅色的，提供公共区域的照明和实现立面照明的变化（图15）。

图15 立面照明

3.8 室内设计

基于BIM模型进行室内精装修设计，保证项目的品质达到预期的标准。VVIP大堂位于视野最好的第四层，大面积玻璃为室内观看提供良好的自然光，其装饰具有独特的卡塔尔文化韵味（图16）。

图16 VVIP大堂精装修展示

3.9 绿色建筑能效分析

对体育场进行通风热环境模拟，得到如下计算结论：不设空调，观众区和球场标准有效温度较大，热舒适度差；设置座椅送风，观众区和球场标准有效温度小于32℃，热舒适度性好。

4 总结

2022年卡塔尔世界杯第四分区体育场在设计阶段，全专业严格执行国外的设计规范和BIM标准，采用COBie信息化管理，运用BIM技术实现了外表皮参数化设计、看台视线分析、房间功能空间信息统计、建筑构件拆除模拟、精细化设计、设计管理、算量统计等。

海外团队和国内团队同心协力，经过艰苦的努力，高质量、高效率地完成了世界杯体育场的设计，得到国外业主和国际足联专家的高度赞扬。

BIM技术极大地提高了项目的设计质量，经过这个项目，我们了解了国际上高水平的设计规范和标准，打开了国际市场，为后续其他重大国际项目的建设提供了宝贵的经验。