BIM技术在兰州某高校体育馆建设中的应用

毛瑞航，王宏辉*，范效平

(1. 兰州交通大学 土木工程学院，兰州 730070；2. 甘肃华成建筑安装工程有限责任公司，兰州 731100)

建筑信息模型(Building Information Modeling，BIM),是一种将二维图纸转化为三维模型的立体可视化技术.起初BIM的定义是将工程过程中各个构件的功能及技术要求信息集成到单一的模型中，到如今BIM的定义已经演变成对整个工程全寿命周期管理的一种技术，也即是建筑信息管理(Building Information Management，BIM)[1-2].与传统的二维设计不同，二维图纸设计是根据各专业分工进行分散性设计，不同专业之间信息沟通效率不足，而BIM模型可以将建筑物三维立体的展示出来，在项目的不同阶段，建设单位、施工单位以及设计单位等各个利益参与方可以在BIM模型中获取、插入、更新信息，以供其他参与方协同工作，借助此特点不同专业的人员可以在一个模型中进行探讨设计，更准确有效的传递专业信息[3-5].

近年来，随着国务院下发关于建筑业持续健康发展的政策推动，BIM技术应用已经成为评判一个项目好坏的重要指标之一[6].如何应用好BIM一直是建设单位与施工单位亟待解决的问题.目前还有很多企业对BIM的认知仅仅停留在“模型展示”层次，并不了解BIM真正的应用价值.本文将以西部某高校新建体育馆项目为例，通过分析BIM在施工过程中的应用效果，为后续需要深化运用BIM技术的同类工程提供参考.

1 BIM实施背景

1.1 项目简介

该体育馆地处兰州市安宁区某高校，总建筑面积39 500 m2，建筑基底面积7 600 m2，地下一层建筑面积23 000 m2，地上建筑面积16 500 m2，总投资2.753亿元.主馆地上一层(局部三层)，副馆地上两层，地下一层，建筑高度23.95 m，室内外高差0.15～0.90 m.建筑结构形式为现浇混凝土框架结构、钢结构球形网架屋盖体系.效果图如图1所示.

图1 体育馆效果图

1.2 工程特点及难点

本工程涉及深基坑、高支模、大跨度、大体积混凝土、钢结构网架等重难点工程.基坑开挖、支护结构形式多，支护形式有排桩、土钉墙预应力锚杆等;主馆屋盖为双层正放四角锥(局部采用三层网架)网架结构形式.副馆屋面为空间倒三角管桁架结构，主桁架跨度20 m，结构投影面积1 782 m2；管道有给排水、采暖、通风、空调、消防、喷淋等，并设有专门的管道设备层，较为复杂.

2 BIM实施方案规划

2.1 BIM应用目标

基于该工程，拟定BIM应用的目标包括：

1) 提高深化设计质量和效率.通过BIM建模，协调项目各方信息的整合，提高项目信息传递的有效性和准确性，减少图纸错、漏、碰、缺的发生.三维可视化交底，准确理解设计意图，避免施工错误[7].

2) 高质量模拟施工过程管理.在施工过程中对深化设计、施工工艺、工程进度、施工组织及协调配合方面高质量运用BIM技术进行模拟管理，实现工程项目管理由3D向4D、5D发展，提高工程信息化管理水平，提高工程管理工作效率，最终形成全生命周期施工管理数字化信息的竣工模型.

2.2 BIM实施方案

在使用BIM技术建模之前，需要对前期技术文件进行类型区分，规定统一的项目样板族、建模标准、命名规则等，各参与专业需采用同一模板，在统一的标准下建立模型[8].首先根据图纸，运用revit软件建造出体育馆的BIM模型，然后交付给建筑、机电、结构、幕墙、装饰等专业深化设计，结合三维模型提前发现遗漏错漏的地方，在正式建造前就给出解决方案.制定合理的BIM工作流程，通过统一的工作流程，保证BIM模型、深化设计和现场施工三者之间能够合理、高效的衔接和实施.具体流程如图2所示.

图2 BIM实施流程图

3 BIM技术应用

3.1 施工场地布置优化与模拟

该体育馆的施工难度较高，为了避免机械设备与材料进场时出现场地位置冲突而导致不必要工期延误，前期的场地布置优化显得尤为重要.

针对已经建好的体育馆整体revit结构模型，运用navisworks对施工现场进行场地布置优化，通过1比1建立模型(如图3所示)，对办公区、料场堆放加工区进行区域设置，规划模拟车辆设备进出路线，待场地优化完毕后，为了进一步检测塔吊的吊臂转弯半径是否满足要求，对塔吊进行吊装流程模拟.首先把钢结构吊装计划进度写入fuzor，之后把建好的revit钢结构模型按照吊装顺序进行结构拆分，布置到fuzor当中并设置好顺序，最后根据实际情况设置吊装机械数.通过模拟，吊装的施工顺序可以直观反映出来时间进度规划是否合理、吊装车臂长是否合适，有利于实际操作管理人员提前发现问题解决问题，节省时间的同时也降低吊装过程中的安全风险，减少资源浪费[9].体育馆副馆网架吊装模拟如图4所示.

图3 场布模型

图4 吊装模拟

3.2 管线碰撞与净高分析检测

综合管线施工一直是结构复杂的公共建筑施工中的重要工作，决定着建筑物交付后整体的使用效果[10].设计人员在二维图纸上表现管线的形式基本为线条与符号，无法反映管道的真实尺寸及周边现状，而利用BIM模型就能够准确的集成展现各专业的管线立体排布，大幅提高管线优化效率[11].通过fuzor对体育馆副馆的乒乓球室BIM模型进行净高分析(如图5所示)，发现风管高度与天花板净高产生了碰撞冲突，吊顶无法安装，如果仅按照图纸难以判断如何优化风管的转向，但依据BIM模型能够360°剖切任意面的特性，就可以轻易的发现楼梯平台背侧与踏步之间的空腔位置留有富裕的空间可以令风管调整转向，这使得本应出现在施工过程中的难点在施工前得到了解决，减少了返工带来的资源浪费[12-14].

图5 乒乓球馆调整前后模型

3.3 高支模节点深化设计

高支模脚手架承担模板上部的重量，其架体节点间距密集、立杆排布复杂，极易发生事故.据统计，高支模坍塌事故造成的人员伤亡占建筑业较大事故人员伤亡总数的30%以上[15].由于该体育馆项目钢筋砼看台与主管网架的净高要求较高，与之对应的模板工程量也会增多，因此，为了保证施工安全，事前对高支模工程进行深化设计极为重要.

3.3.1 钢结构模型构件与拆分

本工程通过tekla软件对看台及网架的外围脚手架进行建模设计(如图6所示)，首先建立好所分析构件的轴网与标高，并填入节点构件横竖杆件的规格，再向建立的扣件模型输入受力数据来分析承载力及稳定性，输入不同的杆件起点、终点、标高及位置，便能够分析不同位置的受力.

图6 tekal钢构件深化设计

3.3.2 节点钢构件受力分析

针对tekla模型分析节点横竖杆受力计算内容如下：

1) 立杆稳定性验算

长细比验算：

λ=l0/i=91.195≤210.

(1)

式中：l0为立杆步距与长度系数的乘积，根据工况该处为1.45 m；i为立杆截面回旋半径，该处为15.9 mm.

稳定性验算：

σ=γ0[N/(φA)+Mw/W]=40.733 MPa≤[f]=300 MPa.

(2)

式中：γ0为结构重要性系数，一般取1；N为立杆轴心压力设计值，根据工况该处为8.012 kN；φ为稳定性系数，该处为0.542；A为立杆截面面积，该处取450 mm2；Mw为立杆段由风荷载设计值产生的弯矩，该处为0.037 kN·m；W为立杆截面抵抗矩，该处为4 730 mm3；f为立杆抗压强度设计值，该处为300 MPa.

2) 横杆抗弯验算

σ=γ0Mmax/W=36.405 MPa≤[f]=205 MPa.

(3)

式中：Mmax为最大弯矩，该处为0.141 kN·m；W为间横杆截面抵抗矩，该处为3 860 mm3.

3) 纵杆验算

抗弯验算：

σ=γ0Mmax/W=49.5 MPa≤[f]=205 MPa.

(4)

式中：Mmax为最大弯矩，该处为0.191 kN·m；W为间横杆截面抵抗矩，该处为3 860 mm3.

盘扣节点连接盘的抗剪承载力验算：

FR=γ0(2R端部+R1)=1.9 kN≤[Qb]=40 kN.

(5)

式中：R端部为纵向横杆支座力反力，该处为0.641 kN；R1为横向横杆传递给纵向水平杆的集中力极限状态0.625 kN.

经计算荷载皆满足要求.为了进一步确保所得荷载的有效性，尝试将tekla扣件模型(如图7(a)所示)载入Ansys进行有限元分析，经测试首先应将tekla模型经IFC转化为revit格式，再通过revit输出dwg文件，注意在输出为dwg时属性栏中需选择ACIS Solids，之后再由CAD打开此文件输出为iges格式，再用ansys加载iges文件(如图7(b)所示)，加载成功后应注意mesh划分，对于复杂的构件应该把无效的受力部位归为一类，减少ansys计算压力.得到的最终结果用来指导施工，不仅满足结构要求，也使施工过程更加安全、效率，保证了施工质量.

图7 模型格式转化

3.4 BIM应用的经济效益评估

经施工企业内部成本核算，本工程BIM综合应用为项目带来的经济效益，如表1所列.

表1 BIM应用的经济效益评估

4 结论

针对BIM技术的优势，结合高校具体工程项目开展了BIM应用实践，取得了以下成果.

1) 根据实际工程应用场景，在开工前建立了该体育馆基坑及办公区域的场地布置模型，据此模型规划料场堆放加工区的位置，避免了车辆设备进场拥堵问题，模拟了吊装过程，降低了施工风险.

2) 在管线排布方面，通过净高分析对主副馆管线进行碰撞排查，优化了密集管线的排布，指导机电人员对管线设计进一步深化，节省了时间与资源.

3) 在高支模板施工方面，采用了BIM+有限元分析的结合应用，对脚手架节点进行了多重荷载分析与深化设计，为施工安全上了双重保险；在吊装计划方面，利用软件对吊装进行进度模拟，规避了进度计划的缺陷，提高了施工效率.

4) 在成本控制方面，经企业内部成本核算该BIM应用共为项目节约成本约255万元.

随着信息化的不断发展，社会必然会对大型公共建筑的信息技术要求逐渐加深，建设单位对BIM的认知不能仅停留在展示层次，要逐渐协同设计、施工方推行深层次的BIM应用，使BIM发挥出其应有的商业价值.