技术前沿 | BIM技术在大型场馆建设工程中的应用与效益分析

2019-03-23 02:59:23 / 打印

项目概况

某体育中心建筑面积约8.3万㎡,主体结构为钢筋混凝土结构,屋盖罩棚由钢支撑和单层索网索膜组成,最大跨度260m,座位数约45000个,建筑高度约54m;游泳馆建筑面积约4.9万㎡,主体结构为钢筋混凝土结构,屋盖由钢结构、正交索网和直立锁边金属板屋面组成,最大跨度107m,座位数约3000个,建筑高度约34m。工程质量目标为“鲁班奖”,安全文明施工目标为“国家AAA级安全文明标准化工地”,绿色建筑要求获得中国绿色建筑三星设计和运营标识,并通过LEED认证。

项目对设计、监理和施工BIM技术与成果的要求

工程建设单位立足项目实施全过程和后期运营阶段均运用BIM技术,设计、施工阶段通过BIM技术提高项目质量、进度、成本管控能力,实现精细化的项目管理;竣工验收阶段交付业主竣工BIM模型,配合业主完成竣工模型向物业运维BIM模型的转变,最终实现运营阶段可视化管理与数据管理相结合,达到有序管理、规范管理与科学管理。为此,项目建设方在策划阶段做了大量的调查研究,在分析与论证的基础上对设计、监理和施工单位分别提供的BIM技术与服务成果做了详细的要求。

(一)对设计单位BIM技术与成果的要求

设计人应提供与相应BIM建模阶段深度相匹配的以下成果:

(1)可视化演示:包括建筑空间演示,从地面上下、建筑内外、不同楼层等不同位置、不同视角演示建筑物的空间关系;功能演示;建筑立面演示及分析。

(2)交通组织演示:包括人流、车流、地面泊车港湾、地下停车库的停车位、行车路线以及入退场人流、车流模拟。

(3)净空分析:根据BIM模型,进行各建筑空间的净空分析,协助施工总包方、专业分包方及物业管理公司进行各使用空间以及安装、操作空间的净空分析,并提出改进建议。

(4)各专业、专项设计的碰撞检查以及三维管线综合,包括但不限于:建筑、结构、机电、设备、市政、幕墙、内装、景观、泛光等各专业的碰撞检查以及管线布置的优化建议。

(5)提供主要面积指标、主要材料的工程量,校验工程量清单的编制。

(6)为每个构件和设备的信息输入建立合适的空间,并输入设计阶段的信息,同时也能便于后期施工阶段以及运营阶段的信息更改。

(二)对监理单位BIM技术与成果的要求

(1)根据设计图纸,审核建筑结构及水暖电模型。

(2)数据管理:对各参与方提供的BIM数据进行数据管理,明确各方的BIM更改权限并监督落实。

(3)定期提供各专业、各专项BIM模型的的碰撞检查以及三维管线综合,包括但不限于:建筑、结构、机电、设备、市政、幕墙、内装、景观、泛光等各专业的碰撞检查校核以及管线布置的优化建议;导出并提交碰撞检查报告,制作动画及互动漫游。

(4)定期对设计单位以及施工单位提供的BIM模型进行审查,核对是否满足深度要求以及核对BIM模型的准确性。根据甲方要求,出具关键部位三维轴测图及透视图,并制作互动漫游文件和动画视屏;包括建筑空间演示,从地面上下、建筑内外、不同楼层等不同位置、不同视角演示建筑物的空间关系,建筑立面演示及分析。

(5)针对管线复杂或净高要求严格的部位,做管线施工安装排布图,并做四维施工模拟动画;定期根据BIM模型,进行各使用空间以及安装、操作空间的净空校核,并提出改进建议。

(6)在已完成的模型基础上,搭建工程量统计及施工模拟的BIM模型。

(7)统计主要材料工程量,并按施工进度计划分阶段统计工程量,做好备工备料及资金准备。

(8)根据总进度规划、施工进度计划,完成项目整体及重点部位施工进度模拟,并根据时间节点调整施工模拟;对施工计划跟实际进度的对比。

(9)根据设计变更情况,及时跟踪修改模型;提供变更、签证、进度款发放以及建设单位指定部位的工程量校核,并提供意见。

(三)对施工单位BIM技术与成果的要求

建设单位要求施工单位在施工期间提供的BIM模型主要目的和作用有:

(1)根据设计阶段的BIM执行计划,结合施工阶段的需求,编制整个施工阶段的BIM实施方案、执行计划。所有应用的目的是技术整合、管理支撑与价值工程。

(2)每周提交给发包人、管理公司和监理最新的BIM模型,该模型应及时反映当时施工状况的实际情况(即形象进度)。

(3)基于BIM模型进行4D施工进度模拟、更新和周期性提交。提供图片和动画视频等格式文件,协调施工各方优化时间安排。

(4)根据施工需求进行4D施工模拟,详细阐述各工序安排,及相关4D优化前后的分析,基于BIM模型探讨短期及中期的施工方案。施工模拟中还应包括安全设施、辅助设施、临时设施,包括但不限于各类安全防护设施、围网、脚手架、临时围墙、道路、大门等。

(5)根据发包人要求和施工需求进行大型机电设备进行吊装模拟,包含和不限于:柴油发电机组、空调机组、水处理设备、冷冻机设备、地源热泵、热交换机设备、冷却塔设备等。吊装模拟应充分考虑安全标准的要求。

(6)进行碰撞检查,提供包括具体碰撞位置的检测报告,并提供相应的解决方案,及时协调解决碰撞问题。

(7)基于BIM模型进行管线综合并出具相关报告,准备机电综合管道图(CSD)及综合结构留洞图(CBWD)等施工深化模型。

(8)进行安全风险分析,在BIM模型中对高风险点进行标注。

(9)运用BIM模型进行施工管理,及时发现问题并报告给发包人、管理公司和监理,解决工地现场实际问题,减少现场签证和变更,节约成本,缩短工期,进行安全文明施工。

(10)基于BIM模型的材料统计、施工方案探讨、施工现场监控、设备信息输入、更新及维护。

(11)对BIM模型的深度要求具体如下:

施工图深化设计(及设计变更):物体主要组成部分必须在几何上表述准确,能够反映物体的实际外形;保证不会在施工模拟和碰撞检查中产生错误判断;构件应包含几何尺寸、材质、产品信息(例如电压、功率)等。模型包含信息量与施工图设计完成时的CAD图纸上的信息量应该保持一致。

施工阶段:模型实体详细、模型尺寸准确,能够根据模型进行构件加工制造;构件除包括几何尺寸、材质、产品信息外,还应附加模型的施工信息,包括生产、运输、安装等方面的时间节点、进度、安装操作单位等。

竣工提交阶段:除最终确定的模型尺寸外,还应包括其他竣工资料提交时所需的信息,如工艺设备的技术参数、产品说明书/运行操作手册、保养及维修手册、售后信息等。

BIM技术应用成效分析

本工程从设计到施工全过程应用了BIM技术,在解决重点、难点问题方面发挥了有效作用。

(一)设计方面

(1)将设计理念形象地融入模型实体

工程从概念设计阶段引入BIM技术,通过BIM技术和GIS技术相结合,在场馆形体特征、外立面造型、建筑高度以及建筑物与周围环境相衬托等多方面进行优化,并将三维设计模型提供各方讨论得出最终设计方案,确保设计方案的质量。

(2)使空间定位的设计表达更加直观

结构设计师为最大限度地还原方案设计的意图,在考虑现有设计资料的基础上协调BIM进行模型重塑,重塑后的造型虽然符合建筑美学的要求,但极富工业设计元素的造型,无法使用传统施工图(平立剖)的表达方式描述,因而BIM在此环节充当了“翻译”的角色。

(3)为消防疏散分析提供了便利

建筑设计的消防疏散通道一般不能够预估到结构构件或机电管道设备形成的不利影响,特别在本项目中,由于存在大量异形及不规则构件,传统方法比较难以估量,往往需要设计过程中设计师直观、便捷、高效的设计体验能够解决问题,不能彻底消除疏散不足尺寸的隐患。本工程在运用BIM技术,不仅由单一的物理碰撞或间隙碰撞检查,而且上升到了设计成果与规范强条的碰撞检查,消防疏散的分析变得更加直观有效。

(4)建筑构造的设计优化

建筑美学、可建造性及实施成本历来是一组矛盾体,在看台肋梁究竟是折梁还是曲梁方案选型问题上,设计借助BIM的技术特点,从视觉效果、材料用量、施工难易程度等多个维度进行综合比选,在综合建筑设计、结构设计、施工等各方的经验和意见的基础上,通过BIM模型分析,采用内曲外折的布置方案,从而既满足了结构布置的可操作性,又保证了内场观众能得到一个光滑连续的视觉效果。

(5)屋面钢结构方案优化

体育场屋面结构由40个关节轴承作为支撑体系,最大的关节轴承承载力达108t,体育场钢V柱与地面的夹角是一个变量,前期通过BIM模型测算部分柱墩斜外露尺寸大于1m,不仅视觉感官上过于厚重,且庞大的体积也影响疏散楼梯的有效布置。运用BIM技术,经过多次分析比选,保留了原有轻薄的钢结构构造,将柱墩藏于室内标高下,可建造性与成本均符合要求,实现了各方对于设计品质的追求效果。

(6)专业间设计协调

对游泳馆看台区域,建筑设计在BIM技术的配合下、在协调三维空间的基础上,对斜向看台重塑模型,经过反复的分析推敲,解决了看台边梁的定位问题,兼顾了看台下静压箱的空间。BIM技术利用参数化算法计算出既满足暖通管道敷设空间,又保证看台下最大净高的空间定位。

(二)施工方面

(1)将复杂的施工定位简单化

本体育场、游泳馆两项目具有平面布置不规则、空间变化大、定位复杂、测量要求高的特点,且工程设计有大量异型构件、斜柱、弧形看台等,上部钢结构屋面属于双曲线马鞍形,均需要进行三维定位,为满足施工要求,现场采用GPS、全站仪等仪器进行定位工作,施工单位利用BIM模型直接生成现场施工现场坐标数据,供GPS、全站仪等使用,简化了测放过程。

(2)清水混凝土施工

本体育场外露的圆柱、楼梯、大平台底部、看台背面、环向梁、外环梁等,设计采用清水混凝土,总面积约3万㎡。为确保每一处蝉缝、螺栓孔均能彰显清水混凝土的自然美。BIM建模时,技术人员根据实际情况创建一系列清水模板族。该模板族可自动生成蝉缝、螺杆洞并进行工程量的统计,用于模板下料及指导模板预拼装,使用视频交底的方式表现新型施工工艺。

(3)屋面钢结构施工

体育场屋面钢结构构件单根重量约70t,吊装半径达70米,现场采用500t履带吊进行吊装,工程前期通过BIM三维模型,模拟工程各种不同吊装工况,确保在现场每一个构件均可顺利进行起吊、安装,对于屋面钢结构压环梁及V形斜柱安装使用的胎架,技术人员通过BIM模型对胎架工装进行模拟,确保了屋面钢结构构件一次性准确就位,大大降低了反复调整带来的安全风险,同时也大大加快了安装速度。

(4)机电安装管线深化

体育场、游泳馆中,机电安装管线集中、排列困难的现象比较普遍。遵照碰撞检查、管网避让原则,通过BIM软件自有功能进行系统与系统、系统与结构的碰撞检测,完成综合管线排布。根据BIM模型出具管线净高分析及管道综合施工图,将结构、建筑和机电模型通过链接的方式进行整合,利用橄榄山插件的自动开洞功能,完成二次砌体结构留洞图深化工作。

对于体育场不同曲率组成的弧形走廊,每一个构件都有不同的弯曲角度,为保证弧形管道后期美观,利用BIM对弧形管道进行合理分段,对每段管道进行BIM快速出图,指导工厂化预制加工。

管线综合BIM模型

机电管线碰撞检查

BIM技术应用经济成效分析

(一)开展BIM技术工作的直接成本投入

体育场和游泳馆工程目前BIM工作直接费用约386万元,其中建设单位支付给设计单位的BIM工作专项设计费用138万元(其中体育场90万元、游泳馆48万元),监理单位投入硬件、软件与人工总计约60万元,施工单位投入硬件(设备)、人工、网络协同平台租用等约188.34万元(不含软件费用)。

(二)BIM技术在本工程应用的经济效益分析

本工程自设计阶段即开始使用BIM技术,施工阶段在设计模型的基础上对BIM技术的应用进行了延展,除工程本身的施工组织、方案编制、图纸深化或优化、进度控制、材料设备采购、风险控制等方面外,在对施工阶段临时场地的规划、布置以及土方平衡等方面也发挥了很好的作用。

经初步统计,至主体结构、钢结构施工完毕阶段,现场已经节约直接成本约500万元。比如:(1)通过BIM模型进行机电管线综合排布,减少自身碰撞点共计332处。(2)机电安装通过联合支吊架设置,调整使用支吊架共计750组。(3)通过前期场地布置,合理规划履带吊行走吊装路线和钢构件堆场布置,减少场地处理面积约300㎡。(4)优化材料采购,降低损耗率。利用准确的TakleBIM模型生成材料报告,形成采购清单,以便工厂采购采取双边定尺采购,降低材料损耗率达3%,仅此一项节省成本约150万元。(5)对于幕墙结构,计算机自动模拟减少人工深化失误造成返工损失,返工率从5%左右误差降到1%;辅助现场安装定位,减少施工中返工损失, 返工率从2%左右误差降到1%。(6)幕墙工程通过碰撞检查提前发现碰撞,减少返工损失,两场馆共碰撞约2100处,排除现场调节等外约900处等。

通过BIM技术的运用,现场解决的上述类似问题数不胜数,若综合计算因没有及时发现问题造成返工、工期延长、材料更换等造成的损失,其经济效益则更加直观。与各方实际投入的成本予以对比,BIM技术应用后的效益不言而喻。

结 语

国斯坦福大学整合设施工程中心(CIFE)曾经根据32个项目总结了使用BIM技术的效果:效果一,消除40%预算外变更;效果二,造价估算耗费时间缩短80%;效果三,通过解决冲突,合同价格降低10%;效果四,项目工期缩短7%,及早实现投资回报。

对照上述4项效果中提到的数据,虽然本工程有所欠缺,但通过本文的分析与总结,本工程从设计阶段开始即将BIM技术应用于了项目全过程,在实施过程中,通过前期BIM深化对现场碰到的问题进行提前预警、消除,对于设计、施工不合理之处进行调整,为工程的顺利实施起到了保驾护航的作用,同时通过本项目的BIM实施,为各参建单位锻炼培养了BIM技术人才,提高了企业的竞争力。总之,BIM技术的应用达到了项目建设方的预期。

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