北京某主题公园BIM正向设计应用实践及创新

贾学军 王久强 史 琦

(1.南京工业大学 土木工程学院，南京 210009； 2.中国建筑第二工程局有限公司华东分公司，上海 200135)

引言

近年来，人们对于高质量文化娱乐活动的需求日益增强，中国正日渐崛起成为世界上主要的主题公园市场，各地兴起了主题公园建设的热潮。

大型主题公园往往包含主题建筑、游艺设施、景观道路、河道湖泊以及配套酒店、商店和其他设施等，其规模相当于或甚至超过一般的文旅小镇，而且有着区别于普通小镇的鲜明特点，如其具有大量造型复杂的构筑物、大量尖端的动感游艺设备等，都为主题公园的建设带来了极大的施工难度。又由于其建筑物的造型通常为了还原某个电影中的主题场景，因此也包含了众多由一张概念效果图而开始的数字化正向设计。

本文将以北京某主题公园建设为例，详细阐述了以BIM技术为主要数字化设计手段的塑石假山正向设计、轻钢龙骨正向设计、骑乘结构地下结构埋管正向设计以及穹顶高空作业阶梯式操作平台正向设计在主题公园建设过程中的应用。

1 工程概况

1.1 项目简介

北京某主题公园位于北京市通州区文化旅游区内，全球规模最大，总面积超过4km2，乐园核心面积1.2km2，一期包括一个主题公园、一个零售、餐饮、娱乐综合体、两座主题度假酒店和一座停车设施等，项目建设效果图如图1所示，项目建设位置如图2所示。

图1 项目效果图

图2 现场位置图

本司承建其主题公园7个特色主题景区中的2个，分别为712(区域2)和717(区域7)：包括侏罗纪及小黄人两个主题乐园。项目建筑用地面积10.7万m2，共有12座单体建筑，其中游乐设施5处、剧院1处、餐厅5处及后勤用房1处。单体建筑结构复杂，专业系统众多，采用边设计边施工，变更量很大，对技术要求高，协调难度巨大。

1.2 工程难点与特点

(1)单体建筑造型复杂

单体建筑造型复杂，设计难度大。园区最高的单体为201百鸟园假山单体构筑物，高49m，局部三层，地下一层。整座假山总计2 500t，约有9 400根杆件。在假山建造初期，需要完成大量的设计工作，从创意模型到实体模型制作是艺术创作的过程。当实体模型被创意认可后就进入了正式施工筹备阶段。应用3D扫描技术将实体模型转为三维数据模型，再应用BIM正向设计技术在数据模型上完成假山全专业设计与整合。设计成果作为唯一的施工依据，指导现场进行加工与生产，BIM设计模型如图3所示。

图3 巨型假山BIM设计模型

(2)设计难度大

为了更好地营造沉浸式游乐氛围，主题公园的建筑造型通常会模仿经典电影中的场景设置，由于其具有富有艺术特色的复杂造型，许多构筑物在建设初期，外方提供的设计资料仅为一张概念效果图。如201百鸟园假山单体，外方初期提供的资料仅为假山的概念方案，如何将概念方案转化为重达2 500t，9 400根杆件的巨型塑石假山，同时又使假山的造型满足业主的创意需求，这是工程设计的难点，也是施工的难点。利用BIM技术直接在三维环境里进行设计，再利用三维模型和其包含的信息，表达二维图纸所表达不出的图形位置关系。

(3)工程协调难度大

园区包含单体多、分布分散、施工场地环境复杂、工程工序复杂、工序之间交接配合多以及协调难度大。以装饰装修工程为例，装修工程涉及专业繁多，施工作业面广泛，同一区域存在多个专业和不同工序交叉作业现象，例如墙体施工，包含大量的其他专业预留预埋内容，因此工序的交接配合协调是其顺利实施的关键。只有在施工前完成专业之间工序协调的确立，利用BIM正向设计实现图纸意图，才能加快多专业施工范围工序流转及实施进度模拟，降低工序颠倒造成的时间及物质损失[1-3]。

2 应用创新

本工程在BIM应用中进行了创新，具体内容如下：

(1)利用BIM与缩微模型结合技术对假山等大型结构模型进行施工图纸转化，通过等比例创建假山微缩模型，仿真模拟假山的轮廓造型，并结合三维扫描技术获取假山轮廓参数信息。基于轮廓参数信息，正向设计假山骨架结构，降低了设计过程中的数据传递损失，节约了工期；

(2)利用BIM进行轻钢龙骨正向设计，优化传统设计流程，高效指导现场施工；

(3)利用BIM正向设计，对骑乘单体地下结构埋管进行设计模拟，极大提升了设计施工效率，节约工期，促进项目实施；

(4)利用BIM正向设计，进行穹顶高空作业阶梯式操作平台设计优化及施工，加快工程施工进度，保证施工质量，节约了成本，实现了预期目标。

3 BIM正向设计应用关键技术

3.1 BIM正向设计理念

BIM正向设计所传达出来的理念是指在设计之初即采用BIM技术作为设计手段。BIM正向设计是BIM技术应用中最高阶的一种，它构成了BIM技术应用水准的一道分水岭，区分了BIM应用进程的初级阶段和高级阶段[4]。

本工程采用BIM正向设计技术，实现在三维环境进行正向设计，优化设计流程，提高工程质量。本文以假山模型设计、轻钢龙骨设计、演艺骑乘单体地下结构埋管设计和穹顶高空作业阶梯式操作平台设计应用为例做具体阐述。

3.2 基于BIM的假山正向设计

本工程为营造逼真的主题场景，设计了大量的假山构筑物。由于假山是非常规造型，在设计过程中首先要创建出一个微缩实体模型，再根据微缩实体模型采集相关空间点位信息，最后完成假山施工图的设计。传统的设计方法无法将造型复杂的假山详细地表示出各部件之间的空间位置关系，因此采用BIM正向设计显得尤为重要[5-7]。

通过三维数字扫描技术扫描假山微缩模型，获得具有相对位置关系的数据信息，并利用BIM软件对三维数据信息进行电子雕刻，去除无用的数据信息，生成真实有效的三维轮廓模型，正向设计协同流程如图4所示。

图4 假山正向协同设计流程

在三维轮廓模型中运行碰撞检测，确保各轮廓模型间没有冲突，检测完毕后，即开始假山的正向设计。对假山的钢筋网片模型进行正向设计，先将假山表皮分割成若干个小单元，每个单元分别作为假山表皮的最小独立单元，再对该单元进行受力分析，确定内部钢结构骨架的搭设方案，使用Tekla软件进行钢结构正向设计，最后生成钢结构BIM模型[8]。

模型包含加工、施工所需的全部数据，将模型数据提取即可指导工厂加工、现场施工[9]。

3.3 基于BIM的轻钢龙骨正向设计

本工程各种游乐建筑物内包含多种异形轻钢龙骨墙体，为满足主题公园特色的游乐体验，内部墙体造型相对常规工程也较为复杂多变。利用BIM技术进行轻钢龙骨的正向设计，能够高效、便捷、清晰地表达轻钢龙骨的结构体系，改善传统设计过程中数据类型不统一、指导性不强的情况。

首先，在BIM软件中提前设定好轻钢龙骨的材质、类型与间距等参数信息，然后在建筑模型中创建单个龙骨的结构模型，根据墙体的厚度、高度与宽度进行龙骨的受力分析，确定龙骨的尺寸和排布规则。尺寸和排布规则确定后，使用Dynamo进行建模，在Dynamo软件中设定轻钢龙骨的排布逻辑，根据定义的逻辑和参数即可生成轻钢龙骨模型。Dynamo可完成一些重复性、有逻辑性且以Revit常规建模方式难以达成的工作，能够在建模过程中有效地简化重复性内容，提高建模效率。

创建的BIM模型中包含尺寸、材质等信息，现场可根据BIM模型提取平面、立面和剖面图纸，提取工程量和加工清单，在工厂内完成轻钢龙骨的定尺加工，假山正向设计步骤详图如图5所示。

图5 假山正向设计步骤详图

3.4 基于BIM的骑乘单体地下结构埋管设计

除了建筑之外，主题公园的各种设施有着特殊的专业功能要求，很多构件需要艺术性和游艺功能以及各种声光电专业和游艺设备的配合，才能实现完美的游乐体验。这些众多的特殊专业介入使得建筑过程变得更加复杂。

为了解决骑乘及演艺游乐设备的电缆敷设问题，并营造完美的沉浸式游乐体验，采用多层地埋管形式将骑乘及演艺的电缆全部敷设在地面以下，此种方式更具有隐蔽性，能够完美打造场景游乐效果，但由于游艺设备所需的供电线路繁杂，本项目仅8万m2的地下就预埋了长达100 000m的管线。

采用BIM技术整合演艺布置信息、建筑结构及配电箱柜尺寸等信息，确定箱柜安装位置，形成初步连线图纸并简单分层。地下埋管路线，与其他专业及管线综合协调。分专业、分系统导出施工图，包括各管段起末点位坐标、管段编号、大小、标高及电缆尺寸等。图纸报审并通过后用于现场施工。地下结构埋管正向设计流程如图6所示[10]。

图6 地下结构埋管正向设计流程图

3.5 基于BIM的穹顶高空作业阶梯式操作平台正向设计

北京某主题公园的主场景之一的建筑物结构形式为钢结构穹顶，外挂玻璃幕墙，高空作业如使用常规脚手架将会占用室内空间较长时间，无法满足工期要求，且普通的吊挂平台无法做出拱形效果。

利用BIM技术进行高空作业阶梯式操作平台设计，使用环板套装在主结构上，在环板上预留螺栓孔，吊杆使用矩形钢管，在矩形钢管顶端两侧焊接T型连接板，通过螺栓与环板连接，如图7～图8所示。

图7 高空作业阶梯式操作平台BIM模型

图8 高空作业阶梯式操作平台剖面图

吊杆上根据平台标高在中间部分与底部分别设置托板。根据平台水平梁的角度在托板上焊接连接板，连接板与水平横梁通过螺栓连接达到施工平台错层布置，达到拆除时免切割的目的。该技术针对大跨度拱形结构，采用了阶梯式吊挂平台设计方案，通过楼梯将各平台连接，使操作平台既满足高空作业的安装要求，又满足空间占有率小的要求。

4 结语

北京某主题公园造型复杂、施工难度大，如果采用常规二维设计方法，一是无法满足美方外资团队对于创意造型的多变要求，二是二维图纸也无法体现出众多钢构件的空间位置关系，图纸表达将变得极为不顺畅、不清晰，从而导致施工难度加大，因此采用BIM正向设计手段必不可少[11]。

本文以北京某主题公园的建设过程为例，阐述了塑石假山、轻钢龙骨、骑乘结构地下结构埋管和穹顶高空作业阶梯式操作平台等BIM正向设计技术在北京某主题公园建设过程中的应用。通过BIM正向设计将问题解决在施工之前，将返工率减低为零，更好地协调和落实了工程创意团队、建设团队、设计团队和监理团队的各项要求，能够缩短施工工期，减少各专业交叉重叠、衔接不当而造成的返工浪费的情况，提高了工程质量，并创造了一定的经济效益。本项目的BIM正向设计对国内主题公园的建设具有一定的参考借鉴意义。