BIM技术在山东新科技馆项目的应用研究

2020-12-16许忠县李明闯唐子明

土木建筑工程信息技术 2020年3期

许忠县刘斌李明闯唐子明

(中国建筑第八工程局有限公司,上海 200122)

1 工程概况

1.1 项目介绍

山东省科技馆新馆项目地处山东省济南市西部新城文化商务核心区，位于城市东西服务发展轴和南北生态休闲景观轴的交点上。北望省会大剧院，西邻腊山河城市绿带，东靠城市五七公园，南临中开院创业街。新馆的定位是山东省科技传播中心、山东省学术交流中心、山东省创客体验中心，总建筑面积约8万m2，预计2020年投入使用，建成后将跻身全国十大科技馆行列，工程项目将数学符号∞”嵌入形体，意为“无限”，隐喻随着社会进步，科技领域无限未知、无限发展并有无限可能，如图1和图2所示。

1.2 工作难点与特点

工程兼具了“大、高、难”等特点：

(1)“大”包括超大的钢结构桁架和超大的混凝土壳体结构。

单品钢结构桁架最长46m，最重60t。拼接后整体天窗桁架1 000余t。

工程球幕影院壳体直径28m，高度20.1m，是目前国内最大的纯混凝土单层薄壳壳体结构。双曲面定位、架体支设、模板施工以及混凝土浇筑均为复杂的施工工艺。

(2)“高”表示高支模区域的占比高。

工程标准层高8.8m(常规住宅层高3倍)，高支模区域占比82.8%，最高达到25.25m，相当于9层住宅楼高度，单梁最大高度3.1m，宽度1.3m，重量92.5t。

(3)“难”表示梁柱节点复杂且施工标准高。

1)工程原设计有102颗型钢柱，钢柱截面大、操作空间小，梁柱纵筋直径大、数量多，单个梁柱节点最多有381根钢筋在此交汇，每根钢筋均需精细加工及安装。各类看台、展厅、报告厅结构交错重叠，异形层出，施工难度巨大。

2)项目定位高

质量管理目标：“鲁班奖”

安全管理目标：AAA级安全文明标准化工程

绿色施工目标：全国建筑绿色施工示范工程

为保证设计理念得以完美实现，我们在施工管理和技术工艺上做了诸多创新。以“共享+集成”为核心思路进行智慧工地集成管理，建立集成化控制机房，实现扬尘在线监测及自动化喷淋、施工现场全方位监控、全国劳务实名制管理、智慧物业；同时，使用建筑3D打印数字建造技术，该技术的使用使得传统的建造技术被数字化建造技术所取代，从而满足建筑中日益增长的非线性、自由曲面等复杂建筑形式的设计建造要求[1]， BIM技术通过与VR、AR的集成，结合3D打印技术，实现了交互式三维智慧图纸的创新；通过BIM深化设计、工业化生产、定位配送实现模块化装配式施工，确保施工质量与进度符合建筑要求；通过样板引路，保证过程精品，确保工程质量。并且，我们还倡导环保理念，践行绿色施工，打造绿色工地。

图1 科技馆新馆项目效果图

图2 科技馆新馆项目立面效果图

2 BIM组织与应用环境

BIM是建筑学、工程学以及土木工程的新工具。它能够实现建筑信息的集成，贯穿建筑项目的全寿命周期，还可以有效提高工作效率、节省资源、降低成本，以实现建筑行业的可持续发展[2]，其核心用途是建立建筑工程的三维模型，利用数字化技术，为模型提供完整的、与实际情况相同的建筑工程信息[3]，进而可以提高建筑工程信息的集成化程度，从而为工程项目提供一个信息交换和共享的平台[4]。

2.1 实施方案

山东新科技馆新馆项目是以BIM技术的多方协作智慧管理为基础，通过BIM技术全生命周期应用辅助施工管理，进行重难点分析、设计优化、方案选型、平面布置及进度管控。

项目开发智慧工地平台，如图3所示，集成了塔吊防碰撞系统、GPS 定位管理系统、物料验收称重系统和物料跟踪系统、质量和安全巡检系统、多方协同系统，运用无人机逆向建模和热感成像技术以及 TSP 环境监测系统对现场进行智慧管理。项目指挥部以智慧大屏进行实时动态展示，并与 BIM 结合应用，便捷高效地进行智慧建造管理[5]。

图3 智慧工地管理平台

2.2 BIM软硬件环境

(1)硬件环境：BIM应用采用高端台式机与移动工作站相结合的方式来运算项目模型。具体配置如表1和表2所示。

(2)软件环境：软件主要包括三维建模软件、钢结构软件、幕墙软件、装饰软件等，其软件名称和软件版本如表3所示。

表1 硬件准备一览表

表2 硬件配置

表3 软件配置

3 BIM应用

本项目在设计优化、施工组织管理、技术交底、平台集成、智慧工地等方面对BIM技术进行了全方位的应用[6]，减少了设计变更，提高了施工效率。

3.1 设计优化

(1)土建深化

图6 幕墙节点深化

各专业进行综合建模，通过BIM建模“以建代阅”，精准发现图纸内存在的问题。建模过程中共发现碰撞问题1 961项，结构、建筑、人防及钢结构问题109项，与设计单位协调解决的问题为38项，最终形成图纸会审内容71项，施工过程中及时更新BIM模型，保持模型时效性。

进行综合排砖，通过BIM深化+限额领料制度提高材料利用率，做到“一墙一图”，减少材料浪费。如图4、5所示。

图4 二层结构排版

图5 一墙一图

(2)钢结构幕墙优化

深化钢结构图纸，简化施工流程，确保施工质量。通过对设计图纸的校核与优化，节约了371t钢材。

优化幕墙节点，针对曲线异形部位、细部节点进行重点控制，实现BIM蓝图指导现场施工，如图6所示。

(a)管道分段预制加工图 (b)管道分段二维码标签 (c)管道分段二维码标签图7 机电安装

图8 塔吊优化图

(3)机电安装优化

通过对碰撞检查，管线综合排布，净高优化，来出具BIM施工蓝图，进而指导施工。同时，应用公司自主研发的BIDA装配式一体化施工技术及智慧图纸技术进行辅助管理，确保工程施工高效优质，如图7所示。

3.2 施工组织优化

(1)塔吊优化

对塔吊数量进行了优化。在满足垂直运输需求的情况下，将原投标方案中6台塔吊优化为3台塔吊。累计节约成本288万元。

通过BIM技术的辅助，实现了对塔吊使用工况的监控，分析了塔吊的施工臂长和吊重，并研究了吊次的合理频次，验证了方案的可行性。同时，位置有效避开钢骨梁及预应力大梁，如图8所示。

(2)电梯优化

通过对施工电梯进行精准定位，将投标方案中的4部电梯优化为2部。

工程地上四层，局部有夹层，为了增加施工电梯的利用率，位置定位必须能够同时到达普通楼层及局部夹层。通过结构模型与机械模型的合并与碰撞，选择电梯的合理位置，使电梯的利用率达到最大化。优化效益47万元，如图9所示。

3.3 技术管理服务

(1)钢结构方案优化

对钢结构进行虚拟预吊装，优化吊装顺序；进行支撑架选型及验算，辅助钢结构吊装方案，指导现场施工；进行吊点设计、吊装机械组合设计，确保施工过程经济合理，如图10所示。

(2)梁柱节点优化

进行梁柱节点的连接方式创新，模型建立、排布钢筋、连接选型、节点优化，最终确定“焊接板+长套筒+中空溜槽”的施工方案。减少了安全隐患和质量问题，缩短了工期，节约了成本。

腹板开孔：传统的开孔方式是最直接的贯通方式，是传力效果最好的方式。

套筒连接：能够有效保证施工质量，减少施工成本，保证安全。

焊接板：焊接板能够减少现场施工误差，单个节点能够节省1d，保证工期。

长套筒：能够有效提高施工质量，单个节点能够节省1d，减少施工误差，如图11所示。

分别从穿孔对位、绕钢骨贯通、附加补强、长套筒连接等进行优化选型，优化焊接位置，套筒排布、以及钢筋排布。多方案比选，确定最优方案，如图12所示。

图9 电梯优化图

图10 钢结构优化图

图12 方案的选择

图13 模板支设方案选型

图14 BIM技术展示

球幕影院进行流水段施工作业，首先选择流水划分部位，避开主梁交叉位置，减少质量、安全隐患，如图12所示。其次建立LOD400BIM模型，应用BIM技术的精确、可视化优势进行控制点放线，辅助内架排布，制定内架方案，制定球幕影院满堂架及外防护架施工方案，如图13所示。最后对龙骨及模板进行选型，绘制细部龙骨加工图纸，制定模板支设方案，进行现场指导施工，通过BIM模型实现3D打印，进行直观交底。如图13所示。

4 BIM技术辅助智慧建造

4.1 教育基地

作为后台保障，公司建立企业级BIM+安全教育基地，基地涵盖了隐患排查体验、机械设备认知体验、AR增强现实体验、VR虚拟体验，以及安全通关测试区等[7]。工人入场前，项目需组织全部工人到教育基地进行集体教育，通关测试合格后方可入场施工，如图14所示。

4.2 BIM集成平台

八局BIM协同管理平台对项目进行基于BIM 的各方集成，包括协同管理、文档管理、质量管理、安全管理、计划管理、物资管理、设计管理、二维码管理以及监控管理[8]，通过与模型对接，实现BIM+的集成化管控，如图15所示。同时平台内部集成公司施工组方案、交底库及后台族库，可从库中直接提取二维码进行挂接，现场进行二维码张挂交底，如图16所示。平台也对质量安全问题的检查进行录入及跟踪管理；同时，导入工期计划，实现施工模拟及工期管理，通过实际进度与录入进度的对比达到工期预警自动推送[9]。

图15 BIM协同管理平台

图16 BIM协同管理平台中二维码库

4.3 智慧工地

引入BIM+三维扫描+无人机航拍进行平面管理、动态管控；利用三维扫描进行钢结构桁架的精准定位和模型比对，控制钢结构加工及安装偏差[10]。如图17所示。同时，建立集成控制机房，打造BIM综合看板，作为项目管理的“云大脑”，对信息进行收集与处理，对工地大数据进行管理，从而达到基于BIM的数字化管控[11]。

(a)钢结构三维扫描

(b)无人机三维扫描与BIM技术的应用图17 BIM技术的应用

5 总结

5.1 创新点

BIM在建造阶段中工具属性较为凸显，研究与应用仅仅围绕项目的提质增效开展，通过应用BIM技术实现降本增效。

新科技馆项目通过对BIM技术的应用，实现了对塔吊、电梯、设计、管线以及钢结构的优化，同时，还将系统化思维融入到技术应用、经营把控和管理工作之中，从系统的角度分析施工问题，使得BIM应用成为一种工作模式，利用BIM+3D打印技术进行实体翻模，打印重难点部位，建立实体可视化模型，实现精准交底。使用智慧建造管理平台，以一个数据中心为载体，对项目建设的所有数据进行集合，实现了对项目建设过程中的成本、进度、质量、环境、劳务、工程资料的全面管控，节约了项目成本，缩短了项目工期。