BIM 技术在大型体育场馆中的设计应用

袁小芹 孟乐 曾维浩

（深圳市建筑设计研究总院有限公司，深圳 518000）

引言

深圳市于2021 年12 月7 日印发《深圳市人民政府办公厅关于印发加快推进建筑信息模型（BIM）技术应用的实施意见（试行）的通知》（深府办函<2021>103 号文，明确提出了工程项目的BIM 技术要求[1]。随着越来越多造型独特，结构复杂的大型项目增加，对于复杂空间的建筑设计采用BIM 技术无疑起到了非常重要的作用。

在本文深圳市体育中心改造提升工程项目中，BIM技术在设计阶段起到了极其重要的角色。通过BIM 技术,从项目设计方案阶段介入帮助在大型复杂体育场馆设计中解决诸多二维设计解决不了的问题。

1 项目概况

深圳市体育中心改造提升工程项目（以下简称“本项目”）位于笋岗西路、上步北路、泥岗西路围合的三角形地块。总投资49.2 757 亿元，总用地面积278 092.06 ㎡，总建筑面积为448 295.01 ㎡。本项目改造中包含的一场两馆约有33 年历史。

本项目设计的部分为拆除原有体育馆，重新建造一座1.5 万座的综合体育馆。改造升级后的深圳市体育中心将承载全民健身运动、竞技体育赛事、文化表演活动等多功能、复合型的综合性体育活动，成为面向国际化的创新型世界一流城市文体综合体[2]。体育中心鸟瞰图如图1 所示。

图1 体育中心鸟瞰图

本项目提出要具有国际视角的、着眼于未来、融合后期运营思路和理念，场馆智能化发展，让体育场馆建筑设计更具前瞻性，能兼顾文化、娱乐、演出等多种业态，体现文化、体育、娱乐、培训和商业等综合服务功能。

2 项目重难点

本项目BIM 应用重点、难点主要为项目定位高、工艺要求高、空间要求高、特殊的外立面造型、复杂的幕墙系统及结构体系，且要满足多种运营模式，布置灵活可变空间等。其中，体育场在保留原结构的前提下进行拆除改造更新，在保留原外形的基础上更新体育场，使其不打破旧建筑外立面同时又具有新的体育场馆功能要求。而大型体育馆大多为圆形、椭圆形，圆弧形走道对机电系统管线的精确要求更高[2]。

本项目设计阶段通过BIM 设计对方案论证、可视化决策、解决设计过程中各专业协同，将建设全过程中施工重点关注问题前置。结合深圳市BIM 政策要求，全过程BIM 应用要点，项目组在前期阶段制定了BIM设计管理体系、组织架构、实施方案、标准体系和软硬件环境等内容。从信息化、规范化和标准化三位一体的策略方案对项目进行管控，以BIM 技术为核心对设计全过程进行协同管控。

3 BIM 设计应用

3.1 BIM 设计流程

本项目设计全过程采用BIM 设计，从方案阶段开始进行方案推敲、辅助决策、设计优化、设计意向论证、设计问题查找、机电管线综合、净高控制、复杂工艺模拟、装配式BIM 等。设计BIM 成果最终移交至施工单位进行进一步深化。在项目的建设周期里，设计BIM 配合论证各类工程变更，验证变更修改的合理性。本项目BIM 设计工作流程如图2 所示。

图2 BIM 设计工作流程图

3.2 BIM 协同管理

本项目采用BIM 三维设计协同管理平台，实现模型浏览、多方协同、问题查找、问题回复追踪、数据测量、可视化决策、变更修改追溯等。BIM 设计优化过程中问题点位实时在平台进行标记，BIM 模型保持每周更新一版模型，项目参建各方可基于平台实时了解设计进度，同时在平台上对设计方案提出优化意见，实时对意见进行回复闭环，提升整体沟通效率，如图3所示。

图3 BIM 协同平台

基于Revit 软件创建的BIM 模型，而后转换BIM模型文件格式（如dwg 格式、sat 格式），满足其它三维设计软件的使用要求，协同各设计专项进行三维可视化设计，模型随时更新交互，确保设计方案可实施、经济美观，缩短设计周期[3]。幕墙、室内、景观和泛光照明等专业基于BIM 模型的精准性开展深化设计，既能解决碰撞问题，直观了解项目复杂节点位置造型，同时加快设计方案定稿，如图4 所示。

图4 设计专项协同

3.3 BIM 设计技术实施

BIM 设计技术实施分了方案对比、设计优化、管线综合、净高控制、弧形走道管线角度控制、弧形走道深化流程、参数化设计、BIM 设计模型传递至施工阶段、模拟分析和体育场改造10 个步骤。

（1）方案对比

通过BIM 模型的可视化及数据，对各类设计方案进行比选，加快方案定型，辅助设计举行专家评审会。比如，场馆外观造型通过Rhino 建模的效果表现、施工难度、成本等多维度进行六轮次方案比选工作。统计每种方案造型的成本、面板模具的标准模数，结合施工难易性等指标形成汇报文本资料。经过业主与专家评审决议，以成本控制及施工便捷性的角度进行外立面方案选择，最终敲定主要造型进行下一步的设计深化工作，如图5 所示。

图5 方案比选

（2）设计优化

基于BIM 模型进行设计优化工作。在创建模型过程中，整理汇总问题清单，与设计进行沟通协调，提升图纸质量。除将碰撞问题发布于设计协同平台外，还形成问题追踪销项表。在整个设计过程中，对各类的图面问题、碰撞问题、设计优化问题、各方审核意见等进行分楼层分专业汇总，共计600 余项，并对每个问题进行销项处理，通过多次复核校对工作，确保BIM 设计优化应用落实在图纸修改中。

在项目组制定的周例会上，依据会议议题准备好相关BIM 模型，各专业设计师基于BIM 模型进行方案调整及数据测量，基于三维可视化模式下的方案推敲，使得设计方案的落地性更精准、严谨、高效，如图6 所示。

图6 方案优化

（3）管线综合优化

利用BIM 技术进行的管线综合优化充分考虑设计与施工的可行性、管综的经济性、美观性。优先考虑综合支架、横管横平竖直。充分预留施工安装放线空间，后期的检修空间。基于BIM 初步管综模型导出各个重点部位剖面图开展管综排布方案讨论会，确定净高解决方案，待明确各楼层管综方案后全面实施管综深化工作[4]，如图7 所示。

图7 管线综合剖面图

（4）净高控制

基于BIM 的管线综合方案明确后，对重点区域如走道、电梯厅、行车道等进行管线细化调整与净高优化，设计依据净高数据进行设计方案调整及优化。经过8轮次的反复论证修改，优化机房布置及管线路由，将地下室车道由2.5m 净高提升至3m；体育场馆（层高仅4.2m）走道净高由2.1m 提升至2.4m，提升了项目整体的功能使用品质。明确净高达标后开展管综出图工作。同时将净高数据提资精装设计进行精装及二次机电的设计，加快内装方案的定稿及设计进程，如图8所示。

图8 管线综合净高分析图

待解决净高不足问题后，再对BIM 管综模型进行深化，做到DN50 以上的主管无碰撞，添加平面及剖面注释，基于BIM 模型导出机电管综平面图、水暖电各专业平面图及一次结构预留洞图。经过项目组三轮意见管综平面协调讨论，敲定最终BIM 管综图，BIM管综图经过细节调整修改后，直接作为施工蓝图，减少后续施工返工现象出现，如图9 所示。

图9 管线综合出图

（5）弧形走道管线角度控制

基于BIM 三维模型，对体育馆、体育场等弧形走道管线进行角度的精准控制，使管线角度统一整齐美观，满足市场常用的管道配件角度，方便施工安装，节省管件管材，如图10 所示。

图10 弧形走道管线排布图

（6）弧形走道深化

弧形走道深化要点为管线角度一致、曲率半径相同、管道长度统一，深化做法统一后，明确深化流程如下：

第一，弧形分析。确定管线角度，采用内接多边形的方法画出辅助参照线，多边形的边就是管线的参照定位线。体育馆弧形段每段角度为7.08°，每段之间的夹角为11.25°；

第二，拼接段数。根据特定角度，拼接弧形段数并分割长度。长度要符合现场安装实际情况，体育馆弧形段每段长度为5 000mm，共分为12 段；

第三，BIM 绘制模型。根据确定的角度长度，绘制BIM 模型，先绘制其中一个专业，其他专业以此为参照分别绘制，最后进行管线综合，如图11 所示。

图11 弧形走道角度分析图

（7）参数化设计

多曲面的外立面往往无法通过二维图纸进行设计表达，通过三维设计软件的应用，实现复杂造型幕墙的精细化控制[5]，确保项目质量、节省造价、提升工作效率。

深圳市体育中心改造提升工程项目的幕墙设计通过控制面的有理化、装饰条的模数化、面板的工艺标准化这三方面开展深化设计。通过参数化设计对外立面造型进行优化分析，结合面板材料选型，对比各种方案造价及优缺点，使方案效果得以延续，如图12所示。

图12 参数化设计

体育场屋顶平面由两两相等的四段标准圆弧组成，且圆弧与圆弧保持相切连续。使用标准几何体拟合现有造型，降低加工难度，降低造价，如图13 所示。

图13 幕墙分析图

通过截面拟合主体钢结构，对幕墙结构进行优化后节约钢材约1 000 吨。并对装饰条进行有理化方案的对比，减少板块模数、降低生产成本。将双曲面板块调整为圆柱面单曲板块降低成本，如图14 所示。

图14 幕墙模数对比图

体育馆幕墙通过对立面形体推敲设计，增强面板可重复性，以降低加工、安装的复杂度，优化后屋面为平缓曲面，曲线分部更加均匀，整体造型为连续造型。模具数量减少540 套，减少模具费用约两千万，如图15 所示。

图15 模具造价分析

在钢构设计中，采用SAP2000 为工作基础对主体钢结构选型进行优化。体育场钢屋盖结构由最初的悬挑管桁结构到拉、三角管桁拉、压环结构，再到最后的刚性空间拉、压环结构，提升了安全性、经济性及美观性。体育馆外幕墙钢结构由原双层结构，总用钢量约为2 100 吨，调整为现在的单层结构，现在整个侧面桁架用钢量约为1 500 吨，节省约600 吨用钢量，如图16 所示。

图16 钢结构方案分析

（8）BIM 设计模型传递至施工阶段

设计BIM 成果及模型沿用至施工阶段，施工BIM进行深化及过程变更管理，BIM 模型变更由设计BIM负责论证校对，施工BIM 基于设计提资模型资料进行施工深化应用，双方共用一套BIM 模型。模型基于施工BIM 管理平台进行交互使用，整个设计与施工BIM在过程中紧密协同，从提资、到更新、再到确认，设计总包与施工总包充分协作，将模型作为重要的信息载体，过程中的管理由为重要，设计阶段保证图模一致，通过全过程传递BIM 模型实现了设计模型可为施工阶段使用[6]，解决以往有设计模型，但施工仍要重新搭建模型的重复工作情况，从而将建设全生命周期各建设时段产生的BIM 数据信息从设计阶段传递沿用至后期运维[7]，如图17 所示。

图17 设计BIM 与施工BIM 协同流程图

（9）模拟分析

通过风洞实验，对大气压下各个方向的风速、风压进行测试，完成项目风洞动态测压试验报告、风振计算分析报告及相应图纸，如图18 所示。

图18 风洞模拟分析

利用声学软件对室内声环境进行模拟，通过对材料、构造等方面的调节，达到理想的室内声环境。根据三维模型，为仿真预测体育场建筑声学指标，在体育场的场地中间设置声源，高度距地面1.5m，在场地和看台观众席区域按规范要求设置多个接收点，每个接收点均高出所在观众席位置地面1.2m，对应人耳的高度，模拟观众的听觉[8]，如图19 所示。

图19 声环境分析

体育场馆需满足各类赛事及演艺功能需求，通过BIM 模型模拟分析人流疏散时间，确保疏散时间符合时间规范要求。将BIM 模型导入模拟分析软件中，按照不同的演艺赛事人员数量，设置好人员疏散数量及疏散流线，计算各种类型的疏散时间。在设计过程中对BIM 模型进行多次调整并导入软件进行疏散时间分析，确保建筑的布局满足《建筑设计防火规范》《体育建筑设计规范》《建筑设计资料集》等规范要求。其中，体育馆疏散时间控制在4 分钟内，体育场疏散时间控制在8 分钟内，如图20 所示。

图20 疏散模拟

（10）体育场改造

现代化的综合性体育场馆是城市发展和文明建设的标志。体育场始建于1985 年，作为深圳市一代人民的回忆，体育场改造既遵循城市更新要求，同时保留历史记忆，在保留原结构轮廓基础上开展深化设计。

由于年代久远，旧体育场施工图是手绘图，通过BIM 软件对手绘图进行模型搭建，项目现场进行实际测量，精准还原保留结构模型，基于模型导出图纸开展体育场的改造提升设计，如图21 所示。

图21 旧场馆模型图

原保留结构BIM 模型与3D 打印技术相结合，缩小比例进行实体斜柱复原，开展斜柱稳定性研究。其在拆除阶段的应力和位移控制是体育场工程混凝土拆除阶段的技术重难点之一。运用BIM 技术对拆除阶段各个工序全方位建模受力分析及安全性评估[9]，采用有限元分析和监测仪器布置的方式对保留斜柱施工全过程控制，最大限度保证施工安全和结构安全，如图22 所示。

图22 3D 打印

钢网架无原图纸，计算分析困难，无法佐证施工方案，施工模拟也存在风险。采用实测实量精细化建模并结合有限元受力分析，解决计算难点，为施工方案提供理论支撑，通过全过程施工模拟计算，提前预测钢网架拆除风险点，并对风险点采取有效措施，如图23 所示。

图23 有限元分析图

4 BIM 设计应用总结

综上所述，在深圳市体育中心改造提升工程项目设计过程中，通过BIM 技术进行对方案推敲比选、三维建模、设计优化、复杂空间的分析、幕墙参数化设计、机电管线综、可视化辅助决策、弧形走道夹角分析等应用、BIM 出图指导施工、各专业模型信息协同，最终将BIM 技术深入应用于各设计环节，为40 余项设计专项提供统一协同作业平台，大大提升各方沟通效率，提升项目管理水平。在设计过程提供精准数据作为设计参考依据，加快设计方案落地，提升设计品质，提高设计效率；在项目设计全过程BIM 技术协助验证600 余项设计调整，BIM 精细化管理减少设计变更、降低返工、节约成本、提质增效。在设计过程中运用BIM 技术，实现了室内空间效果的可控，参数化的幕墙及钢结构设计大大减低了造价，实现绿色低碳建造。设计模型等成果信息传递至施工阶段，通过数字化平台管控[10]，确保图模一致、一模到底的应用目标，为打造深圳市一流智慧体育场馆保驾护航。