基于分包数据联合设计的蚌埠市体育中心工程BIM 仿真技术研究

李险峰，徐成荣

（1.淮北职业技术学院，安徽 淮北 235000；2.中建八局第三建设有限公司，安徽 桐城 235000）

0 引言

城市异形建筑具有形状繁杂、 各结构连接复杂等特点， 而传统的二维设计很难实现城市规划要求中的建筑灵动性［1-5］。如何直观方便地表达复杂异形结构成为传统设计的瓶颈问题。 建筑信息模型（Building Information Modeling，简称BIM）技术是Autodesk 公司于2002 年提出的一种应用于工程设计、建造、管理的数据化工具［6-7］。 目前，该技术已广泛运用在水利、建筑、城市规划、地下隧洞等领域［8-10］。国内外众多学者利用BIM 技术对建筑施工过程进行设计的指导， 取得了较好的效果。 如王蒙利用BIM技术对桥梁工程的三维设计施工过程进行了全面仿真［11］；刘占省将BIM 技术运用到徐州奥体中心体育场工程的施工管理中，实现了施工的全过程模拟［12］；边延凯利用BIM 技术，采用层次分析法，基于建筑项目中规划阶段、设计阶段、施工阶段和运维阶段的17 个主要应用点，对某建筑工程中的全生命周期进行了仿真模拟［13］。 以往对BIM 技术的应用研究大多是针对某一特定范围进行研究， 缺乏大型分包数据的联合设计过程。 笔者试以蚌埠市体育中心工程为依托， 将分包数据的联合设计方法应用到该工程的BIM 设计中，以期为大型异形结构设计提供参考。

1 工程概况

蚌埠体育中心是安徽省第十四届运动会的主会场，主要由体育主会场、体育馆、多功能综合馆、体校及景观塔构成，总建筑面积为1 447 511 m2。 在进行该体育中心设计时，为了体现运动会主题，体现“龙行天下，龙腾戏珠”的理念，融入了“龙”元素，整个场馆被设计成蛟龙形态。 蚌埠体育中心总体布局如图1 所示。

图1 工程俯瞰图Fig.1 Project overlooking view

体育主会场建筑面积大约为41 399 m2，平面为两个圆形区域（直径约为256 m），结构主要包括由钢筋混凝土组成的看台及两侧的钢罩。其中，混凝土看台分为东、西、南、北四个方向，整体外围设计为环形的高架， 主要功能为会场物资的运输及观众的运移。 体育场的钢罩采用曲率极大的异形实腹钢梁及多点圆管，悬挑高度为55 m，最低建筑高约为10 m。圆形体育场的正视图如图2 所示。

图2 体育场正视图Fig.2 Front view of stadium

2 分包数据联合设计方法

2.1 工程特点

蚌埠体育中心工程项目的主要特点为：（1）工程为公共建筑，结构复杂，采用传统二维图纸表达信息存在一定的局限性， 特别是对于钢罩这样的异形结构， 利用二维设计基本不可能全面表达设计理念；（2）钢结构量大，且造型复杂，构件奇特；（3）金属屋面造型新颖， 直立锁边上加装龙鳞装饰板， 全球独有；（4）机电管线多，且多为弧形管线；（5）幕墙多为异型曲面，引用BIM 技术进行深化设计，通过软件定位进行数据提取，指导现场施工；（6）工程造价近13 亿，合同工期仅556 天（18 个月），工期压力大。

同时，项目由总包商牵头组织BIM 各项工作的开展，涉及土建、机电、钢结构、幕墙等专业，各专业均有自己的BIM 软件，各软件之间的数据通道并不相容。基于此，本文提出了分包数据联合设计方法的概念。

2.2 分包数据设计

分包数据联合设计方法是应用Navisworks 软件对各个BIM 设计软件 （包括AutoCAD、Revit、Navisworks、3ds MAX、Tekla tructure、Midas Gen、Rhinoceros、SCENE、Geomagic Qualify、Rapidform XOR3 和Grasshopper）进行整合，其数据格式及分包示意图如图3 所示。

关于各个BIM 设计软件的应用， 主要分工如下：AutoCAD 主要是进行简单构型的设计及图纸的二维处理；Revit 主要是进行土建、 钢结构及机电的三维设计；3ds MAX 主要是进行方案的模拟与优化；Tekla tructure 主要是进行钢结构的深化；MidasGen 主要用于结构计算， 保证设计结构安全稳定；Rhinoceros 主要是进行幕墙表皮分割；SCENE 主要是进行三维扫描数据整合；Geomagic Qualify 主要是进行点云数据分析对比；Rapidform XOR3 主要是进行点云数据逆向处理；Grasshopper 主要是进行幕墙曲率分析， 而Navisworks 则主要将前述软件的不同格式进行整合，以模拟施工方案及施工进度。

图3 分包数据联合设计法Fig.3 Subcontracting data joint design method

3 基于分包数据联合设计的内容

3.1 钢结构深化

传统钢结构多运用二维出图， 效率低且容易出错。 蚌埠市体育中心工程运用BIM 软件建立钢结构模型，完成了钢结构节点的深化工作，并直接生成构建加工图，指导加工下料。该工程含有74 个劲性柱，运用BIM 软件对劲性柱复杂节点进行钢筋的深化，对钢筋穿插钢骨、预埋板等做法进行三维优化，通过可视化交底， 让钢筋工了解各类节点钢筋与钢结构如何穿插施工。 基于BIM 建模的钢结构深化设计如图4 所示。

3.2 砌体工程中BIM 应用技术管控

由于蚌埠体育中心的砌体工程复杂，且工程工期短，质量要求高，因此采用以下设计流程指导设计及施工安装。 （1）在碰撞检查无误的模型内，用revit 软件在砌体上根据穿墙管线大小建立洞口模型。 （2）根据建好的洞口模型， 按单体或按层生成预留洞施工图，并交给现场管理人员及相关分包单位签收。（3）现场按预留洞施工图预留洞口，并跟踪检查，及时纠偏。

根据以上步骤所建立起来的砌体BIM 设计施工流程，积极采用BIM 技术排砖，指导现场施工。 经现场不完全统计， 墙体除部分应业主要求变更拆改外，其余无任何墙体拆改。 在砌体工程中，基于BIM技术的管控流程如图5 所示。

图4 基于BIM 建模的钢结构深化设计Fig.4 Steel structure deepening design based on BIM modeling

图5 砌体工程中BIM 应用技术的管控Fig.5 Management and control of BIM application technology on masonry project

3.3 体育场外环梁设计深化

体育场外侧环梁呈双曲面变化。 由于工程工期十分紧迫， 设计院无法及时提供充足的二维剖面图纸，所以，施工时无法根据图纸确定环梁曲率变化，从而使现场测量定位难度加大。 采用BIM 技术对外环梁进行设计，解决了这一难题。 基于BIM 技术的体育场外侧环梁设计如图6 所示。

3.4 龙鳞装饰板设计及施工流程

图6 基于BIM 技术的体育场外侧环梁设计Fig.6 Ring beam design of stadium outer based on BIM technology

为体现第十四届省运动会“龙行天下， 龙腾戏珠”的理念，特地融入“龙”的元素。 即在变化起伏的6 万m2金属屋面上加装5 万m2的龙鳞装饰板，此造型为国内首例。 龙鳞板随金属屋面起伏而呈不规则变化，空间为双曲面造型。 每一块龙鳞板均需要相对独立定位，从设计到施工安装均为本项目的控制难点。

本次BIM 设计严格遵循分包数据联合设计方法的理念，设计过程分为表皮分割、确定效果、数据提取3 步，其流程如图7 所示。（1）表皮分割。根据设计院给定的金属屋面表皮轮廓， 在犀牛软件内进行龙鳞表皮分割。（2）确定效果。 对各版本分割成型的龙鳞样板及效果进行对比分析， 供业主确定最佳分割效果。 （3）数据提取。 确定龙鳞板分割效果后，在Grasshopper 软件内，将每块龙鳞板单独编号，并对三维坐标进行数据提取，提供给现场施工人员，指导现场施工。

图7 基于BIM 技术的龙鳞设计流程Fig.7 Dragon scale design flow based on BIM technology

在龙鳞的施工安装阶段，BIM 技术应用流程如图8 所示，具体为：（1）现场根据每块龙鳞装饰板三维数据坐标， 以其中一个最低点H0的曲面为基准面。 （2）以H0所在的曲面为基准面，分别按照高度H1、H2偏移出两个曲面， 确定出龙鳞板的另外两个点（点1、点2），根据三点（H0、点1、点2）确定一个面的原则，完成一片龙鳞板的定位。（3）由于屋面工程的紧前工作为钢结构， 所以屋面表皮模型必须与钢结构模型吻合， 以防止由于钢结构模型误差改变外装饰面造型尺寸。 （4）运用全站仪进行现场数据复核，如有偏差，则及时调整钢结构尺寸和外皮模型。

图8 基于BIM 技术的龙鳞施工流程Fig.8 Dragon scale construction flow based on BIM technology

4 结语

分包数据联合设计方法就是将AutoCAD、 Revit、 Navisworks、 3ds MAX、 Tekla tructure、 Midas Gen、 Rhinoceros、 SCENE、 Geomagic Qualify、Rapidform XOR3 和Grasshopper 等传统BIM 设计软件集成到Navisworks 软件中进行整合， 它实现了不同专业软件的联合设计过程。 蚌埠体育中心工程建筑结构复杂、工程量大、工期短，设计方应用分包数据联合设计方法进行了钢结构深化；在砌体工程中，应用BIM 技术进行管控、 体育场外环梁设计深化及龙鳞装饰板设计并指导施工，取得了成功。该技术可供大型场馆设施的BIM 设计及异形结构的联合设计施工借鉴。