BIM技术在超高层寺庙建筑中的应用

(中国建筑第八工程局有限公司，上海 200135)

1 工程概况

1.1 项目简介

太平报恩寺重建项目，位于华东地区，总用地面积5 799.6 m2，总建筑面积3 2240m2，其中地上建筑面积约24 661.44m2，地下建筑面积7 578.56m2，由一幢25层(裙房5层)、地下2层的超高层塔楼组成。其地下二层为卧佛殿、舍利塔区，地下一层为汽车库，裙房分布有罗汉堂、上香广场、天王殿、大雄宝殿、观音殿、药师殿、钟鼓楼等，塔楼中部主要为办公场所，塔顶为金刚宝座塔。项目效果图如图1所示。

图1 项目效果图

1.2 工程重难点

本工程为一座超高层塔式佛寺，设计打破常规，采用“塔寺合一”、功能区竖向布局方案，和国内常见的四合院、平面式寺庙布局有明显不同，其造型、布局在国内外均比较罕见，工程重难点主要有以下6点：

(1)佛寺底部地宫，用于安奉舍利，其内饰效果需达到整洁、美观、庄严，在舍利安奉法会后，考虑舍利及配饰物品安全，地宫顶板需快速封闭，所以1.3m厚地宫顶板免支模施工是难点；

(2)塔楼底板厚2.4～5.8m，其夏季大体积混凝土裂缝控制和钢筋支架安全是重点；

(3)卧佛殿空间狭小、工厂加工条件受限，项目现场场地小、佛塔地上结构正常施工等对地下二层超大卧佛和卧佛殿设计、铸造、安装造成巨大困难；

(4)佛教功能区是寺庙重心，其装饰效果异常重要。但是寺庙主持非建筑专业人士，无法通过图纸表达和确认，采用常规样板间等方式确认周期长，所以装饰装修效果及时确认是重点；

(5)宋式营造法式木作，构件繁多工艺复杂，超高塔式佛寺的木作设计、施工更是难上加难；

(6)佛塔顶部密檐式金刚宝座塔飞檐翘脚、异形大曲面造型复杂，钢铜组合结构两者配合的设计与施工难度非常大。

2 BIM团队组织

为了圆满、顺利建设这一特殊寺庙，我们在局设计院和技术中心支持下，建立了以公司BIM总监牵头指导、经理部总监牵头策划，项目总工负责协调、实施，三个BIM组负责具体执行的管理架构。项目BIM组织机构如图2所示[1]。

3 BIM应用

3.1 超厚地宫顶板应用

佛寺底板下地宫，乃寺庙圣地，在舍利安奉后需立即封闭，封闭后地宫内部要整洁、美观、庄严。而地宫四周混凝土结构非常厚，其中顶板厚度1.3m，跨度8m，顶板上方安装一座超20t舍利塔(见图3)。同时考虑舍利安奉法会举办流程、地宫内部成品保护及作为项目进度计划关键工作的地宫顶板快速施工等不利因素，地宫顶板无法采用常规模板支撑架、预留拆模洞口施工方案，见图4所示。

图3 地宫结构示意

为了克服上述不利影响，本项目首先对比分析了超厚叠合板、多种钢—混凝土组合结构的可行性方案，通过TEKLA、PKPM、ANSYS等软件计算分析，初步确定将1.3m厚钢筋混凝土顶板优化为1.3m厚组合钢混结构顶板的方案。然后通过计算软件和Revit软件模型数据分析、转换，Navisworks吊装模拟，项目研发了一种超厚地宫顶板分层、分块、免支模快速施工方法，将1.3m厚地宫顶板分下层500mm厚劲性板及上层800mm厚钢筋混凝土楼板两层施工(见图5)，下层500mm厚劲性板钢骨分三块预制拼装(见图6)，能实现舍利安奉法会结束后地宫1h内初步封闭，顶管顶板整体施工速度快，工厂化机械化程度高，人工劳动强度低[2]。

图4 常规施工方案示意

图5 地宫顶板钢结构模型分析图

图6 劲性板钢骨分块吊装施工

3.2 超厚大体积混凝土筏板应用

塔楼区域筏板厚度最大达到5.8m，为了保证地宫及卧佛区域底板施工质量，夏季高温季节控制大体积混凝土的裂缝发展是施工重点。项目通过ANSYS软件分析，结合现场栈桥和底板高差、基坑降水回收利用，研发了超厚筏板冷却循环水降温工法(示意见图7)，能有效控制大体积混凝土温差，实现节约电、节约水资源目的。

图7 超厚筏板冷却水管降温示意

同时，超厚筏板钢筋支架安全和快速施工也重点，所以将钢筋支架设计成钢管支撑架。之后，利用Revit对冷却循环水水管和钢筋支架钢管进行统一设计与放样，将部分冷却钢管兼做钢筋支架水平杆，实现一管两用，节约钢管，见图8。

图8 冷却管施工图

3.3 超大铜铸佛像制作安装综合应用

地下二层安奉一尊超大铜铸卧佛，长21m，宽6m，高5.3m，重30.6t，尺寸大、重量重，加上工厂条件和铸造工艺限制、远距离长途运输限制、现场交通组织困难、塔楼主体结构同步施工以及卧佛殿空间狭小等不利因素，造成了卧佛设计、制作、安装及卧佛殿设计困难。

面对如此诸多困难，项目相关方全面分析超大铜铸佛像制作、运输、安装及卧佛殿设计各环节问题，统筹全过程，提出系统性解决办法——传统工艺+现代BIM相关技术融合应用。具体如下：

(1)首先通过传统工艺制作1： 100泥塑卧佛小模型，确认佛像姿态方案，见图9；

图9 泥塑手工艺1： 100小模型

(2)通过三维扫描采集已确认佛像模型数据，经处理可适用于各BIM软件，数据模型见图10[3]；

图10 三维扫描数据模型

(3)利用BIM软件辅助分析铸造厂条件和铸造工艺限制、远距离长途运输限制、现场内交通组织困难、塔楼主体结构同步施工及卧佛殿空间狭小等不利因素，经工厂制作模拟、运输模拟、现场安装模拟，确定适合制作、运输、安装各环节的最佳佛像分块方案(见图11)，及确定相应佛像上部结构设计调整方案、吊装预留洞口方案、佛像内部钢结构设计方案、佛像制作方案、运输和安装方案[4]。

图11 卧佛最佳分块方案

(4)将佛像分块数据转换、导入3D数控雕刻机床，实现佛像模型智能化加工，提高加工精度和加工效率，配合超大卧佛分块铸造。最后卧佛现场安装后，通过二次三维扫描，比对三维设计方案，核对安装质量，采用3ds MAX进行卧佛殿照明与装饰深化设计，见图12所示[5]。

图12 卧佛殿设计初步方案

3.4 金刚宝座塔铜钢结构设计综合应用

太平报恩寺塔顶金刚宝座塔由莲花座、塔基层、五方塔构成，为钢铜组合结构，外侧为铸铜结构，内部主体结构为钢桁架。莲花座异形大曲面，塔基层和五方塔飞檐翘角，造型独特，外形设计难度大、内部钢结构受力复杂以及钢铜之间连接设计特殊。针对这些困难，首先专业单位利用Rhino软件建立模型，进行外形设计，寺庙主持确定金刚宝座塔外形效果及整体空间布局[6]。

图13 结构受力分析图

然后设计院采用SAP2000、MIDAS进行铸铜结构、主钢结构和连接件等设计计算，如图13。最后反复校对铸铜和钢结构模型(如图14-15)确定钢铜之间安装空间、可调连接件，实现效果美观、设计可靠、施工方便的目的。

图14 莲花座铜构件模型

图15 莲花座主钢桁架模型

3.5 佛像模型确认与布局优化

寺庙佛像、法物多达568个，铸造或雕刻时间长，为加快制作、安装进度，项目通过三维设计确认其效果。同时针对罗汉堂空间小、500佛像多、布局和朝拜路线设计是难点，通过三维设计布局、VR浸式体验朝拜路线，多方案比较，寺庙主持确定最佳佛像布局，优化朝拜路线(见图16)[7]。

图16 罗汉佛像安奉效果模拟

3.6 木作深化设计和木构件放样应用

塔楼飞檐及裙房钟鼓楼等木作采用宋《营造法式》，建筑精美，但构件繁多、工艺复杂，如其斗拱可分为柱头辅作、补间辅作、转角辅作三个部分，各部分斗拱采用华栱、耍头、慢栱、下昂、栌斗、泥道栱、令栱等若干构件组成。因此，项目采用Rhino软件建立木作构件，将其导入Revit软件内建立木构件族，完成木作深化设计和确认(见图17)，同时完成木构件统计放样，配合构件粗加工[8]。

图17 木结构节点BIM模型

3.7 功能区装修应用

寺庙舍利塔区、大雄宝殿等功能区是寺庙重地，其装饰效果异常重要，通过3ds MAX设计功能装饰效果，结合VR沉浸式体验，方便了寺庙主持对装饰效果感受、理解，加快了装饰深化确认进度，见图18所示。

3.8 其他应用

(1)舍利安奉法会规划与预演

项目施工过程中穿插法会举办，项目管理要求非常高。项目通过活动场地规划和路线模型，如图19-20所示，确保法会过程300多名信众安全有序参与[9]。

图18 舍利塔区装饰效果图

图19 栈桥层场地布置和路线规划

图20 安奉路线模拟

(2)节点深化设计

对于底板局部深坑复杂钢筋节点、劲性柱梁柱节点、屈曲约束支撑预埋件节点进行BIM深化设计(见图21)，优化钢筋连接和排布，保证节点施工质量[10]。

图21 屈曲约束支撑预埋件柱头节点BIM 深化和现场相片

(3)总承包管理应用

以智慧工地、八局协同管理平台为介质，提高项目总承包管理质量、管理效率，智慧工地平台如图22。

图22 协同管理平台

表1 BIM应用经济效益

超厚地宫顶板通过BIM技术将1.3厚超厚地宫顶板进行设计优化,研发钢混结构免支模施工楼板,并进行分块及施工顺序模拟;免支模施工将项目总工期提前32日,综合成本节约了34.44万元;超厚大体积混凝土筏板通过BIM技术对超厚混凝土筏板冷却循环水水管和钢筋支架布置进行设计及放样;节约综合成本节约了1.61万元,加快施工进度20天;超大铜佛像制作安装传统工艺基础上,融合三维扫描、三维设计技术、3D数控雕刻等现代BIM技术,统筹自设计、铸造到运输安装等全过程施工;节约成本32.5万元,缩短卧佛制作安装周期75天;五方塔、莲花座钢结构设计运用PKPM、TEKLA等软件进行钢结构设计及建模,进行受力分析;加快钢结构设计速度避免工期延误;卧佛、舍利塔等功能区设计效果确认通过VR样板体验,让业主身临其境般地感受到舍利塔、卧佛等功能区设计效果;加快设计方案确认加快确认速度约2个月;节点深化设计对屈曲支撑预埋件、劲性柱钢筋、局部深坑等特殊部位进行节点建模放样,避免返修;节约施工工期约1个月节省预计返修费用约5万元;施工协调及进度管理通过中建八局自身研发的BIM管理平台进行施工进度管理,确保各施工面及工序的快速顺利衔接。节约施工工期约3个月。

4 项目BIM应用效果

(1)科技成果

通过BIM技术辅助，项目攻克诸多工程难点，获得了3项局级工法、5项省部级以上QC成果(其中2项国家级)、5项国家专利(其中3项国家发明专利)。

(2)BIM应用经济效益

(3)其他效益

舍利安奉法会等活动圆满举办，获得社会各界和佛教信众广泛好评，提高企业品牌影响力。同时也提升项目整体管理效率和人才BIM技术水平。

5 总结

以太平报恩寺重建项目为例，对BIM技术在超高层寺庙建筑中的工程重难点及其解决方案进行了探讨，BIM技术实施经验总结如下：

(1)传统工艺和现代BIM技术融合应用

佛像姿态变换万千，采用常规制作1： 1模型铸造佛像，效率低、成本高、工期长。通过三维扫描传统工匠制作的小佛像模型，采集数据，融合三维设计、3D雕刻技术等现代技术，提高佛像铸造效率、降低制作成本、大幅缩短制造工期。

(2)BIM多平台综合应用解决工程难题

BIM技术不仅应用于技术问题分析、施工模拟、场平布置、深化设计、智慧工地等常规应用，针对超高层寺庙建筑造型独特，项目还通过Rhino、Revit、3ds MAX、SAP2000、MIDAS、VR等软件或平台数据综合应用，解决金刚宝座塔、宋氏营造法式木作、功能区精装修等复杂设计、施工难题。

(3)经验教训

目前还没有某一软件或平台可以实现建模、设计计算、施工模拟、项目管理等多功能综合运用，所以在数据在不同BIM软件中转换常会丢失，需要及时检查、补充。目前传统木作BIM应用还停留在深化设计阶段，还无法做到建模设计计算、智能化加工。