BIM技术在郑州博物馆新馆项目的应用

2018-10-13王学福张国文

土木建筑工程信息技术 2018年4期

刘明王学福陈曦张国文武斌

(1.中建三局集团有限公司，武汉 430064； 2.郑州市建设投资集团有限公司，郑州 450000)

1 项目概况

1.1 工程概况

郑州博物馆新馆总建筑面积约14.7×104m2，地下两层，地上五层，建筑总高67.797m，建成后为全国第二大博物馆。郑州博物馆新馆秉承“中华之中、黄帝之冠”的设计理念，以弘扬中原黄帝文化为切入点，凝练郑州地域特色，将象征黄帝文明的“冕冠”作为设计原型，同时引借聚宝盆的形象语言，提炼出刚劲有力的曲线动势，生成建筑主体形象，表达中原地区光辉灿烂的文明历史。项目结构形式为“劲性钢骨柱+劲性钢骨梁+核心筒钢—砼组合截面剪力墙”混合结构体系，屋面为螺栓球网架与双向正交钢管桁架混合结构体系。项目效果图见图1。

图1 郑州市博物馆新馆项目效果图

1.2 项目重难点

(1)设计难度大

建筑造型复杂，屋面为弧形坡面钢屋面。外立面为弧形幕墙，材料采用双腔弧形玻璃、异形GRC、陶板、铝板等构造复杂，北侧为弧形碗状GRC幕墙。钢结构空间定位难，功能分区多。

(2)施工复杂

项目含有10个异形劲性核心筒，钢板剪力墙、钢管柱等钢结构异常复杂、钢结构与钢筋穿插节点施工复杂，工程量大。

(3)工期紧

项目需配合全国少数民族运动会投入使用，总工期约20个月，工期紧张。

(4)新技术应用多

共应用建筑业十项新技术共10大项、39小项，存在大量连梁阻尼器、屈曲约束支撑等新技术。

2 BIM组织与应用环境

2.1 BIM应用目标

项目BIM应用总体目标为利用BIM技术实现节约成本、优化工期、打造精品工程。

具体实施目标为：

(1)设计施工一体化

强化设计施工一体化融合的工作模式，降低综合成本。

(2)精细设计

应用BIM技术提前解决了设计问题，提高建筑品质，促进施工。

(3)精益施工

应用BIM技术实现精细化管理。

(4)探索创新应用

图2 BIM管理组织结构

打造智慧工地，探索VR、物联网等技术与BIM的融合应用。

2.2 实施方案

制定项目BIM应用导则(制定BIM应用目标，确定BIM应用应取得的实施效果，明确各方职责)、BIM实施方案(结合项目特点制定具体实施的应用点和实施方法，指导BIM工作落地)、BIM应用制度(制定实行制度，明确奖罚措施，促进管理提升)[1]。

2.3 团队组织

项目建立以建设单位主导，设计、施工、监理、咨询单位全体参与的BIM管理组织架构，见图2。

2.4 软硬件环境

项目以REVIT2016为核心，用于土建、机电、分包、现场平面布置等模型的创建。TEKLA用于钢结构模型创建和深化，NAVISWORKS用于进行模型的碰撞检测，FUZOR、LUMION用于建筑方案设计、模型浏览、漫游、动画、VR应用，MIDAS用于结构设计分析，广联达BIM5D用于项目进度、质量、安全、技术、商务、物资管理，广联达GMJ用于模板、脚手架模型的创建和应用。

硬件方面项目配备相应的计算机、触屏电脑、大屏电视、VR眼镜、无人机等。

3 基于BIM的设计管理

设计单位提供满足施工深化的BIM模型，再通过代表业主的BIM咨询单位进行模型二次复核最终达到可进行施工模型深化的设计模型。设计单位起到了承上启下的作用，既对图纸负责同时也要配合施工单位完成施工模型。

3.1 设计阶段管理措施

在设计阶段，设计单位以建设单位的标准为框架，制定了符合要求的建模标准以及行为准则。

在此过程中设计单位需对不同角色人员明确工作内容，优化BIM实施流程，明确BIM工作流，量化BIM工作内容，把繁杂的BIM实施有效合理地划分为单元工作并逐一完成，直指符合项目要求。项目还需明确BIM协同模式以及拆模原则，为BIM实施人员搭建基本工作环境。

3.2 设计阶段实施难点

(1)郑州博物馆新馆项目以皇帝之冠为创作原型，整体建筑造型方案为“黄帝之冠，聚宝之器”，见图3，超大规模的建筑体量，大跨度钢结构设计及定位难度大。

BIM技术实施采用“辅助设计形式”，确保图纸质量、保证空间使用需求、结构计算要求，提前预判施工问题保证施工进度[2]。

图3 建筑方案图

(2)以往工程相关设计较模糊，深化工作容易滞后影响施工。本项目通过BIM参数化设计，加强幕墙前期设计深度，为后期幕墙深化设计及安装提供精准数据，以保证施工工期、节约项目实施成本。

针对钢结构模型，通过BIM参数化建模技术，把计算模型转换为可进行综合应用的revit应用模型，以满足多专业的使用的需求，见图4。在设计阶段搭建钢结构屋面BIM模型，确定细部杆件设置，结合外形完成复杂构件的设计及优化，解决了以往设计不直观，深化设计工作滞后等问题。

图4 钢结构、幕墙模型

(3)项目的空间使用分区多达90多个，不同类型的使用空间都需单独进行净高分析，考虑底板与顶板之间的高度，影响当前区域净高的最大梁高、装修方案。而后考虑管线安装空间、维修空间等综合因素进行管线综合优化和净高分析，见图5。

图5 层高分析表和优化模型

4 基于BIM的施工管理

项目开工后，总承包单位作为总协调方，协调各单位，牵头进行BIM技术的引用。

4.1 深化设计

施工阶段坚持“谁施工、谁深化”的原则，由总承包单位协调组织召开施工图纸、模型评审会议。各分包单位提出相应要求后经总承包单位复核，将整合模型交由分包单位进行深化设计。深化设计结果经多方协调同意，经建设单位审核通过后，由设计单位进行图纸盖章发送。图纸经签收后指导现场施工。本工程经设计院和业主审核通过深化设计图纸及材料统计表等文件，共计深化设计图纸5 600余张[3]。

项目钢结构与钢筋穿插复杂施工难度大，通过钢结构深化模型生成节点大样，保证施工高效进行，节省工期约16天，施工费用67.7万元，形成一项河南省级工法，获得河南省级QC一等奖。

4.2 施工管理应用

施工阶段项目通过BIM、云平台、大数据、物联网、智能设备等新技术实现了项目的精细化管理，项目基于BIM模型及数据开展日常管理工作，包括进度、质量、安全、成本等各个环节，同时项目采用基于BIM的协同平台进行项目的管理，解决了以往沟通效率底、数据存储难等问题[4]。

(1)总平面管理

项目场地情况复杂：四个中心多项目同时施工，周边管廊、地铁、道路同步开挖，且现场场地狭小，无法形成环形道路。项目应用BIM技术进行场地模型建立，分阶段总平面布置(见图6)，精细化临建模型提量。相关沟通决策效率提高80%，保证了总平面布置合理高效且将临建成本控制在合同额1%以内。

图6 各阶段总平面布置

(2)模架设计

项目高支模架体面积达1.4×104m2，最高搭设高度达24m，部分为阶梯状变化高支模架体，搭设复杂。通过模架软件设计，优化布置，三维交底指导现场施工。生成配料单，精细化模架的材料用量，较常规测算节省了约9万元周转材料租赁费用。

(3)幕墙施工

从BIM模型中创建放样点导入软件中，使用BIM放样机器人进行点位放样。BIM放样机器人通过发射红外激光自动照准现实点位，从而将BIM模型精确的反应到施工现场，保证施工精度，提高效率。

GRC幕墙板的生产通过建立幕墙深化BIM模型导入三维数控雕刻机，雕刻机读取数据进行模具加工，保证构件加工样式、纹理符合设计和现场安装要求。

GRC幕墙板的安装通过模拟吊装施工确定安装顺序，指导现场施工，保证现场施工合理高效，见图8。

图7 测量控制点位

图8 模拟施工

(4)砌体排版

为避免砌体材料浪费，利用BIM排砖技术出具砌体排版图，墙体面积约7 300m2，并结合现场管控，将砌体损耗率由传统7%降至2%。

首先由土建和机电综合模型通过REVIT插件进行一键留洞，已经按照要求进行留洞的墙体导入BIM5D软件中进行虚拟排砖。现场安装排砖图进行加工和砌筑、验收。

(5)资料管理

项目技术资料上传云平台，可以用手机、网页进行查看。根据施工方案制作工艺库，所有人员随时可以通过手机下载查看，截至目前访问、下载量达8350余次。

(6)计划管理

建立基于BIM的计划管理流程，见图9。首先通过模拟施工编制总计划，由总计划推出工作计划。在计划落实过程中，将计划和实际对比，根据现场完成情况调配人员和材料等资源进行流水段精细化管理。相关数据上传云平台，在每周的生产例会上对完成情况进行通报，督促相关工作的落实。

人人有责、层层考核、及时激励，建立完善的计划管理体系，也是深入贯彻全员绩效考核的基础。本项目为四个中心开工最晚项目，目前实体进度已追赶上其他项目。

图9 基于BIM的计划管理流程

(7)质量管理

项目平面面积大，质量管理繁杂，项目基于工程BIM模型进行质量安全问题的收集和追踪，全员纳入系统，建立了完善的质量安全管理流程模式，见图10。

图10 基于BIM的质量管理

原本需2～3天才能整改完成的任务，本项目平均需1天即可完成，问题解决率达94%，较常规项目提高13%。

平台打通线上线下，自动生成整改单和质量情况分析，也可在会议上进行汇报。

(8)安全管理

安全管理不仅应用了质量管理的流程和方法，还增加了其他应用。在大型设备、危险源附近设置巡更点，巡更点处设置可扫描的二维码。巡查人员定期对巡更点进行检查，通过扫描二维码将检查电子信息录入，详实反馈检查情况。项目配备VR安全教育设备，加强安全管理工作。

(9)商务管理

项目对模型进行流水段划分，结合BIM模型物资提量，并将各流水段模型与进度计划精确关联，分析得出了项目每个月的材料计划[5]。

如项目对混凝土进行限额领料，通过模型工程量严格控制分包的材料损耗，同时现场通过智能地磅实时监控材料进出场。每次浇筑混凝土均严格将损耗控制在偏差范围内。项目商务部每月将物资计划量、模型工程量、实际消耗量进行对比分析，并得出了资源三算分析表，控制混凝土节约率在1.3%。实现了项目的资源动态管控。

(10)其他应用

项目联合BIM技术探索智慧工地技术应用，采用智慧工地云平台结合BIM5D，确保工期、劳务、质量、安全、环境管理全覆盖，大力推动绿色施工新技术创新应用。项目建立智慧云平台，将监控摄像、巡更系统、塔机监控、扬尘检测、BIM5D等各项系统集成、数据共享，通过平台可实时监控项目塔吊运行、施工用水用电、劳动力人数、现场进度及安全质量问题，保证施工现场管理便捷高效。

对施工的零构件粘贴系统自动生成的零构件二维码，在完成相应工位的施工后，进行条码扫描，可将构件当前状态反馈到系统中，形成快递式管理。

5 项目应用效果

通过BIM技术在设计阶段的应用，已测算的设计时间效益为75天，现场施工时间效益为80天，间接效益约480万元。

通过BIM技术在施工阶段的应用，直接经济效益为131万，现场施工时间效益为51天，间接效益约1 530万元。

6 总结

本文阐述了BIM技术在在郑州博物馆新馆项目的应用。项目建立由业主驱动，全过程、多参与方协同的BIM实施体系，形成了设计BIM向施工BIM过渡的方法经验，总结了BIM与施工生产业务流程相融合的管理模式。

6.1 创新点

(1)设计阶段复杂钢结构的空间定位为施工提供了有力支撑，推动设计施工一体化，没有进行二次建模；(2)曲面幕墙的“深化+加工+施工”技术保证现场施工和设计模型的高度契合，促进项目优质建造； (3)基于BIM的“进度+资源+工作”计划管理实现了项目的精细化管理，保证了节约成本、优化工期、打造精品工程的目标。