基于BIM技术的大型异形公共建筑智慧建造研究与应用

田仲翔 严心军 张 涛 刘丕先 张超甫

(1.中铁建工集团有限公司建筑工程研究院，北京 100160；2.中铁建工集团有限公司西南分公司，贵州 550000)

引言

随着科技进步和社会的发展，人们对于建筑物多元化的需求越来越高，新建公共建筑逐渐呈现出面积大型化、功能复杂化、造型多样化的特点，这对于建筑施工行业提出了更高的要求。传统建造方式和管理模式在科技高度发展的今天，往往难以满足智慧建造和精细化管理的需求，而近年来，随着BIM技术的发展，建筑业迎来了新的发展机遇。从单纯的建筑信息模型，到BIM与VR、GIS等技术相结合的“BIM+”应用，再到以BIM为核心的数字化建造，信息技术与建筑业发展的融合取得了突破性进展。本文以成都自然博物馆施工为例，对基于BIM技术的大型异形公共建筑智慧建造做进一步的探讨。

1 工程概况

1.1 项目简介

成都自然博物馆项目位于四川省成都市成华区成华大道十里店路以东，二仙桥东三路以北，成都理工大学西侧，总建筑面积50 520m2，地下一层，地上四层。其中，地下建筑面积14 688m2，地上新建建筑面积31 856m2，老馆加固改造面积3 591m2。

成都自然博物馆整体造型新颖独特，其设计灵感源自四川地区“连峰去天不盈尺，枯松倒挂倚绝壁。飞湍瀑流争喧豗，砯崖转石万壑雷”的独特地理盛景，致敬蜀山、蜀道、蜀水，以抽象的建筑造型，重现伟大的自然盛景。

图1 成都自然博物馆效果图

本工程地下室为钢筋混凝土结构，地上为钢框架+支撑，屋面为焊接球网架结构，外幕墙主要为干挂石材幕墙、竖明横隐玻璃幕墙，屋顶主要为采光顶系统和石材装饰屋面构成。

1.2 项目重点难点分析

(1)场地狭窄，现场临时场地有限。平面不规则、空间不规则结构施工组织顺序及质量、工期保障难度大。

(2)地上钢结构造型复杂、跨度大、施工工艺复杂，质量控制、安全保障要求高。

(3)幕墙造型新颖独特。国内首创双层异形幕墙设计，内幕墙为铝板，外幕墙为干挂石材幕墙，中间空隙容纳LED照明系统和检修马道，施工难度大。

(4)建筑内部空间形势复杂，机电系统繁多，地上管线须穿越钢桁架，管线排布难度大，末端定位困难。作为地标建筑，功能及观感质量要求高，对于机电安装及装饰装修都提出了较高要求。

1.3 应用目标

(1)建立全专业、高精度的建筑信息模型，实现基于BIM技术的智慧建造在项目全生命周期中的应用[1]。

(2)针对本项目重点难点，运用BIM技术优化施工组织，把控施工质量、安全、成本和进度。

(3)通过BIM技术对机电、幕墙、钢结构等专业进行深化设计，优化施工方案和指导现场作业。

(4)通过BIM管理平台，解决工程项目建设中“监管力度不强，管理手段落后”的难题，实现对施工现场“人、机、料、法、环”的全面掌控。

2 应用路线

2.1 标准化模型建立

完整的BIM模型是实现基于BIM技术智慧建造应用的基础，一个完整的建筑信息模型应包含两部分内容，一是完整的三维模型本身，二是三维模型中所包含的完整信息，即满足工程应用中对于模型精度和信息深度的要求。

由BIM负责人负责收集、整理设计院下发的图纸，并对图纸版本、设计变更及收发文进行总控，保证所有参与人员信息的一致性和对称性。各专业工程师收到图纸后，按照建模标准的要求对各专业BIM模型进行创建，并保证模型的几何精度和信息深度满足各阶段要求。

2.2 基于BIM的施工组织优化

施工组织设计，是用来指导施工组织与管理、施工准备与实施、施工控制与协调、资源配置与使用的全面性技术、经济文件，是对施工活动全过程进行科学管理的重要手段[2]。

针对本项目重点难点，通过BIM技术优化施工组织设计，主要表现在以下几个方面：

(1)基于BIM的施组平面布置优化

对各阶段施组平面进行三维建模，充分利用BIM可视化和可优化性的特点，优化水平方向和垂直方向的交通组织，立体规划生活区、办公区、材料加工区、材料堆场、施工道路、大型机械设备、临水临电的布置[3]，使施工总体部署更加科学合理，最大程度地提高生产效率。

A：钢结构模型，B：建筑模型，C：石材幕墙模型，D：玻璃幕墙模型，E：机电模型，F：整体模型图2 成都自然博物馆各专业BIM模型

图3 自然博物馆三维场布

(2)基于BIM的施工模拟

通过BIM模型与施工进度计划相关联，可以实现工程全阶段的虚拟建造，根据工程各种具体条件，优化施工方案、施工流水、劳动力组织和技术组织措施等，为指导开展紧凑、有序的施工活动提供依据[4]。在施工过程中，也可作为工程进度的形象控制目标，通过无人机、全景相机等设备采集各阶段现场实际形象进度信息，与同阶段虚拟建造模型进行比对，及时发现偏差并采取合理的应对措施，调整作业安排，实现进度的动态管控。

图4 地上钢结构安装阶段平面布置

(3)基于BIM的工程量统计

将成本及相关材料资源数据录入到模型当中，在进行施工模拟的同时也可实时查看在各个时间节点和施工段相关资源的投入情况[5]，直接为组织材料、机具、设备、劳动力需要量的供应和使用提供数据[6]。

2.3 基于BIM的钢结构工程智慧建造

成都自然博物馆钢结构共分为6个功能单体，通过桁架和单梁连接。主体由圆管斜柱+大跨平面桁架+单梁组成钢框架，屋盖为双层折面网架。项目总用钢量约1万吨。

2.3.1 基于BIM的大跨度复杂空间造形结构安装形变及精度控制

本工程钢屋盖造型复杂、跨度大，不同部位刚度差异大。屋盖呈平面折板造型，空间落差最高达12.2m，最大跨度37m。同时，屋面采用重屋面，焊接球体上部削冠方向与屋面坡度要求一致，现场定位困难。屋盖网架采用分块吊装的方式安装，施工过程结构受力状态与设计状态存在较大差异，易造成局部受力不均导致结构的变形，对安装过程精度控制要求高。

针对以上难点，基于BIM技术解决的措施如下：

(1)通过计算分析，制定合理方案，指导现场施工。

图5 成都自然博物馆整体钢结构总览

基于钢结构BIM模型，通过有限元分析软件Midas/Gen按照实际施工过程中结构的成型步骤、工况状态建立计算模型，对结构进行全过程计算分析，掌握各施工阶段结构的内力及变形情况，并根据计算分析结果，反向指导现场施工，如合理的规划、确定施工预变形，确保结构吊装施工过程和最终成型状态的整体位形满足精度要求。

(2)加强实测实量监控

通过钢结构计算模型提取坐标点，在安装过程中对结构关键部位点利用全站仪全程跟踪测量，当发现安装误差超过设计值时，及时进行校正。

(3)三维激光扫描校核纠偏

通过三维激光扫描，获取钢结构的实际三维点云数据。生成三维点云模型后，与钢结构计算模型进行比对，及时发现、纠正误差，保证施工质量。

图6 网架屋盖吊装成型施工模拟仿真分析

图7 各施工步结构杆件应力比分析

2.3.2 基于BIM的外立面斜钢柱安装保证措施

本工程结构外立面钢柱为折线斜柱，从地面起向结构外倾斜，到了二层楼面位置时又向内倾斜，与垂直面最大夹角达33°。钢柱分段数量多、偏移量大，且钢柱倾斜方向和角度各不相同。如何确保外框钢柱的施工质量是本项目的难点。

基于钢结构BIM模型，对施工方案、施工工艺、施工工序进行模拟，直观地了解整个施工组织和工序安排，并清晰把握施工过程中的难点和要点[7]，在不消耗实物的前提下达到对施工方案和施工工艺的优化，最终确立了以下几点应对措施：

(1)采用无缆风绳施工技术，通过对钢柱分段间的临时连接耳板及安装螺栓进行设计，并经过力学计算分析，保证能够满足钢柱对接的临时稳固，解决了吊装空间受限的问题，加快施工进度。

(2)高精度全站仪测量定位。柱底通过四条定位线与下节钢柱对齐； 柱顶管口中心和关键牛腿角部设三个测量控制点，通过钢结构深化模型给出安装空间坐标，利用全站仪进行测量定位； 为避免累积误差，每节柱的定位轴线均地面控制线为基准线上引，不得从下层柱的轴线上引[8]。

(3)采用液压千斤顶组合操作装置来实现倾斜钢柱构件的校正。

图8 柱底设四线定位过程模拟

图9 钢柱现场安装

2.4 基于BIM的机电安装智慧建造

2.4.1 基于BIM的机电深化

作为一座现代化、智能化的博物馆，必然导致馆内机电设备种类繁多，机电管线密集，系统错综复杂[9]。由于地上主体为钢结构，管线需从桁架和网架孔内穿过，更是增加了机电安装工程施工难度。为了确保施工质量，通过BIM技术对机电管线进行深化设计，合理优化管线排布，指导现场施工作业。

(1)在满足规范的前提下，合理、紧凑地布置机电管线，满足控高要求，控制成本、优化系统，为业主提供足够的检修、使用空间[10]。

(2)通过对系统的计算与校核，建立检查清单，以优化系统参数及设备选型。

(3)针对尺寸较大，无法穿桁架的风管，进行合理拆分，保证风量不受影响，如图10所示。

图10 穿越钢桁架管线优化

(4)输出管线综合排布图、专业管线图和预留孔洞图，用于指导现场施工，避免后期由于图纸问题或管线碰撞造成拆改。

2.4.2 基于BIM的风管预制加工

将BIM机电深化设计模型导入Fabrication软件中生成预制加工模型，通过输入真实的加工数据，如材料、规格、法兰等相关信息，实现对风管的自动分段以及钣金展开，并生成CNC数控代码。将CNC码导入等离子切割机和五线机等风管加工设备，可以实现风管和管件的快速生产。

通过风管预制加工，一方面使大量原材料和加工任务搬离了施工现场，减少了对现场的占用及依赖，另一方面可以做到“量体裁衣”，大大减少了材料的浪费，提高了生产效率，做到了真正的“绿色施工”。

图11 碰撞报告及BIM出图

2.5 基于BIM的幕墙工程智慧建造

本项目主要幕墙类型包括石材幕墙系统、竖明横隐玻璃幕墙系统、采光顶系统、石材装饰屋面系统、单层防水卷材及石材屋面装饰系统、雨篷系统等，其中石材幕墙系统由内层铝板幕墙体系、外层石材幕墙体系组成。幕墙与钢结构通过钢支托进行连接，内外层幕墙间距约800mm，内置LED照明系统及检修马道。

图12 风管预制加工流程

图13 预制构件生成、钣金展开及成品加工

受博物馆异形、多折面的外部造型影响，每个馆包含了十几个展开面，在各展开面交接位置处全部为异形石材板块，板块大小、切角角度各不相同。各馆异形板类型近上千种，且不同类型的石材数量仅为1块，现场施工难度极大。

图14 成都自然博物馆幕墙系统

针对以上难点，基于BIM技术的解决措施如下：

(1)深化设计：以钢结构深化模型为基础、幕墙设计图纸为基准，采用Dynamo对幕墙进行深化设计，建立高精度幕墙深化模型。

(2)放线定位：在深化模型中提取各构件的坐标点位直接用于放线定位、钢结构变形检测、龙骨定位复核、面板安装定位控制等。在本项目中，累计提取坐标点近10 000个。

(3)材料下料：深化模型可直接用于钢牛腿、龙骨、铝板、石材下料，同时可统计各构件的工程量，用于施工组织、进度计划的编制、工程结算的依据等。

图15 幕墙建模、编码、下料与安装

2.6 基于BIM的集成管理平台应用

为了提高项目整体信息化管理水平和BIM应用水平，项目采用了集团公司自主研发的智慧工地管控云平台，一方面服务于应用需求量大、能为项目带来实际效益的应用点，另一方面可以提前发现并解决项目管理中潜在的问题，减少施工过程中的管理遗漏，预警监控施工和管理中的各类风险，达到互联协同、全面感知、辅助决策、智能生产、科学管理的目的。

图17 视频监控模块

智慧工地管控云平台集轻量化模型、人员管理、机械管理、材料管理、施工管理、监测监控及绿色施工等模块为一体，综合运用BIM、GIS、物联网、云计算等技术手段[11]，通过各类传感终端采集数据，实现建设环节中人、机、料、法、环的智能分析、人性化操控管理和集成展示，为项目增效创优提供平台支持。

图18 基于平台的BIM模型轻量化浏览

3 效益分析

3.1 经济效益分析

通过基于BIM技术的智慧建造应用，有效提升了项目的精细化管理水平、施工质量及施工效率，保障了项目施工误差控制及美观度要求，避免了后期拆改和粗放施工导致的材料、设备、劳动力浪费，为项目创造直接经济效益200.13万元，节约工期40天。

3.2 环境效益分析

通过机电管道，钢结构网架，幕墙龙骨、铝板、石材等构件的场外预制，减少了现场加工、焊接和涂装作业，减少了环境污染和资源的浪费，也减少了施工现场高空作业的时间，改善了工人劳动环境，做到了真正的“绿色施工”。通过智慧平台应用，在关键部位布置实时环境在线监测系统，实时监测现场环境状况，并可针对可能出现的污染及时采取措施，做到了环境保护的前置。

3.3 社会效益分析

成都自然博物馆填补了西南地区综合类自然博物馆的空白，将对外讲述中国西南地区，从喜马拉雅山脉到四川盆地广阔地域的自然演变和历史进程。未来，标本典藏、科学研究、展览展示为其基本功能，文化休闲为其延伸功能，共同为科普教育服务。通过成都自然博物馆智慧建造相关应用，保障了成都自然博物馆能够如期开放，让世界人民了解中国文化的同时，也让世界人民了解中国建造水平的提升。成都自然博物馆智慧建造的成功应用也对今后大型异形公建项目的开展起到了引领示范作用。

4 结语

对于建筑施工行业来说，智慧建造意味着在建造过程中充分利用智能技术及其相关技术，提高建造过程智能化水平，实现管理水平与施工质量的双提升。本文从6个方面总结了BIM技术在大型异形公共建筑智慧建造中的应用，为今后项目智慧建造的落地实施提供了参考。目前我国在智慧建造领域总体尚处于初级阶段，基础理论仍待突破，集成化应用仍有很大发展空间，相信随着社会的进步和科技的发展，BIM技术和智慧建造领域的应用将会越来越广泛、全面。