BIM在湖北省科技館新館建設中關鍵技術研究與應用

趙偉佳 劉成偉 明德剛 陳松清

(1．武漢光谷地產有限公司，武漢 430074； 2．中國電力工程顧問集團中南電力設計院有限公司，武漢 430071)

引言

大型展館與一般民用建筑及工業建筑相比具有建筑規模大、造型復雜、結構復雜，需要設計圖紙表達的信息量大，建造階段組成項目的構件類型繁多等特點。上述特點導致該類建筑在設計階段很難避免產生錯誤，施工階段安全風險大，易發生安全事故。此類建筑傳統建設過程，施工效率低，工期不可控，過程中不同專業之間易產生“打架”等問題。大型展館多由于空間大，存在回聲、聚焦、混響等問題，給建筑物使用造成較大困擾； 建造過程中多面臨鋼結構深化，復雜節點等問題，需多專業協同化設計。BIM技術針對此類問題，有著很好的解決辦法，且使得建設更加高效、智能。但BIM技術在我國實際工程中的應用效果并不理想[1]，尤其是大型展覽館等公共建筑，例如云南省科技館新館項目，BIM僅用在部分結構吊裝、施工方案的驗證中[2]，模型標準不統一、數據流通受阻[3]、未能應用在全過程，且在關鍵技術上未能體現出BIM的優勢。

1 項目概況

湖北省科技館新館位于武漢市光谷五路以東、高新大道以北，建筑面積70 300m2，項目由主展館科技館、球幕影院、動力中心三個部分組成，本工程地上四層，局部設夾層，建筑高度51.1m，最大層高17.5m。項目建成后將成為國內一流、中部領先的新一代現代化數字科技館。

湖北省科技館新館項目，采用鋼框架—支撐+跨層桁架+屋面桁架及單層網殼結構。建筑占地為158.4×150m，橫向跨19軸(1-19軸)，縱向跨20軸(A-V軸)。湖北省科技館新館鋼結構主要由五個部分組成：

(1)核心筒鋼結構；

(2)二層以下鋼框架；

(3)二層至三層間環形跨層主桁架+旋轉懸掛結構面；

(4)三、四層鋼桁架；

(5)中庭沉浸影院網殼結構。

具體如下圖1、圖2所示。

圖1 項目鋼結構整體概況圖

圖2 項目層高示意圖

2 基于BIM協同化設計

2.1 聲學模擬

項目中庭沉浸式影院空間大，且四周圍合，極易產生噪聲與回聲、混響時間長的聲學問題。聲學問題是困擾大型展館建筑的最主要問題之一，此問題直接關系著建筑物使用舒適程度。

基于BIM的虛擬現實技術，在設計階段，通過不斷調整吊頂和墻面布置吸聲材料的方式提高中庭的整體吸聲量，使聲能可以得到快速的衰減。針對影院設備噪聲對中庭的干擾問題，通過調整吸聲材料的類別、面積以及鋪設方式，將逸散的聲能吸收。同時有效解決了聲聚焦的聲缺陷。也能夠通過降低中庭內部混響時間，提高語言清晰度。通過Revit不斷調整材料的各項參數，精確設定各項指標控制值，通過模擬、對比分析、篩選，室內混響時間及其頻率特征、語言傳輸參數以及背景噪聲允許值均滿足對應指標要求。如圖3沉浸影院的混響時間縮短至原始狀態的1/3，過長的混響時間得到明顯改善。BIM這一關鍵技術的應用，不僅在聲學方面，還能在光學、消防逃生等方面得到很好應用。

圖3 沉浸影院混響時間分布圖

2.2 鋼結構深化設計

項目施工圖設計階段鋼結構規模為2.5萬t，深化完成后實際的鋼結構規模為3.5萬t，主要原因是深對節點的深化時，為確保受力與結構安全，節點間需增加大量的隔板與牛腿，導致節點構件異常復雜，由此也說明，深化設計的復雜程度與重要性。經過對比分析現階段常見的鋼結構深化設計軟件PKPM、3D3S、MTS、Tekla等[4]，結合項目BIM模型平臺Revit的兼容與項目的復雜程度，本文選擇基于BIM的Tekla深化設計。Tekla能方便、快捷地建出整體模型、能快速建立次梁連接節點、能準確快捷地導出深化圖紙，由三維模型直接出圖，自動生成材料明細表，全過程實現自動化，能最大程度地減少圖紙錯誤。

2.2.1 深化設計流程

深化設計的節點構造、放樣、工藝設計、制作、運輸、吊裝等過程在BIM模型文件中可以體現，BIM模型文件是指導工廠加工及現場安裝的有效文件，可以快速導出預埋件構件平面布置圖、構件立面布置圖、零件圖、構件清單、零件清單、螺栓清單等。具體流程如圖4。

圖4 鋼結構深化設計流程

2.2.2 設計加工安裝協同化

基于BIM的建筑信息共享性，以Revit為平臺，針對所有零構件均能在同一個界面實現設計、加工、施工信息的共享，為工程不同的管理人員提供了不同的查看方式——3D模型、二維圖紙、物料清單表格、數控管理文件。實現工程數據多維度表達，多環節使用，如圖5設計、加工與安裝三維度協同。

圖5 設計、加工與安裝三維度協同

2.3 設計錯誤識別

省科技館新館項目作為大空間公共建筑，涉及給排水、中水回收、通風、消防、空調機電等多種專業，項目的橋架、風管、支架、電纜、給排水管、消防管、空調管等設備管道眾多，允許安裝的空間有限，如何在有限的空間將不同專業的管道合理準確設計布置對傳統二維設計難度較大。傳統的二維圖紙設計中，在結構、水暖電等專業圖紙匯總后，由總圖工程師人工發現和解決不協調問題，對設計人員的技術能力、專業水平提出較高要求，同時需要大量的時間與精力[5]。采用二維圖紙進行會審，人為的失誤在所難免，使施工出現返工現象，給進度控制與投資控制帶來極大挑戰。

應用BIM技術進行三維管線的碰撞檢查，不但能夠徹底消除硬碰撞、軟碰撞，優化工程設計[6]，減少在建筑施工階段可能存在的錯誤和返工的可能性，對空間優化，管線、橋架合理排放布局也有很好的功效。工程師可以利用檢測后的效果圖與方案，組織施工交底、模擬施工，極大提高施工質量與業主溝通效率。省科技館新館項目在設計階段，設計各專業基于Revit平臺，共享項目所有信息，各專業設計完成后，統一集成在BIM模型中，對全部的構件單元進行碰撞沖突檢測，對有沖突的構建生成檢測報告并標記，根據檢測報告修改沖突設計，實現“零設計變更”，如圖6碰撞檢測后的設計模型。

圖6 碰撞檢測校核模型

3 基于BIM的數字化建造

3.1 施工構配件數字化查詢

基于BIM的協同化設計，對建筑物每個組成部分進行了參數化定義，建筑構件具有數字化唯一屬性，為建筑物組成構件的采購、加工、制作、安裝等環節的追溯、管理提供了條件，可實時對建造施工環節進行動態化管理。

根據構件的不同，將構件材料的物理特性與相關的力學特性用數字統一分類表示，包括桿件的長度、斷面尺寸、桿件連接角度、節點連接、焊縫形式，注明構件所在位置，并將構件的具體信息集成為一連串的數字字符。根據不同信息屬性，將不同的信息進行歸類，歸口為施工建造密切相關的進度、成本以及模型屬性信息。對具體的材料構件從采購到施工，全過程可追溯，并對與具體的施工時間節點與造價信息可實施查詢，針對不在計劃時間內完成的施工建造構件，可即時預警、即時糾偏。如圖7，構件施工信息查詢顯示示意圖。

圖7 構件施工信息查詢顯示示意圖

3.2 施工構配件數字化制造

省科技館新館項目鋼結構在建模深化完成后，即進入工廠進行加工制造。BIM模型可以輸出清單文件、NC格式的數控數據文件或DWG格式的圖紙文件。NC格式的數據控制文件包含了這個構件的基本尺寸、開孔位置、開槽切割等具體信息。

圖8 構件加工路徑數字管理

BIM平臺將鋼結構作業流程細分為十余道數字化工序，被標記的零構件與加工制作路徑逐一對應，加工制作與施工流程用相應的數字代碼標記。利用集成的構建信息，生成二維碼，項目和應用車間、安裝工人均能借助掃描等方式對工位路線進行實時動態反饋，實現對建造的全過程跟蹤，快速識別即將安裝所需的構件，準確定位構件在建筑中的位置，如圖8構件路徑識別。這一關鍵技術的應用，對本項目鋼結構加工制作工期節約20%。

4 可視化施工管理

湖北省科技館新館施工由于結構復雜，鋼結構規模大且受力、節點連接復雜，是一項動態系統工程。進行虛擬化施工仿真模擬，在可視化的基礎上，制定更加科學、實用的施工方案[7]，預判實際施工中可能發現的問題，以節約工期與節省投資。

4.1 鋼結構施工流程

主體鋼結構安裝開始前對柱腳、埋件進行復測，鋼結構主體安裝主要使用2臺塔吊(D1100-63塔吊70m臂長)和2臺塔吊(ZSC-1000塔吊60m臂長)進行吊裝。堆場和拼裝場地布置4臺50t汽車吊負責構件拼裝及轉移。主體結構安裝按照如下施工順序進行安裝：

(1)先裝4個核心筒，后裝跨層主桁架；

(2)先裝角部結構，后裝中部結構；

(3)先徑向，后軸向，具體安裝流程如圖9所示。

圖9 鋼結構安裝流程圖

基于BIM模型，針對流程中包括的每一具體步驟生成詳細的作業任務書與零構件清單，同時附加詳細的作業指導想模型，將作業工人需要通過二維圖紙獲取的施工信息可視化，表達直觀、可重復性高可以實現施工方案的優選以及技術交底的演練[8]，極大減少施工中的錯誤、消除隱患。以柱腳預埋施工為例，將該分項工程分為4步驟，通過BIM虛擬化施工技術，將所有步驟可視化，如圖10所示。

圖10 鋼柱腳預埋施工可視化

4.2 可視化虛擬施工

基于BIM的虛擬建造可以在工程建設中對項目的全過程進度進行有效控制。虛擬施工能對實際建造過程中可能發生的問題進行提前預警，建立提前預警機制，事前修改完善，將可能發生的問題在事前解決。最終優化的進度計劃與施工方案，更好更高效地指導實際項目的實施，提高現場作業的安全性。項目在鋼結構吊裝施工階段，通過BIM虛擬施工確定材料構件的最佳對方位置、最佳吊裝路徑、最佳的吊裝參數、以及吊裝工具的匹配，將施工方案可視化，驗證施工方案的可行性，并進行相應調整。

圖11 結構吊裝虛擬施工

湖北省科技館新館項目在施工期間，存在大量空間交叉作業，塔吊、汽車吊等空間機械同時吊裝時易產生時空碰撞的風險?；贜AVISWORK的虛擬施工與可視化管理，可將塔吊、汽車吊等機械設備在施工過程中建立相應的危險預警時空，以藍、黃、橙、紅四種顏色分別表示重大風險、較大風險、一般風險、較低風險，代表不同時空范圍內的危險。在虛擬施工階段，當施工人員進入不同危險級別的時空范圍時，相應范圍顯示相應顏色預警，預判實際施工階段的安全風險與危險因素，減少實際建造階段的不安全行為。

5 結語

本文詳細介紹了BIM在湖北省科技館新館項目中協同設計、數字化制作以及可視化管理方面的研究與應用。闡述了BIM在解決傳統設計、施工很難解決的相關問題方面的應用，以設計階段中的聲學問題、施工建造階段中的鋼結構加工制造、吊裝以及安全風險管理為例，顯示出BIM在大型展館等公共建筑建設中具有很好的應用，在建筑功能、建造效率、智能化施工、施工風險等方面具有很大應用前景。工程實踐表明，BIM在大型展館建筑聲學優化方面具有良好的應用，對項目的協同化設計以及鋼結構數字化加工制作、建造等環節具有可復制性，虛擬建造與可視化施工建立預處理機制，對復雜的展館建設具有切實可行的指導意義，為類似建筑的建設提供一種方法、管理手段和經驗。