异形结构施工总承包项目中智慧建造技术的综合应用——景德镇御窑博物馆项目

万仁威 姜月菊 张 东 韩 阳 肖晓娇

（1.中建一局华江建设有限公司，北京 100161 ；2.中国建筑一局（集团）有限公司，北京 100161；3.中国建筑一局（集团）有限公司华北公司，天津 300457）

1 研究背景

相对于上世纪追求功能及经济效益的“方盒子”建筑，后现代、结构主义等设计理念下的异形建筑的出现，为施工企业的建造过程带来了诸多难题，可以说是基本没有任何经验可参考。

目前BIM技术在项目的应用，更多的作用是项目设计成果展示、规避设计失误风险，于施工方的意义在于一定程度上减少返工，提高施工质量。

随着BIM技术及智能化设备的推广普及与引进，为施工企业在解决异形结构施工过程中的测量定位、可视化交底等问题，提供了新的解决方案。

为此，作为施工总承包企业，需提出一套能够在异形建筑项目中有显著效果的解决方案：既能够让BIM技术参与完善设计图纸、辅助增强施工技术交底效率，也可以在施工过程中深度使用BIM模型，并将BIM应用延伸到施工后的实测实量、检查纠偏的工作中。

图1 国内各色异形建筑[4]

2 项目概况

景德镇御窑博物馆项目，位于江西省景德镇市，珠山区，御窑厂遗址周边。

项目由博物馆主体、历史街区修缮、市政道路改造等多个部分组成，其中博物馆建筑总面积10 400m2，为双曲面异型拱体结构。

图2 项目整体概况

御窑博物馆主体为著名建筑师朱锫设计，取用窑的拱形元素，通过 8个体量、高度、朝向、双曲率等均不同的单体拱体的组合、聚集而成，地下局部二层，双曲面拱体结构从地下一层升起，最高点到地上9m，整个结构体系半藏于地下。

图3 博物馆完成效果

拱体采用混凝土为主体，外部采用砌筑窑砖幕墙，内部采用干挂窑砖幕墙，窑砖幕墙均需满足结构的双曲面效果。景德镇御窑博物馆项目部从业主管理方、工程总包到施工分包均从未有该类型项目的施工经验，从技术方案到施工工艺均为全球首创。

图4 室内窑砖幕墙效果图

2.1 双曲面结构难点

鉴于双曲面结构的特殊性，为保证双曲面结构精准度，设计团队以每隔50cm的剖面作为控制点，针对项目的8个拱体分别出具了800余张拱体剖面图，而且由于双曲面结构的复杂性，对于结构主体的施工、模板支设控制以及浇筑完成后混凝土实体的实测实量工作均无类似的工程经验来借鉴。

图5 双曲面结构精度控制难度高

2.2 御窑遗址厂区场地运输规划

御窑博物馆设计在景德镇老城区市中心御窑厂遗址原址之上，地下埋藏历朝历代重要历史遗址及文物，前期施工地下工程的清理运输需要科学的进行考察和规划。

图6 施工场地运输主干道出土遗址

在施工场地大门及材料运输主干道发现了明代城墙遗址，为保护历史遗迹，考古所及政府将改主干道进行了封锁，并需要进行频繁的周边考古活动，对我们的施工材料运输工作造成了极大的困扰。

图7 施工场地周边历史民居密集

同时，施工场地周边均为迷宫般的御窑历史民居街区，人力测量难以准确得到民居巷弄道路走向，另外规划运输道路颇有难度。

3 项目BIM资源配置

3.1 人员配置

团队配备方面，项目部采用矩阵式组织架构。

由指定专业工程师负责专项技术，形成一个17人的涵盖项目全履约部门的项目级BIM应用团队。

图8 项目级BIM团队

为了将智能建造技术切实应用到双曲面拱体的质量控制过程中，将QC小组与BIM小组成员深度融合。

图9 BIM+QC融合

3.2 软件配置

根据项目施工的难点需求及阶段目标，采用了：广联达三维场布、Rhino、Revit、VDP、Trimble(TOP及Realworks插件)等软件。

3.3 硬件配置

针对于解决双曲面结构的智能精准施工问题，项目部采购了7台高配BIM工作站、天宝RTS771BIM放样机器人、Hololens混合现实头盔以及三维激光扫描仪。

图10 项目采用的各类BIM+设备

4 基于BIM的智能设备在博物馆施工中的应用

4.1 遗址环境场地规划

周边区域内有大量的民居及巷弄，且房屋、院落错综复杂、非常密集。施工区域内无法保障大规模的堆料场及加工场。地下工程的清理物料运输不便，大量的历史土层渣土无处堆放。

图11 周边巷弄密集复杂航拍

在错综复杂，身处其中难以分辨方位的巷弄中难以发现代替路径解决材料进出问题，通过利用无人机对周边街巷进行航拍，建立了该部位的三维BIM实景模型。

图12 无人机及实景航拍自动路径规划

图13 对街巷进行实景建模

我们发现，在距周边街区迎瑞上弄不远的新当铺上弄里，内部可以打通一条运输路线，供物料及设备进出。

图14 新当铺巷弄较为宽敞

同时，也通过该方式从多个街巷中，确定了彭家下弄等四条主要运输路线作为博物馆地下工程的运输路线。

图15 新当铺运输路径及实景模型

4.2 双曲面异型拱体结构的智能建造解决方案

针对于双曲面异形结构独特的施工要求，项目部根据工程施工流程节点，将 Hololens全息眼镜、三维放样机器人及三维激光扫描仪分别运用于施工的前期模型交底、中期施工控制、后期实测实量阶段。

图16 基于BIM的智能设备在施工中的应用逻辑[5]

4.2.1 模型深化

在模型技术方面，单一的Revit模型已经无法满足一个异形建筑项目BIM技术的需求，因此项目部针对不同技术难点采用了不同的软件配置。

结构：主要利用设计方提供的犀牛模型，通过3dmax和Sketchup软件的互导，得到dwg格式文件，再导入Revit中建立双曲面拱体模型，结合机电模型，在Revit中进行碰撞综合，修改得到了结构深化模型。

图17 结构、支吊架深化模型及双曲弧形喷淋管模型

机电：利用Revit的MEP板块，进行了机电专业的深化工作。由于本项目结构异形的特点，机电管线的弧形安装也是一个难点，我们前期花了大量时间精力进行管线优化工作，建立了包含支吊架在内的LOD350的深化设计模型，在进入安装阶段后期,通过深化模型的快速出图并结合智能设备，提高安装工作的精确度。

项目部采用了多种模型软件，从特殊幕墙节点构造、异形模架体系，到对现场临建规划，施工展示样板区均进行了可视化的模拟和交底。

4.2.2 MR技术工程交底

图18 BIM+MR技术应用流程原理[5]

Hololens作为一种可穿戴智能设备应用场景，项目部发挥了另一个优势就是用1：1等大模型与施工现场结合。

图19 Hololens+扩展屏辅助方案讨论

项目部将拱体模型、幕墙施工节点模型以及机电支吊架模型在施工现场等比例显示，找到模型与现场的重合角点，让施工现场与模型重合。使用 Hololens的业主、工程师、施工班组在施工现场直接进入了已完成的建筑模型中，直观检查异形拱形结构、幕墙施工节点以及机电支吊架完成的情况，总包工程师对模型直接进行位置，尺寸以及体积等信息进行一一讲解，将模型与现实混合起来，真正达到了所见即所得的效果。

图20 Hololens现场交底

4.2.3 双曲面模板精准放线

利用一个能够基于BIM模型进行三维空间放样的智能型全站仪，其工作部件主要由几部分组成：智能触控手簿、智能全站仪本体、反光棱镜等。

4.2.3.1 操作流程

在TrimbleRealworks插件中，用深化调整后的BIM模型上生成控制点清单，只需要一个测量工程师，就可以对建筑的任何部位进行抓点、放样及完成面校核工作。

图21 放样机器人应用流程团里

由于放样控制点众多，首先需要编制项目级的放样基点编号列表并确定命名规则。

图22 在Trimble Field Points中抓控制点设置

将模型导入放样机器人的手簿中，然后使用 BIM放样机器人对现场放样控制点进行数据采集；直接通过手簿选取BIM模型中所需放样点，指挥机器人发射红外激光自动照准现实点位，实现“所见点即所得”，从而将BIM模型精确地反应到施工现场。

图23 拱体模板放线

图24 拱体结构校核

4.2.3.2 效能评估

（1）测量精确度提升

放线机器人能够导入三维模型，选取模型任意点进行激光/棱镜放线工作，对异形构造、复杂机电管线定位十分有价值；

放线机器人相对于普通全站仪在放线工作中的人为操作环节减少：

1）自动追踪棱镜环节；

2）减少在全站仪操作的时候因震动的误差；

3）人为手动输入数据的误差；

在放线定位调整校对时，不存在普通全站仪2秒的人工误差；

综合计算，每100m中，普通全站仪综合误差在1 cm左右；放线机器人的误差在5mm之内。

（2）工作效率提升

1）简化放线流程，通过手持手簿进行全站仪放线及测量的各项工作，加大提人工工作效率；

2）一天预计能测130个点；

3）相对于普通全站一合计节省平均每天2个人工。

4.2.4 双曲面拱体结构实测实量

图25 三维扫描对拱体实测实量流程

对于双曲面拱形结构的实测实量技术目前在行业内尚无可寻的参考方法与规范，而三维扫描进行实测实量是一个能全面体现拱体施工质量精度的方法。

图26 三维扫描实测实量流程

以5#拱为例。在扫描工作开始之前，项目部成员先对扫描拱体周围换进进行了勘察，确定了拱体周围的遮挡物及内部空间情况，

图27 标靶纸张贴

在相邻两站之间，不同平面，均匀分布了3-4个表把球，保证对任意测站点至少有 3 个标靶与其通视

图28 标靶球放置

架设好之后需对仪器进行调平，保证后期点云模型的水平对正.

图29 扫描参数设置

扫描过程持续5-9分钟不等，整个5#拱的扫描工作，包括搬运、标靶纸张贴、标靶球设定在内，一共持续了3个小时。

图30 多角度设站

用扫描仪对已完成的双曲面结构进行三维扫描之后，在Trimble Realworks中自动将多站点云模型进行拼接调整，然后将得到的完整拱体点云模型与BIM模型叠合，生成了实测适量色块偏差图。

图31 点云实测实量色块偏差图

此类异形结构的测量相关工作，三维扫描仪的应用有着直接的效率提升，解决了传统实测实量方式无法解决异性结构的难题。

5 效益总结

图32 双曲面结构完程航拍全貌

5.1 双曲面拱体模板创效

通过基于BIM的质量控制过程，研发出了滑轨移动式可调曲率模架体系，大大提高模架使用效率，交底考核效率、测量数据分析效率，达到 6个拱体结构的一次合格通过验收，降低了大量返工费用，提高了施工效率，单个拱体平均节约工期15天，自行研发专利模架体系，模板施工成本减少31.2万元。

图33 QC活动效果柱状图

5.2 科技成果总结

通过项目 BIM团队对各项技术的不断实施和总结，目前形成了以下科技成果。

表1 科技成果总结

5.3 社会品牌效益

图34 首都国企开放日BIM展区

由于本工程技术方面的难度和利用BIM技术成果解决了双曲面拱体的施工难题，中央领导、地方领导、新闻媒体多次到项目进行检查指导和采访，特别作为中建一局国企开放日的重要站点迎接广大市民参观，并作为中央四套《走遍中国》智能施工板块中的重要展示项目接受专访，并于2018年8月13日在全国播出，树立了中建一局科技领域方面的良好企业形象。

图35 走遍中国·智慧建造直播画面

6 结束语

BIM的基础技术在行业内越来越坚实，成熟的智慧建造技术也离我们越来越近，我们目前需要思考如何利用现有的智慧建造手段通过组合、策划来解决项目的实际难点，如何更好的利用和传递现有的BIM模型，达到“一模多用”的效果。

景德镇御窑博物馆项目BIM应用中，针对异型结构建筑所使用的智慧建造技术，使BIM技术从曾经的锦上添花转变成了当下高效、精细化、信息化施工中不可缺少的技术手段，也可为其他施工项目提供了一些可供参考的实际应用案例。