BIM技术在莫比乌斯环状钢结构工程中的应用

张立刚，张文斌，吕洋，贺斌，田瑞斌

（中建八局钢结构工程公司，上海 200125)

1 概述

中央美术学院青岛校区以“莫比乌斯环”造型呈现的教学综合楼是整个项目的精华所在。从空中俯视，它由两个“8”组合而成，传递“循环往复”的整合理念（如图1)。

图1 教学楼莫比乌斯环效果图

本工程钢结构主要分布在1#连桥、2#连桥，总吨位约1.7 万t。1#连桥地下一层，地上五层，高度24m，三个交通体通过两个跨层桁架连桥进行连接，最大跨度60m。2#连桥地下一层，地上五层，高度24m，四个交通体通过四个跨层桁架连桥进行连接，最大跨度73.5m。独特的曲线外型，给项目的施工带来巨大的挑战。

2 BIM建构逻辑规则

该项目以程序计算和几何推理双重的方法，建立项目的“建构逻辑”规则以控制莫比乌斯型体的几何数值和三维定向取值。莫比乌斯教学楼建筑形体的关键部位构件在BIM 建构逻辑规则下进行逻辑划分及数字性模型控制，运用参数化技术建立了多路径连线可控的设计深化与现场全方位建造信息反馈优化路径。实现了对中央美术学院青岛校区项目莫比乌斯环状复杂形体构件精确性定位和几何逻辑控制。

利用BIM 三维模型获得确定控制点的X、Y、Z坐标，结合施工图纸中的定位的坐标、基准控制点和实际尺寸进行测设，避免了因工程造型复杂所产生的一柱六向复杂钢结构节点、9 700 余种构件类型精确加工、20m 大悬挑结构施工、单品重量60t 大型跨层桁架吊装、钢-混凝土结构分缝设计交叉作业、狭小空间异形钢结构预拼装、钢结构流线型非等距悬挑连桥曲线梁精确空间综合测量定位安装等难题。通过可视化的BIM 技术模拟，只需要输入一个日期即可获得该时间点的工作面情况，给总承包管控提供了一个高效的综合服务平台。

3 BIM技术的深化设计应用

3.1 莫比乌斯环建模

莫比乌斯环建模难度大，既要实现曲面流线造型，又得保证设计合理性与施工可行性。通过犀牛软件建立复杂几何模型，导入MIDAS 计算软件进行结构设计，使计算模型与实际工程的形体更一致，计算结果更精准。

3.2 BIM可视化应用

通过BIM 应用采取可视化手段，进行碰撞检查、净高协调、预留洞口设置、维修空间校核、管线排布优化等技术措施，让机电安装、钢结构等设计工作得到高效开展。

3.3 钢连桥难点剖析

曲面流线型钢连桥高度8.6m，跨度达73.5m，桁架及构件的选型布置难度大。主要采用楼面梁和斜撑形成的大桁架来抵抗竖向荷载，通过端部腹杆和底部斜杆，把竖向荷载传给两端下部钢管混凝土柱。

3.4 满足建筑功能

连廊部位为画室，对自然采光和结构空间布置的要求较高。把大桁架腹杆由十字交叉斜杆改为单斜杆，并设置通高天窗，减小结构遮挡，提高采光性能。屋顶花园覆土厚达0.8m，需满足荷载、建筑净高、构件变形的控制要求。满足建筑室内净高要求、控制梁截面高度的前提下，通过改工字型梁为箱形梁、增加钢梁截面宽度、翼缘厚度等措施满足承载力要求。

3.5 图纸深化

约束钢管内置型钢不连续，且无支撑，该处钢筋密集，对搭接板精度要求高，现场施工难度大。对搭接板和钢筋套筒等用Tekla 进行精细建模，确保搭接板和套筒位置准确无误，给现场施工节省30%的人力和物力成本。

3.6 消防管控

通过BIM 技术对地下室紧急疏散进行反复模拟，有效的识别出人员聚集点，针对性的优化调整，最终形成可靠的疏散方案。

4 BIM技术在施工管理的应用

4.1 施工总平面布置

利用BIM 进行临时设施布置、大型机械设备选型等一系列问题的研讨，为施工总承包顺利实时奠定坚实的基础。地下室的冷冻机组的吊装需要科学的选择路径，合计机组规格尺寸和结构。通过BIM 模拟反复优化最确定预留洞口的具体位置和调运方式。对地下室物料运输方案的策划亦应用BIM 技术进行虚拟空间的模拟，确定运输车辆的规格和路径。通过BIM 模型和有限元软件的结合计算出新建结构的最大变形部位，并针对性地进行现场检测。对基坑拆除进行客观有效地分析和检测。

4.2 现场管理应用

BIM 模型优化后，上传至云端服务器，现场施工人员现场通过平板电脑八局EBIM、BIM360等操作，即可便捷地进行模型查阅、问题标记、模型测量、现场记录等一系列工作，有效提高现场管理的效率。将测量机器人和模型无线连接，在模型上选取目标点，移动机器人将进行跟踪定位，速度达60m/s，最终实现异形曲面钢结构构件和幕墙板块空间三维坐标精确定位。

4.3 对连桥沉降观测数据的处理

以往得到检测数据后，要参照监测报警值与位移值进行比对，而且要与第三方监测单位的监测数据对比。利用现有钢结构连桥图纸和Revit、Tekla-BIM 软件，以及建模细则和规范生成钢结构连桥Tekla 三维BIM 模型。Dynamo 将数据信息与钢连桥模型进行有效整合，使数据三维可视化。观测数据与钢连桥的位置一一对应，从而直接体现钢结构连桥变形情况，方便管理人员数据分析，做出更具针对性的方案，对工程拼装、吊装、安全防护措施布置实施起到积极推进作用。

4.4 成本管控

通过Tekla 数字模型可视化算量等应用，提高工程量计算、资源统计的工作效率，在此基础上拓展BIM5D 应用，通过数据上传，实现进度、成本模拟，实现“互联网＋BIM”有效互通；协助项目提前预知和化解各专业冲突等问题。利用EBIM 进行施工模拟，同步进行工程量统计，避免材料的浪费，BIM 工程师建模之后可省去造价工程师重新算量，节约人力成本。实现了及时、动态可视化的成本管控，为项目管控提供全面可靠的技术支持。BIM 完成虚拟模型后，使用3D打印机进行样板打印，大大降低了构件开发制作的成本。

5 BIM技术在绿色施工的应用

中央美术学院项目开展了《绿色施工成本分析与碳足迹评价》产学研课题研究，基于大量的现场碳足迹评价及调研和开发，形成施工期间碳排放量数据库，并与BIM 模型结合，形成可计算、可预测、可控制的碳排放量实施体系。

通过BIM 技术对各种类型的灯进行模拟排布，分析照明效果、能耗情况、作业面测光等，最终决定150W 和100W 的LED 组合照明，综合创效达182 万元。通过对夜间照明模拟对周边小区的光污染进行模拟分析，优化了照明布置和灯具方向，有效减小了光污染的影响。

6 总结

中央美术学院青岛校区钢结构工程的莫比乌斯环建筑，通过BIM 技术的应用，查找图纸问题50 余处，机电深化设计解决碰撞，预留洞口避免返工；发现冲突碰撞点12 000 多个，优化管线布置区域100 多处、优化钢结构构件、幕墙板块200 多个；节约材料，减少人工110 个工日，缩短工期70天，预计综合创造效益600 多万元，绿色施工节能创效达182 万元；解决了现场测量精确定位等问题，对同类工程具有借鉴意义。