北京新机场旅客航站楼及综合换乘中心(指廊)工程BIM应用

(北京建工集团有限责任公司，北京 100055)

1 工程概况

1.1 项目简介

北京新机场位于永定河北岸，北京市大兴区礼贤镇、榆垡镇和河北省廊坊市广阳区之间，北距天安门46km，西距京九铁路4.3km，南距永定河北岸大堤约1km，距首都机场68.4km，属于国家重点工程(图1)。航站楼指廊区包括东北、东南、中南、西南、西北五条互呈60°夹角的放射状指廊构成，总建筑面积30万，各指廊长度约420m，最窄处44m，在端部放宽为120m，登机桥固定端数量50条，近机位共79个。建筑高度25m，地下一层，地上三层；工程结构类型：基础为桩筏基础，主体结构为钢骨混凝土框架结构，屋面由钢桁架网架组成的不规则自由曲面构成的复合金属保温屋面，首层外檐为铝板外墙，二层及以上为玻璃幕墙。

北京新机场工程设计理念非常新颖，外观形似“凤凰”。五条候机指廊在航站楼周边划分出四片停机港湾，航站楼基底面积约27万m2，停机岸线长度约4 300m。五条指廊端部均做放大处理，最大宽度约110m，共接驳了20个固定登机桥，约占固定桥总数的40%。

图1 新机场效果图

1.2 工程难点

本工程工程体量大，结构形式不规则。竖向支撑结构为混合结构，梁柱节点的钢筋密集，实现柱筋、梁筋与钢结构精确连接，必须确保钢筋的定位精度。

施工现场分散，五个指廊分别位于航站楼的中央南侧、西北、西南、东北及东南五个方向，相互之间距离较远，需要分别布置施工现场。并且现场道路随时在变化，给现场施工材料进出场和人员管理带来了很大不便。

钢屋面造型复杂。屋顶网架为不规则曲面造型，钢结构组拼难度大，钢结构体量大(用钢量3万t，焊接球8 472个，各类杆件55 267根)，指廊屋面桁架总长度(420m)，最大跨度(42m)，安装精度要求高。

饰板造型繁杂。屋面铝蜂窝装饰板种类约7 700块。由于屋面采用的是流线型曲面造型，所以7 700块铝蜂窝板每块的尺寸均不一样。

2 BIM组织与应用环境

2.1 BIM应用目标

通过在工程建设项目中的BIM实践应用,将BIM应用贯穿于项目前及规划、设计、投标、施工、运维等建筑的多个生命周期阶段。从基础建模、模型数据分析、绿色建筑规划到深化设计、4D施工模拟、方案论证和专业技术、软件开发等多个领域。面对以BIM技术为载体的新一轮建筑行业信息化浪潮，BIM中心发扬“建德立业，工于品质”的企业文化精神，提出了“以创效为目标的BIM+智能建造”理念。立足于施工总承包BIM应用，并归纳总结具体实施的技术和要点，提高生产效率和质量，增强企业核心竞争力[1]。

2.2 BIM组织架构

北京新机场工程BIM人员架构如图2所示：由项目经理作为整个项目的BIM总负责人，统筹各项工作和BIM协调事宜，下设技术部部长，安排技术和BIM沟通协作，BIM中心主任负责具体实施BIM计划、安排工作，解决协调各专业BIM之间实际问题[2-3]。

图2 BIM组织架构图

2.3 BIM管理规范

项目的前期组织和策划，制定BIM标准、规范BIM应用流程至关重要[4]。BIM在实际实施过程中，为了便于加强对BIM工作的管理，以《施工企业建筑信息模型(BIM)应用标准》和《建筑装饰装修工程BIM实施标准》为依据编制了本工程各专业BIM实施导则(图3)，对模型搭建、交付标准以及BIM工作管理及流程等做出了明确规定[5-7]。

图3 BIM实施导则

2.4 BIM软硬件配置

BIM工作的开展需要一系列不同功能的软件，对计算机硬件有较高的要求。根据工作需要，采购了用于建模的高配置电脑及相关软件(图4)[8-9]。

(a)软件配置

(b)硬件配置图4 BIM软硬件配置

3 BIM技术基础应用

3.1 场地布置

施工现场布置就是在满足多个相互矛盾或者相互统一的布置目标和场地约束条件下，优化利用场地空间[10-11]。新机场工程各类施工专业交错施工，所需材料的堆放，运输等等，都需要提前规划好，以节约场地和时间。传统的二维平面做法显然不能够满足要求。特别是在装饰装修阶段，幕墙、机电、装饰交叉施工，各分包施工计划和进度又不相同，施工现场塔吊、钢筋加工棚、木工加工棚、配电箱的布置等等情况复杂。BIM此时就发挥了比较重要的作用，在电脑的虚拟三维世界里，可以搭建一个与现实中一样的场地模型，进行各专业场地的布置与材料运输路线的规划，并区分以不同的颜色，一目了然(图5)。不仅如此，BIM在场地布置中还可以随着工程进度进行场地的实时更新变化。根据各分包的施工计划和不同时期场地需求，与工程部、技术部、机电部、物资部等进行沟通，合理安排布置。对不同专业、不同工序进行场地冲突预警，供总包单位和施工单位作为解决问题的参考[12]。

图5 场地布置效果图

3.2 方案比选

立足于工程施工中遇到的实际问题，利用BIM技术进行方案模拟和比选，验证方案可行性。用模型的形象直观、动态模拟、碰撞分析及可视化信息，分析复杂的、技术要求高的安装施工方案、施工工艺的可实施性，对空间定位、复杂的、技术要求高的工序进行全过程控制，缩短施工的工期。

由于中南指廊下有京雄高铁、廊涿城际、新机场线、预留R4在内的高铁、地铁并行穿越而过，在施工过程中，需要为这些线路预留下隧道。隧道施工要在外围浇筑一道2m厚的混凝土墙。采用传统的工艺浇筑，可能要延期。机场技术人员在项目班子带领下，决定采用定型“木工字梁”整体模板。利用BIM搭建好的三维模型(图6)，依据现场情况搭建“木工字梁”整体模板模型(图7)，通过接口插件导入分析软件，在此基础上进行可行性分析论证。在经过反复论证后，该方案可行。同时配合钢木混合龙骨搭建结构骨架，配合使用混凝土智能化测试仪，采用传感技术和微电脑技术，直接通过液晶显示器显示混凝土温度、预测28天强度等参数，以此来控制混凝土质量，确保质量过关。2016年11月28日，3条下穿隧道混凝土浇筑“一次成活”，大大提升了施工效率。

图6 木工字梁模板模型

图7 木工字梁现场模板

3.3 管线排布和优化

利用Navisworks进行碰撞检测，解决不同专业之间的碰撞问题，减少无效成本投入[13-15]。

指廊工程区设备机房多，水、暖、电、通信等等各种管线错综复杂，各路管线密集交错在一起。现实施工过程中如果直接进行排布的话，会遇到各种问题，各专业管线之间、管线与桥架之间、管线与结构板、结构之间的碰撞很常见。管线与结构之间，管线穿梁或穿过结构楼板，这些都可以通过搭建管综模型(图8)来进行碰撞检测，形成碰撞检测报告，交于施工人员，在结构施工初期进行预留洞口；管线之间的碰撞，就需要机电专业BIM人员在模型中对管线进行偏移(图9)，在达到要求后进行二维图纸的导出，并与设计人员进行沟通确认，然后开始施工。这些过程都是在计算机虚拟条件下虚拟施工，或者说是一种成本极低的管线排布施工演练，确认现实条件下可以进行施工再开始动工。避免现场直接施工出现碰撞后返工的现象，缩短工期，节约成本。

图8 东北指廊管综模型

(a)优化前 (b)优化后图9 管综优化调整

3.4 预制化加工

BIM模型的数字化准确性，使其具备了很多可操作性。现实施工过程，无论怎么操作，总避免不了各种误差的出现。而BIM模型的数字准确特性，使其能更准确地表达建筑构件的信息与甲方等的所想表达实际效果和意图，更具有可操作性。

如钢结构的预制化加工是预先通过BIM技术进行预拼装(图10)，将所有的杆件、节点连接、螺栓等信息全部输入到模型当中，工厂加工详图均是通过BIM模型导出，保证了BIM模型与实际建造的钢结构实体完全一致(图11-12)，从而确保了构件定位和拼装精度[16]。

图10 钢结构模型

图11 钢结构节点模型

图12 现场模型

3.5 工程管理

3.5.1 远程监控管理

在施工现场安装远程监控系统(图13)，用于施工现场安全、质量的监控管理。系统摄影头采用定制级36倍光学智能变焦一体机，双滤光镜片，不但能使夜视红外距离高达120-150m，更能实时接收主控制器各项指令，秒速智能对焦旋转，有效解决“灯下效应”造成的视频模糊不清等施工难题，保障安全24小时可视。这有效提高了项目管理水平，通过监控画面(图14)项目管理层及时了解和掌握现场施工过程信息，和BIM模型进行对比，并进行相关操作，及时高效做出决策，对加快施工进度起到了重要作用。

图13 施工现场监控摄像头

图14 施工现场监控画面

3.5.2 劳务管理系统

在施工现场安装门禁闸机系统，对需要进出现场的管理和施工人员发放现场出入证明卡，刷卡进出(图15)。同时，在门禁显示屏上会显示出人员姓名、照片、年龄、所属劳务队、工种及接受安全教育情况等信息(图16)。系统实时将每日现场各劳务队人员出勤情况等数据传送给管理人员，形成考勤表，作为人员结算薪酬的依据。采用BIM技术与现场进度实时对比，将施工现场人员需求反馈至领导层终端，为领导管理层合理分配作业人员提供参考，实现智慧型人员管理。

图15 人员刷卡进出现场

图16 进出现场人员信息情况

3.5.3 施工进度管理

将BIM模型与施工进度计划相关联，对现场施工过程进行可视化模拟，或者直接使用Navisworks软件编制进度计划。利用三维模型加一个时间轴形成4D，也可以再附加上成本信息(5D)、质量信息(6D)、安全信息(7D)等[17]。依据进度计划进行模型搭建渲染模拟出现场施工情况，清晰直观地展示进度计划；再利用现场视频监控以及实地查看等得到的现场实际施工进度情况，做出模拟视频，就可以直观地看出计划与实际之间的关系。根据计划与实际施工的对比，预测出完成工期的时间，就能看出总体是提前还是滞后，滞后几天。再根据实际情况进行工序优化(图17)。

图17 施工进度模拟

3.6 安全防护

BIM在搭建建筑结构模型时，对各种预留洞口进行安全防护体系的模拟安装，发现防护的薄弱环节，辅助安全人员进行洞口的统计，做好现场防护安装工作(图18)，降低事故发生几率，实现绿色、文明施工。

图18 安全防护`

4 创新应用

4.1 无人机

除了现场安装的视频监控外，还置备了无人机设备(图19)。随着现代信息技术、计算机技术的发展，无人机的性能也得到很大提升。由于它的高机动性、低成本特性，在航空拍摄，测绘方面有了很大的推广应用。机载系统由无人机、数字影像系统、导航和飞行控制系统、通信系统组成。通过专业人员驾驶操作，进行航拍测绘，将获得的图像(图20)、数据传送至地面系统，再将数据导入至专业软件分析处理。为工程设计、施工监测、提供了有力技术支撑。同时还能对整个工程的现场实施状况、完成情况整体拍摄，为管理层优化施工进度的决策提供帮助。

4.2 二维码+VR

对现场特定部位或者特殊构件处进行模型的精细化，并将详细信息诸如位置、施工工艺、构造等标注出来，存储在二维码(图21)中。将二维码粘贴在现场对应地方。现场人员在施工时就可以利用手机等移动设备进行扫描，获得信息。三维模型的数据量一般较大，在移动端观察整个模型，移动端的反应时间会比较长。利用VR技术，将关键部位、特殊节点的模型进行渲染制作为场景VR(图22)，结合二维码技术，粘贴在相应部位。使得现场施工、管理人员能够对比现场和最终效果图，了解施工质量和进度，更加高效、准确、快速地获得各类信息，提升工程管理效率和水平。

图19 无人机设备

图20 拍摄现场画面

图21 精装样板段二维码

图22 VR技术应用场景截图

4.3 协同公共平台

新机场工程规模浩大，搭建一个公共平台极有必要。利用现有软件和网络计算机技术，借助互联网平台，建立一个可以共享资源信息的智慧工地平台(图23)。从自身基础上搭建，要求技术质量部、商务部、物资、财务等部门及各分包单位入驻平台。

BIM处将模型及信息导入平台作为基础，其余各相关部门也监理自己的子平台，在其上发布信息。技术部的图纸变更发布、质量部的检查通报、各分包的施工进度等等。真正使数据实时共享，为工程跨组织、跨专业多方协作提供更高效的沟通。下一步可以扩大平台，接入与甲方、指挥部、监理部门相关工作平台，真正实现建设参与各方的数据资源共享。

5 项目应用效果及效益分析

5.1 经济效益

利用BIM技术实现了基于BIM的进度、生产及成本管理，使各专业之间更好地协同，降低了返工率，降低了材料消耗，优化场地布置，材料运输路线，节约运输成本。共节约建造成本1 000万，总缩短工期97天。

5.2 社会效益

实现基于BIM的现场文明安全标准化施工，规范化施工，获得示范工程5项，得到社会认可。

5.3 技术创新

应用BIM技术创新解决了工程中遇到的难题，获得国家QC成果奖1项，专利3项，工程运用了建筑业10项新技术中10个大项，47个小项，其他创新技术5项。

5.4 团队管理

通过BIM云平台的建立，使得各参与方沟通效率极大提高。针对各方提出的问题，利用BIM技术形成BIM解决方案，制定建模标准和应用流程，探索项目管理新模式，提升了精细化管理水平。

图23 BIM协同平台

6 总结

北京大兴新机场建成后将成为世界上最大空港，在全世界备受关注。积极利用BIM技术，在工程建设的各个阶段辅助施工。设计阶段，模型蓝图的提前搭建让各参建方能够根据效果蓝图更好地做出决策。在二次砌筑时，房间布局的变化，可以利用三维模型来进行确认，然后利用三维模型出二维图纸；施工阶段，利用三维模型进行现场交底。对复杂工艺，制作三维交底视频，更直观明确；导入时间、质量等参数进行5D施工进度管理。这些都为新机场建设提供了新的技术手段。BIM不仅仅是个搭建模型的软件系列，更是一个建筑过程中各类信息数据存储媒介。建筑施工要统筹施工过程中的人、机、料、法、环等诸多环节，是一个空间与时间、成本、安全、质量、管理各种信息综合统筹协调的过程。没有BIM，这些数据信息量之大，关系错综复杂，仅仅依靠智能技术是不可能完成的。所以BIM和智能技术在施工中的集成应用是必然趋势，这样建筑行业的发展才更加顺利，建造方式才能实现彻底转变。