BIM技术在北京冬季奥运村人才公租房项目一标段工程装配式钢结构住宅施工中应用方法

2021-12-16

土木建筑工程信息技术 2021年5期

(北京城建集团有限责任公司，北京 100088)

引言

近几年，住建部相继公布一系列推进装配式建筑发展的措施，这为装配式钢结构住宅提供了政策支持。与传统粗放型的建筑不同，设计标准化、生产工厂化、施工装配化、装修一体化、管理信息化和应用智能化[1]这些装配式建筑的典型特征，需要所有参与方及时的信息共享方能发挥其真正的价值，显然传统的项目管理方法无法满足这样的生产需求，迫使企业从优化技术及施工方法的革新方面寻找出路。

北京冬季奥运村人才公租房项目采用的装配式钢结构住宅建筑体系是当前一种比较新颖的建筑形式，融入绿色施工理念，具有设计标准化、生产工厂化、施工装配化等特性，对我国建筑行业的发展具有引领示范作用。

本文依托北京冬季奥运村人才公租房项目进行BIM技术应用，探讨BIM技术在装配式钢结构住宅施工过程中所带来的革新与变化；主要在施工工序布置、工期计划、成本管控、资源利用、场地布置[2]等方面动态管理进行深入应用，在进度、成本、质量[3]三大管理指标方面取得的良好成效进行总结；对BIM技术应用的全流程进行详细描述，希望能够为同类装配式工程BIM技术全面应用提供价值参考。

1 工程概况

1.1 工程简介

本工程位于北京市朝阳区奥体文化商务园区OS-11地块，赛时为2022年冬奥会及冬残奥会运动员公寓及配套服务用房，赛后作为北京市高端人才公租房进行持续运营。

工程占地面积约3.3万m2，建筑面积188 617m2，其中地上建筑面积105 717m2，地下建筑面积82 900m2。地下车库共3层，主楼及裙楼范围为地下4层；地上11栋主楼最高17层，建筑高度为60m，地上裙楼层数为2/3层。

图1 项目效果图

1.2 工程全面应用BIM技术原因

(1)本工程是2022年冬奥会北京赛区重要的非竞赛类场馆之一，建设意义重大。采用装配式钢结构建筑体系，最大化发挥建筑产业化的综合效益，需要创建完整的信息化管理方式。

(2)本工程位于北京市北四环内，施工现场占地十分狭小、周边环境复杂，且现场文明施工要求高，现场场地布置十分困难。

(3)机电、幕墙、精装修等专业分包较多，协调配合的工作多，协同管理难度大。

(4)新技术、新工艺运用多，许多技术无成成熟经验可以借鉴，施工难度大。

2 BIM应用目标

项目前期准备阶段，各参建单位明确了工程全面使用BIM技术的总目标和实施计划，采用建设单位主导、各参建方实施的组织模式，BIM应用组织机构图如图2所示。

针对本工程特点，确立了项目使用BIM技术实现的目标：

(1)BIM技术提高深化质量和效率，减少图纸中错漏碰缺，优化装配式建筑施工工艺。

(2)利用BIM技术对装配式建筑新型施工工艺进行模拟和优化，形成工艺可视化资料，实现装配式钢结构住宅推广应用示范性作用。

(3)实现钢结构标准化设计、加工、现场安装为一体的信息化管理。

结合实际情况及公司相关要求，制定了BIM应用策划方案及实施方案，根据策划期内任务划分，逐项落实完善各项应用。

宝清县在20世纪50—60年代，地下水资源组成为降水入渗补给量和地下水侧向径流补给量。地下水基本没有开采，地下水排泄以蒸发为主，侧向流出为辅；20世纪70—80年代开始开采地下水用于灌溉，但开采规模并不大；地下水资源量组成中，增加了井灌回渗补给量，但由于开采量小，所以灌溉回渗补给量所占的比例也相对较小。20世纪90年代年到现在，局部地段地下水开采增大，导致地下水水位逐年下降，地下水资源量中灌溉回渗补给量所占比例也逐渐增大，此外由于地下水水位下降，河流泄流补给量所占比例也不断增加。

图2 BIM应用组织机构图

3 装配式钢结构施工中BIM技术应用

3.1 钢结构BIM深化设计方法

本工程地上为钢管混凝土柱钢框架—防屈曲钢板墙结构体系。地下部分为框架剪力墙结构，核心筒范围内B05层设有钢板墙。

劲性柱下插至B1层顶板(-3.250m)，核心筒范围内钢柱下插至B2层顶板(-7.550m)。

本项目地上钢结构深化包含箱型柱、H型钢及单曲弧形钢箱梁等，其中地下劲型钢柱与框架梁柱钢筋连接是深化难点，CAD平面图难以表达复杂空间结构对应关系。项目在设计图纸的基础上，将CAD设计图纸为底图，将CAD图纸中结构的“线模”[4]导入TeklaStructure中，分别建立箱型柱、H型钢，同时建立隔板、板肋及加劲板等细部构件，进行钢结构深化设计，根据塔吊的起重能力及钢柱截面特性，对钢柱进行分段，确定分段口连接方式。

本项目钢结构深化设计，不单单以满足施工安装简便为目的，而是以数字化制造为目标，深化设计标准严格执行LOD400的精度，且模型深度达到数控制造的要求。将复杂部位以三维节点图的形式进行技术交底，解决钢结构安装的各种问题，提高沟通效率，图3为地下核心筒钢板墙深化设计。通过模型输出深化设计图纸，指导复杂部位施工，切实保证工程质量。

3.2 幕墙BIM深化设计方法

本工程主楼及裙房外立面装修均采用幕墙体系，幕墙系统复杂多样，涵盖铝板幕墙、石材幕墙、装配式单元窗、铝板开启扇、金属格栅、石材格栅、铝合金百叶、金属格栅吊顶、玻璃栏板等。

利用BIM技术对幕墙系统进行深化设计，实现方式是通过Rhino建立幕墙表皮模型，同时建立参数化的幕墙构件，通过Grasshopper[5]将幕墙表皮与参数化构件相结合，生成工程整体幕墙模型，深化设计充分考虑现场安装的要求，对节点细部做法进行可视化演示。主楼外立面采用层间装配式半单元幕墙，如图4所示，通过BIM标准化设计，对标准构件进行归类统计，利用管理平台实现了设计、加工、生产、安装一体化管理。

图3 地下核心筒钢板墙深化设计

图4 装配式半单元幕墙深化设计

4 基于BIM的钢结构、幕墙数字化制造

本工程以深化后的钢结构模型为基础，将钢结构模型中的构件输出DSTV格式的数控文件。然后将DSTV格式的数控文件导入SmartNest软件进行排料并输出数控程序代码直接用于数控机床零件切割，最终完成了钢结构构件的加工任务。利用BIM数字化管理平台，实现业主、设计、加工、运输、安装为一体的数字建造方式[6]，大大地提高了工作效率，如图5所示。

图5 数字化管理技术流程

5 碰撞检查

同时利用调整优化后的管线模型，对机电构件进行分解，并出具构件加工清单，大大提高了加工效率，节省了工程成本。

图6 地下室管线排布

6 BIM技术应用于赛后改造方法

本工程精装修包含：木地板、地砖、墙砖、金属板、石膏板吊顶、铝方通吊顶等；

机电系统包含：新风系统、VRV空调系统、给水系统、热水系统、中水系统、排水系统、电气系统、弱电系统等。为了实现赛后改造少拆改，利用BIM技术对赛时、赛后户型进行方案比选，对机电管线布置考虑功能使用，同时满足方便改造的要求。

项目以深化后的模型为基础，通过VR虚拟样板间展示，确定最适合拆改的方案，采用BIM技术制作工艺演示动画，并对施工人员进行可视化交底[8]，如图7所示，使操作工人熟悉工艺流程，明确质量标准，解决了传统交底方式落实不到位的情况。

图7 地下室管线排布

7 BIM在施工进度管理中的应用方法

进度是项目管理的核心要素之一，在工期比较紧张的项目中，如何完整考虑施工进度、设备交付安装调试进度、资源费用优化平衡等，是每个管理者非常关心的。

相较传统粗放的进度管理方式，计划与实际工作脱节，单纯考虑工序间的顺序，而忽略了人、材料、机械的内在联系，导致管理很难及时掌控全局，进度计划成为一种摆设。

本工程在进度管理方面主要是通过BIM模型与Oracle Primavera P6联动，首先在进度计划编制时将影响项目的各种因素罗列出来，依据实际工序将各任务关联起来，形成联动的进度计划，通过开发的API接口，将创建的计划信息完整导入Synchro Pro中，同时使用BIM模型确定流水段[9]，将流水段内的构件与计划信息相对应，形成模型+时间的联动状态，在进度计划里确定里程碑目标后，合理分配资源、优化各任务时间，实现了4D施工模拟实现进度管理的微观和宏观控制。

以本工程桩间土施工工期为例(1月5日-3月25日)，在编制进度计划时考虑桩间土投入相关因素，人工因素有普工、挖机司机、测量工和管理人员，机械部分主要考虑挖掘机和渣土车。

工程开工日期为2019年1月6日，其中挖土计划75天，A区挖土12 000m3，B区挖土10 000m3，C区挖土9 000m3。项目计划于3月25日竣工。至3月5日之前，A区已完成9 250m3，B区已完成6 715m3，C区已完工5 080m3。根据该项目其中21天的具体投入与产出，对该项目的进度进行评估，预测到工程进度相对滞后，提醒项目管理人员及时做出决策。

在4D施工模拟中，如图8所示，管理人员直观地了解到项目进度偏差、预计完成时间相对滞后，通过整合优化资源，及时采用“平行分区，分段流水”的作业方式，使各班组施工任务最大化，避免了因工序衔接不顺导致的窝工。