2019年中国北京世界园艺博览会中国馆项目工程施工BIM深度应用

(北京城建集团有限责任公司，北京 100088)

1 工程概况

1.1 项目简介

2019年中国北京世界园艺博览会中国馆，其外观灵感来自于中国传统吉祥物—如意，借鉴中国传统的斗拱、榫卯结构，效仿古人“巢居”、“穴居”的智慧，将主要展厅覆盖于梯田之下，梯田上的金色屋顶笼罩着锦绣繁花。琉璃砖瓦，宏顶华盖，波光流转间尽显一派盛世恢弘，传递大国气象，如图1所示。

中国馆总建筑面积23 000m2，地上2层，地下1层，建筑高度23.8m。本建筑由展厅、多功能厅、办公、贵宾接待、观景平台、室外梯田等构成。

2019年中国北京世界园艺博览会中国馆项目建筑方案由中国工程院院士、中国建筑设计研究院总建筑师崔愷主持设计，北京城建集团有限责任公司为工程施工总承包。

1.2 工程特点难点

本工程结构异常复杂，整体呈半环状，80%为弧形或异形结构，框梁分布密集，板型均不规则，结构标高变化多，并设有50m大跨度双曲面拱梁(如图2)、六角核心筒等异形结构，施工难度巨大。

图1 世园会中国馆示意图

图2 50m大跨度双曲面拱梁模型示意

本工程室外梯田最高处约15m，总方量约14万m3，最陡坡比为1:1.5，多专业平行施工，土方堆筑施工组织是本工程难点之一。

本工程钢屋盖是由两侧鱼腹式桁架和中部单梁组成的人字形屋盖，钢构件的安全吊装是本工程的难点之一；本工程包括61根钢骨柱、83根钢骨梁，梁柱节点复杂，劲性结构安装是本工程的难点之一。

本工程屋面幕墙采用光伏玻璃，确定其采集效果及排布是本工程的难点之一；同时屋面幕墙属于构件式幕墙，其每一块玻璃的尺寸均不相同，玻璃加工精度要求高、施工安装管理难也是本工程的难点之一。

2 BIM组织与应用环境

2.1 应用目标

本工程BIM应用目标为：根据工程特点难点，优化原设计方案，切实有效解决施工技术难题，实现施工方案技术和经济的最优化；实现钢构件预制化加工，高效保质完成建设任务；实现项目精细化管理，掌控成本、管控进度、专业深入、质量安全可控。

2.2 应用标准

项目根据应用目标，参照国际标准ISO16739、数据交互标准ISO29481及国家标准GB/T 51212-2016(建筑信息模型应用统一标准)，详细策划了深化设计、施工模拟、预制加工、进度管理、预算与成本管理、质量与安全管理、竣工验收等方面建筑信息模型的创建、使用和管理的具体要求，明确了模型细度、应用流程及应用框架，统一了编码和命名规则，提出了模型共享、模型集成等相关要[1]。

2.3 团队组织

为实现应用目标，BIM团队由施工总承包方北京城建集团建筑部BIM中心主任亲自带队，下设项目部BIM应用小组，项目经理及总工程师进行统筹协调各项事宜，成员涵盖结构、钢结构、幕墙、机电等专业BIM工程师，并由北京城建智慧院、广联达公司提供技术支持。

2.4 实施方案

本项目BIM应用分为建模、基础应用、集成应用三部分，涉及各方主体。利用广联云平台，使各专业协同工作，及时发现问题并调整设计，通过虚拟施工，降低技术风险、工程变更风险及成本控制风险，应用流程如图3所示。

2.5 软硬件环境等

项目综合运用Revit、Rhino、Tkela、lumin、Navisworks等多项软件，搭建BIM5D平台，实现信息共享和模型协同；配置三维激光扫描仪等硬件设备，采用大内存和高性能显卡塔式工作站3台，移动工作站8台及个人移动终端，确保BIM技术在施工过程深度应用。

图3 BIM实施管理总流程图

3 BIM应用

3.1 建模

本工程根据施工需求建立了结构、钢结构、建筑、机电、幕墙、室外梯田等模型，如图4所示。根据应用标准，要求深化设计模型细度不低于LOD350，包含构件的基本尺寸等主要信息，便于快速建模及修改；施工过程模型细度不低于LOD400，列如钢构件模型包含穿筋孔、焊缝、插销等细节，幕墙模型包含铝板规格、开启扇组角码、合叶等细节(如图5所示)，可直接用于工厂加工。

图4 各专业BIM整体模型

图5 屋面幕墙细部模型

3.2 BIM应用情况

(1)高大模架设计与验算

Revit结构模型可直接导入广联达3D模架软件(如图6所示)，利用软件快速计算不同材质支撑体系工程量用以确定模架方案选型[1][2]。软件同时可识别高支模区域，并自动排布架体。因结构弧度影响导致架体断开区域，利用模型补充立杆、短横杆使之连成整体。

对于定型方钢三角架等异形模板支撑体系，我们将Revit三角架模型导入Structure Analysis Program 2000(如图7所示)，将二维框架线性分析转换为三维非线性动力分析，确保应力比危险杆件截面验算等满足施工要求。

图6 3D模架软件应用

图7 SAP 2000软件应用

(2)关键工序模拟

对于沿高度方向起拱4.4m，沿水平方向前倾3米的地下室北侧拱梁，为保证拱梁成型质量及架体的安全稳定，通过虚拟施工，不断调整搭设方案，最终确定搭设只沿高度起拱的扩大平台，将水平方向起拱的弧度囊括进去，降低了龙骨的加工难度，有效保证了拱梁的成型弧度，并在荷载最大的起拱处增设定型方钢三角架，确保整体架体的安全。 通过虚拟施工，详细阐述了双曲面拱梁模板架设和安装的各项施工要点(如图8所示)。

图8 双曲面拱梁施工模拟

(3)大方量梯田堆筑施工组织

项目集成各专业BIM模型，充分考虑土方堆筑制约因素，提前策划施工方案，利用三维动画演示分层分段回填、毛石挡墙、土工格栅铺设等施工工艺，明确土工布、滤石层及出户管管道拼接质量要求，提供景观、机电、防水、市政等多专业平行施工指导意见，把控关键节点质量，确保工程如期推进(如图9所示)。

图9 室外梯田施工模拟

(4)深化设计

1)针对中国馆标高变化多、框梁密集的复杂结构，通过三维建模优化原设计结构实体未封闭、框梁重合等问题；

2)完成了屋面一万余根杆件连接方式的深化，明确了劲性结构钢筋的连接方式；

3)精确考虑日光投射角度和光伏采集效果，深化出光伏玻璃、普通玻璃和开启扇组合的最佳排布效果，并指导现场施工。除此之外，集成结构及各专业BIM模型对机电管线综合排布、净空要求等进行深化(如图10所示)。以上深化内容均出图后指导现场施工。

图10 机电管综集成模型

4 应用效果

4.1 攻克难题

针对全国首例50m大跨度双曲面钢筋混凝土拱梁结构，项目全方位运用BIM技术，利用三维模型的可视化与信息化，比选多种施工方案，充分模拟关键工序，结合虚拟施工，最终攻破此项技术难关，完美呈现出了设计意图。此外，通过集成各专业模型，还有效地解决了大方量室外梯田施工组织难题。

4.2 节省工期

钢结构厂家将设计确认的BIM深化模型直接导入SinoCAM套料原件，提供原始加工数据信息，包含：零件的结构信息，如长度、宽度等；零件的属性信息，如材质、零件号等；零件的可加工信息，如尺寸、开孔情况等。SinoCAM适用于各种数控切割机的放样和数控编程，排版套料结束后，对结果进行输出，实现精准的预制化加工，保证了相应部位的工程质量，大大提高钢结构施工的工业化程度[4]，缩短加工周期18天。

4.3 精细化管理

中国馆造型独特，涉及专业较多，应用BIM5D平台，通过各专业BIM模型集成进度、预算、资源、施工组织等关键信息(如图11所示)，对施工过程进行模拟，及时为施工过程物资、商务、进度、生产等重要环节提供准确资源消耗、技术要求等核心数据，提升沟通和决策效率，从而达到了节约时间和成本、提升项目管理质量的目的[5]。终端设备VR模式可帮助管理人员快速、方便深入了解BIM模型及方案演示，提高管理效率(如图12所示)。

图11 BIM5D平台应用

图12 终端设备VR应用

5 总结

5.1 创新点

(1)结合Revit模型与sap2000交互，解决传统安全计算软件无法进行异形模架的受力分析，为保证现场安全实施提供了技术保障。

(2)建立以 5D 模型为核心的基础应用平台，加以建模软件和 BIM 审图、BIM 浏览器等应用，实现技术、生产和商务的横向综合应用，以5D平台为纽带，打通项目施工、商务、资料、质安之间的沟通壁垒，以建模、集成、协同应用为主要流程线的 5D 模型应用[5]。

5.2 经验教训

BIM技术在项目应用过程中，难免出现各种阻力和问题，其中最主要的原因是：人才缺乏及参建各方对BIM技术认识深度不同。在北京城建集团建筑部BIM中心的主导下，邀请广联达专业顾问驻扎施工现场，不仅对应用团队成员进行具体业务指导，如3D模架软件，同时也对参建各方主体进行培训，使其更加深入了解BIM技术。