徐家汇体育公园“两馆一建”BIM综合应用

辛家舜 王孙骏 曹 阳

(上海建工五建集团有限公司，上海 200063)

引言

BIM技术在中国发展的十几年间，总体来说是一个加速发展的过程[1]。欧盟目前正致力于工业4.0[2]在建筑业的落地，以数字孪生[3]等关键技术为支撑，并利用 BIM 技术真正实现建筑行业的现代化。实现数字化施工，必须采用BIM、云、大数据、物联网、移动互联网、人工智能、3D打印机、VR、AR、区块链以及三维激光扫描技术等新技术，在新设计、新建造和新运维[4]这三个阶段发挥巨大价值。

1 工程概况

徐家汇体育公园建设项目占地面积约127 720.9 m2，建设项目总用地面积115 487.7 m2，包括地上建筑； 建筑面积51 386.4 m2，其中地下室面积64 101.3 m2； 新建综合体占地面积58 635 m2。项目旨在保留原上海体育场和上海游泳池的主体建筑，同时实施内部改造，建设地下运动基础设施和室外结构。项目分为三个单元：上海体育馆、上海游泳池改造工程和体育综合体。项目地下室建筑主要配备运动房屋、地下车库和下沉式广场。地下室建设主要包括两部分：上海体育馆新增地下室和新建体育综合体。

上海体育馆建于1975 年，建筑面积32 000 m2，主馆直径110 m，高33.62 m[5]。外部改造为：屋面与网架更新，幕墙更新裙房与大台阶重建； 内部改造为：结构加固机电与装饰更新。上海游泳馆建于1982 年，地上四层、平面呈不等边六角形高30 m、东西93.5 m、南北90 m、周围有5.5 m宽的挑檐。本项目两馆改建主体结构，部分拆除，部分新建，部分加固，各项工作交错施工，两馆改建与新建综合体基坑施工同步进行，周边环境复杂，如图1～图5所示。本文着重介绍项目施工过程中借助BIM以及三维扫描技术解决以上难点的方法。

图1 项目效果图

图2 体育馆改造前图

图3 体育馆改造后图

图4 游泳馆改造前图

图5 游泳馆改造后图

2 施工BIM综合应用

2.1 模型深化

本项目涉及多个专业，深化设计由总承包单位管理，各专业承包单位直接进行本专业图纸的深化。从不同专业的深化图纸来看，深化完成的图纸可以满足各专业的要求，但与其他专业的合作往往有限。因此，由总承包商负责各部门之间的详细协调尤为关键。

在结构深化工作中，着重对结构留洞及梁加腋位置进行重点排查，向设计单位提交多份软、硬碰撞报告，在现场施工前解决大量专业内图纸问题。项目经过多次改建，将BIM模型分为两块：其一是施工前通过原始图纸，结合现场踏勘进行的原始土建模型，并通过三维扫描复核模型的准确性； 其二是依据本项目施工图改建完成后的新建模型。通过模型为交流载体，对建筑的拆除及加固方案进行讨论优化，在施工过程中确保结构安全稳定，两馆BIM模型如图6～9所示。

图6 体育馆原始模型

图7 体育馆改建模型

图8 游泳馆原始模型

图9 游泳馆改建模型

2.2 图纸优化

创建各专业 BIM 模型后，模型会被划分为多个区域，并逐一检查各个区域、多专业间碰撞及设备安装空间不足、净高不足和空间不满足使用需求等问题，然后整理报告，流转设计，最后由设计给出回复意见,参与者根据这些问题更新设计图纸，再更新 BIM 模型以进行联合验证。这样可以集成平台信息和数据，通过BIM 协同管理平台实现完全共享，能够保证图纸质量并解决施工阶段存在的诸多问题。例如，本项目新建综合体弧形屋面发现起坡点建筑与结构不一致，最后由设计给出回复，如图10所示。

图10 弧形屋面起坡点面

2.3 钢结构深化设计

本项目采用自动生成的深化图纸的方式，图纸中需补充说明用于加工和安装的辅助数据，并对安装节点的构件进行编号。

本工程原体育馆网结构为三向普通三角桁架体系，由边长6.111 m、网状结构高度6 m、中心拱2.5 m的三角网格和930只钢球组成； 体育馆新建网架由中心环和36榀径向主桁架组成，主桁架之间共设置由9组环向桁架； 主桁架自身高度5.800 m，支撑于原结构36根混凝土柱顶，环向桁架最小半径11.423 m，最大半径58.650 m。

游泳馆原屋顶结构形式为三向三角形网架结构，网架高度最大为7.6 m。网架总重量约为420 t； 新建网架外形尺寸与原网架相同，边缘根据建筑改为圆角。新建结构重量约为800t。游泳馆改造去除比赛功能，拆除原有看台，增设二层至四层内部功能空间。两馆改造前后网架效果对比如图11～图14所示。

图11 体育馆原网架

图12 体育馆新建网架

图13 游泳馆原网架

图14 游泳馆新建网架

本项目两馆拆除的难点：网架结构跨度大(其中体育馆要达到110 m)，施工机械布置困难； 网架面积大(体育馆+游泳馆约2万m2)，重量重(超1 000 t)，拆除困难； 拆网架属于高空作业，安全防护设置存在困难。新建的难点：体育馆新网架属于桁架结构，桁架尺寸大(高度6 m)，超宽构件运输困难； 钢桁架(桁架)安装高度难以精确控制以及焊接质量控制难以保证； 两馆新建都需使用大量施工脚手架，对地面要求高。体育馆使用609钢管以及盘扣式脚手架作为支撑体系，609临时支撑体系[6]搭设完成后，再施工馆内满堂支撑脚手架。体育馆中内侧满堂脚手架纵横距1.2 m，步距1.5 m，面积约10 000 m2，高度26 m。609临时支撑系统单支撑高度高，整体稳定性难以满足要求。通过水平结构，将独立支撑形成支撑系统，提高整体的稳定性。借助BIM技术模拟钢结构方案，利用模型指导现场施工，确保结构安全。场馆支撑系统如图15～图16所示。

图15 体育馆支撑系统

针对游泳馆网架的拆除采取相应措施：在泳池及跳水池设置22组中间支承架和M60满堂盘扣架作为临时支撑系统，设置上弦预制马道平台，马道操作平台通长设置2道，上弦马道平台为统一规格，10.3 m长或5.15 m长，每座重约0.6 T(0.3 T)，马道操作平台如图17所示。

游泳馆网架的散拆步骤：依次切割下弦、腹杆和上弦杆件，利用绳索放至地面，将爬梯依次吊离； 吊钩绑扎固定，锥体切割前，在上弦杆件加焊限位板，锥体采用三点吊装； 拉起连桥，切割下弦及腹杆，固定缆风绳，切割腹杆上端，切割上弦联杆，慢松缆风绳，让锥体略向外旋转，稳定后吊至地面，通过Tekla完成建模深化与定位，如图18所示。

图18 游泳馆网架拆除措施

2.4 复杂节点与施工方案模拟

(1)复杂节点模拟

体育馆原结构框架柱须保留并进行加固，梁柱连接处节点复杂。BIM团队通过对节点建模与设计院、深化单位、同济大学加固专家、现场的钢筋工及木工等班组长共同制定节点加固方案，以确保结构改造安全。对于特殊构造形态，二维图纸很难向班组表述清楚，模型便是最好的解决问题的手段。

采用BIM技术深化节点可以避免传统的设计深度问题，协调在设计与施工阶段信息资料的一致性。BIM的信息集成能力能够使特定的设计需求获得更细致的表现细节。另外，3D建模可以用来模拟施工计划，预测和预处理施工过程、位置、进度和难度级别，以提高整体项目利润，体育馆结构框架柱复杂节点模拟如图19所示。

图19 梁柱连接节点模型

(2)施工方案模拟

创建BIM施工方案与工艺流程模拟以查找施工冲突。在BIM 4D[7]中对施工过程进行仿真时，将仿真结果转化为施工动画，并将动画结果与施工现场进行对比进行演示。将时间信息插入动态3D 模型，链接构建计划，并将构建过程中的每个作业视为虚拟构建过程的可视化组件。将BIM技术和施工进度相结合，把控关键施工节点，进行虚拟建造，提前预知问题、解决问题，确保施工连续性，保障施工进度。

本项目游泳馆满堂脚手架的排布：游泳馆旧网架拆除阶段在两侧看台及中间泳池位置分别搭设满堂脚手架作为拆除支撑。新网架安装阶段在两侧框架结构顶板上搭设满堂脚手架，中间泳池位置满堂脚手架不作拆除。通过 Revit 建模导入 Fuzor，给组件时间，最后形成创建动画模拟的过程，拆除和新建脚手架如图20～图21所示。

图20 游泳馆拆除满堂脚手架

图21 游泳馆新建满堂脚手架

游泳馆旧网架拆除采用300 t汽车吊与ST6015及ZJ6018塔吊，自北向南，逐条拆除，每次拆除一个三角小单元。拆解双球锥体单元，重量1.3-1.8T，采用三根5T吊装带； 标准四球锥体，重量2.5-3.2T，采用四根5T吊装带，施工方案模拟如图22所示。

图22 游泳馆拆解双球锥体单元

3 三维激光扫描技术

3.1 三维扫描概况

3D激光扫描技术也被称为“实景复制技术”[8]。在上海体育馆、上海游泳馆改造及新建体育综合体项目中采用三维激光扫描技术，对施工过程中的建筑物体进行真彩色三维扫描，高精度采集现场真实坐标数据及纹理信息，其输出的三维格式点云可以直接插入到Revit软件中进行真实场景的三维建模，也可以将现场土建及钢结构的点云数据与设计的BIM模型做对比分析及干涉检查，实现建筑施工的精度检测、BIM模型调整及现场安装指导，优化管线排布方案。对改造后的建筑体及机电管线进行全方位扫描的三维点云，也可作为竣工验收及后期维护的重要依据。

上海体育馆、上海游泳馆改造及新建体育综合体项目可用场地非常有限，且场地主要为场馆改造和新建，大面积三维扫描，直接影响到周边工作的进度。为如期完成竣工目标，对扫描精度和施工组织安排提出了更高的要求。在施工场地内选择四处相互通视且基础稳定的位置，设置场区固定测量控制点，形成上海体育馆、上海游泳馆改造及新建体育综合体项目三维扫描控制网，以便后续测量控制的统一性和稳定性，两馆三维扫描点云如图23～图26所示。

图23 体育馆整体扫描点云

图24 游泳馆整体扫描点云

图25 体育馆夹层梁扫描点云

图26 游泳馆内部扫描点云

3.2 三维扫描内外业处理工作

(1)外业工作

为了更准确地捕捉点云和BIM模型，本项目使用全站仪测量建筑坐标系和数字化坐标系。作为永久控制点，至少在待测对象周围放置四个控制点，并使用全站仪测量施工坐标。每个目标的坐标与从扫描仪获得的各个目标点的坐标相结合，控制扫描仪的局部坐标。扩展目标时，参考球必须在两个扫描站之间居中。两个站之间至少需要三个可见的参考球，参考球体和站点在等边三角形附近形成分布。参考球体之间必须有一定的距离。参考球和设备之间的距离取决于扫描仪的分辨率设置。纸张的目标布局与扫描仪的视角垂直，距离在10 m以内控制。

(2)内业工作

实地勘察完成后，使用扫描仪的关键是处理内部点云数据。根据从扫描仪和全站仪接收到的点坐标数据，将其导入适当的点云处理软件中。

项目使用FARO SCENE软件进行点云过滤、颜色匹配和拼接等。将原始数据从SD卡导入计算机并在SCENE 中打开，选择预处理命令完成过滤、目标搜索、颜色匹配、拼接和项目工作区生成等过程，获取即时的黑白或彩色点云，将全站仪获得的数据导入扫描簇进行外部参考控制，并将坐标转换为所需的坐标系。软件中的特殊计算方法优化了扫描数据，从而自动去除不合理的噪声点，还可以在扫描过程中手动去除行人、车辆和其他人为噪声，以获得干净清晰的3D 点云数据，从而获得点云过滤器。通过三维点云的全景照片选取3个以上的特征点，然后在BIM模型中提取对应特征点的位置，通过scene注册功能，将整体点云坐标转换到BIM模型坐标系当中，完成坐标转换，便于后期进行偏差分析及碰撞分析。

将拼接完整的点云及设计的BIM模型同时导入Geomagic Control软件中进行配准并做对比偏差分析，钢结构精度分析如图27所示。

图27 钢结构精度分析

由于土建施工及钢结构安装会有误差，用FARO三维扫描仪扫描幕墙承重结构，与设计模型配准，进行精度分析，以点云数据为基础逆向建立承重结构及幕墙的真实施工模型，形成最终可施工的模型成果，指导工厂精确生产及现场精准安装。

利用FARO As-Built for Autodesk Revit[9]插件可以直接在Revit点云中创建三维模型，墙壁、管道和结构要素如横梁和立柱可以快速而准确地创建，如图28所示。

图28 钢结构精度分析

利用点云和Revit模型进行墙体的平整度分析，对比结构可导出为剖面线，如图29所示。

图29 墙体平整度分析

(3)三维扫描频率

针对体育馆和游泳馆改造施工工序，项目拟定以下扫描频率：体育馆主要体现屋面网架的撤除和安装改造，项目准备在旧网架撤除前扫描——撤除过程中扫描——屋面安装完成后扫描三个阶段；

游泳馆主要体现屋面网架安装改造(空中拼接工序)，按照施工工序，在网架拼装前扫描——拼装过程中扫描——屋面完成后扫描三个阶段。两个场馆的施工工序和工作的重点不同，扫描的内容及成果的侧重点也不相同。

体育馆：第一阶段为在旧网架撤除前，将整个场馆全面扫描(重点为网架扫描)，将扫描的点云数据与有的BIM模型对比，比对出局部或整体结构的差异，同时也为撤除和安装过程建立了实际现状模型； 第二阶段为整体或局部扫描，形成实体点云数据，通过点云数据比对设计模型，可以检核安装过程的全程质量，为技术变更提供依据； 第三阶段为验收阶段，整体结构扫描，形成最终的点云数据和实体模型，与原有、设计、撤除前模型比对，分析结构差异性，同时为运营提供了相关数据。

游泳馆：在空中拼接构件前扫描，建立初次实际点云模型，与原有模型比对，检核原有模型的差异性，为设计提供实际数据； 过程扫描阶段为检核拼装的质量为技术变更提供依据和指导； 待脚手架和支撑全部撤除后再整体扫描，形成最终模型，比对和分析整体变形以及为运营提供后期数据。

3.3 模型配准

首先在scene提取柱中子中心部位至少3个特征点，按顺序命名，然后在Revit模型中提取相应部位的三维坐标，并以相同的名称命名，利用强制匹配功能将点云的独立坐标转换成与BIM模型一致的坐标系，最终匹配精度5 mm以内。平面坐标匹配用于分析平面位置偏差，高程由于现场和模型存在差异，需要单层配准。现场一层地面不平整，高差最大有20公分误差，实际地面中心点与夹层地面的高差约为3.4 m，BIM模型中一层地面到夹层高差为3.55 m。最终将夹层点云的地面高程设置为3.55(与BIM模型夹层地面高程一致)，一层地面中心点高程为0.15左右，以便分析夹层梁柱的位置偏差，如图30所示。

图30 夹层梁柱分析

通过BIM模型导出dxf格式，实体选择多边形网格，单位选择米，坐标选择共享坐标。然后将dxf格式模型导入3Dmax，再导出obj格式模型，最后将obj模型和点云导入Geomagic control软件，两者精确对齐借助于转化后的统一坐标体系。技术人员经过多次测试，发现通过以上方法和软件对模型和点云进行导入和导出可以避免构件信息的缺失，保证模型和点云的完整性。

关于点位的一致性，通过在Revit中导出模型时选择共享坐标，点云在内业处理是通过处理软件选择超过三个特征进行匹配，导出点云模型的时候将包含坐标信息，就可以保证与BIM模型的坐标一致性。如图31～图32所示。

图31 体育馆BIM模型

图32 体育馆点云模型

通过模型配准，点云完整、真实复制现场情况，全方位查看现场、使现场测量尺寸数据化。多阶段三维扫描，记录施工过程、进行隐蔽查看，用于资料留档，同时在竣工后用于质量验收。通过提取点、线、面，可以得到施工现场的实际情况，两馆的模型配准效果如图33～图34所示。

图33 体育馆模型配准

图34 游泳馆模型配准

3.4 偏差分析

本项目将模型设为参考，将点云设为测试，点击分析-3D比较，实时监测改造过程中的结构变形，确保改造结构安全，如图35～图36所示。

图35 体育馆3D偏差分析

图36 游泳馆3D偏差分析

针对两馆，技术人员通过软件在不同高程处生成横截面，进行2D比较，查看并测量点云和模型的位置偏差。发现体育馆内圈层柱位偏差较大，其它柱位基本一致，夹层梁位置存在一定偏差； 游泳馆柱位置基本一致，现场较模型缺少部分柱，位于游泳池周围。将点云插入Revit当中，利用剖面观察偏差，并修改模型位置，土建模型基于结构、建筑设计图纸翻模得出，与施工现场情况存在一定的偏差，如不校正模型，无法用于后续钢结构、机电、消防等专业深化，借助偏差分析调整BIM模型使其能够用于现场施工借鉴，如图37～图38 所示。

图37 体育馆夹层梁位置偏差

图38 游泳馆柱位置偏差

将体育馆二层圆心及柱子平面图打开，插入rcs格式点云，将现场扫描的点云圆心位置与平面图的圆心位置套合，以圆心做为旋转中心将点云旋转至柱子对齐处，并分析柱子平面位置偏差，如图39～图40所示。

图39 体育馆rec格式点云

图40 体育馆柱位置分析

3.5 点云与BIM管线碰撞分析

体育馆和游泳馆建成后经过多次改建，机电管线施工可利用空间较小，拆除、加固和新建穿插作业多，加固新建节点相交，施工工况复杂，针对上述问题，将Revit机电模型生成nwc格式，打开 Navisworks 软件，附加点云进行碰撞分析，并根据点云调整机电模型，优化管线排布方案。

根据现场扫描报告调整机电，再次扫描复核； 对依旧有偏差的管道调整扫描，直到所有管道满足要求，才能封模板； 出具项目管线精度报告，报告中包括扫描区域、扫描管线编号、偏差值描述、BIM模型与点云扫描数据偏差叠合图，并标号标识； 混凝土浇筑与钢结构吊装完成后进行管道位置的最终验证； 同区域多次扫描数据对比，在精度范围内的管线是否扫描数据无偏差，最终形成数据闭合，点云与BIM管线碰撞分析如图41所示。

图41 体育馆点云与机电模型碰撞分析

MEP模型调整及安装指导由于土建施工的误差会影响后期MEP的安装，用FARO三维扫描仪扫描土建部分精确尺寸，与设计BIM模型配准，以点云为基础，调整设计模型，优化管线排布方案，对主要管道系统进行建模，进行碰撞检验，优化MEP系统，也可以使用DWG文件进行交流[10]，施工交底、施工模拟，如图42所示。

图42 模型调整

3.6 幕墙安装指导

由于土建施工及钢结构安装会有误差，用三维扫描仪扫描幕墙承重结构，与设计模型配准，进行精度分析，以点云数据为基础逆向建立承重结构及幕墙的真实施工模型，形成最终可施工的模型成果，指导工厂精确生产及现场精准安装，如图43～图44所示。

图43 拼接后完成三维点云

图44 逆向生成真实模型

3.7 GRG装饰材料加工及安装精度检查

GRG是预铸式玻璃纤维加强石膏板[11]，它是一种特殊装饰改良纤维石膏装饰材料，造型的随意性使其成为要求个性化的建筑师的首选，它独特的材料构成方式足以抵御外部环境造成的破损、变形和开裂。根据加工精度及尺寸大小，可采用大空间三维扫描仪和手持扫描仪对装饰材料生产过程中的模具、成品进行扫描及精度检查。具体操作流程：模具扫描——模具精度分析及调整——成品扫描——成品精度分析，如图45～图46所示。

图45 扫描模型

图46 精度检查

4 总结

上海市徐家汇体育公园两馆一建项目利用BIM技术结合三维扫描技术，解决了主体结构拆除改建以及与改建项目机电深化的结合。钢结构与混凝土部分拆除和保留复杂区域的三维扫描，多次进行扫描与复核误差控制，将理论模型与现场实际模型深度结合，偏差分析后进行现场整改。采用BIM+三维扫描的精细化控制，最终提升项目施工精度。

根据不同工况多次进行侧重点扫描，制定可靠性与可行性兼备的施工方案，结合机电管道碰撞分析，为改造项目的安装专业工作节省了大量时间，有效提高了本次工程的建设施工安全质量。本项目通过BIM技术优化了现场管理方式，提高了生产效率，使施工方案评审更加直观，体现了本工程的领先性与创新性。