BIM技術在蘭州某高校體育館建設中的應用

毛瑞航，王宏輝*，范效平

(1. 蘭州交通大學 土木工程學院，蘭州 730070；2. 甘肅華成建筑安裝工程有限責任公司，蘭州 731100)

建筑信息模型(Building Information Modeling，BIM),是一種將二維圖紙轉化為三維模型的立體可視化技術.起初BIM的定義是將工程過程中各個構件的功能及技術要求信息集成到單一的模型中，到如今BIM的定義已經(jīng)演變成對整個工程全壽命周期管理的一種技術，也即是建筑信息管理(Building Information Management，BIM)[1-2].與傳統(tǒng)的二維設計不同，二維圖紙設計是根據(jù)各專業(yè)分工進行分散性設計，不同專業(yè)之間信息溝通效率不足，而BIM模型可以將建筑物三維立體的展示出來，在項目的不同階段，建設單位、施工單位以及設計單位等各個利益參與方可以在BIM模型中獲取、插入、更新信息，以供其他參與方協(xié)同工作，借助此特點不同專業(yè)的人員可以在一個模型中進行探討設計，更準確有效的傳遞專業(yè)信息[3-5].

近年來，隨著國務院下發(fā)關于建筑業(yè)持續(xù)健康發(fā)展的政策推動，BIM技術應用已經(jīng)成為評判一個項目好壞的重要指標之一[6].如何應用好BIM一直是建設單位與施工單位亟待解決的問題.目前還有很多企業(yè)對BIM的認知僅僅停留在“模型展示”層次，并不了解BIM真正的應用價值.本文將以西部某高校新建體育館項目為例，通過分析BIM在施工過程中的應用效果，為后續(xù)需要深化運用BIM技術的同類工程提供參考.

1 BIM實施背景

1.1 項目簡介

該體育館地處蘭州市安寧區(qū)某高校，總建筑面積39 500 m2，建筑基底面積7 600 m2，地下一層建筑面積23 000 m2，地上建筑面積16 500 m2，總投資2.753億元.主館地上一層(局部三層)，副館地上兩層，地下一層，建筑高度23.95 m，室內(nèi)外高差0.15～0.90 m.建筑結構形式為現(xiàn)澆混凝土框架結構、鋼結構球形網(wǎng)架屋蓋體系.效果圖如圖1所示.

圖1 體育館效果圖

1.2 工程特點及難點

本工程涉及深基坑、高支模、大跨度、大體積混凝土、鋼結構網(wǎng)架等重難點工程.基坑開挖、支護結構形式多，支護形式有排樁、土釘墻預應力錨桿等;主館屋蓋為雙層正放四角錐(局部采用三層網(wǎng)架)網(wǎng)架結構形式.副館屋面為空間倒三角管桁架結構，主桁架跨度20 m，結構投影面積1 782 m2；管道有給排水、采暖、通風、空調(diào)、消防、噴淋等，并設有專門的管道設備層，較為復雜.

2 BIM實施方案規(guī)劃

2.1 BIM應用目標

基于該工程，擬定BIM應用的目標包括：

1) 提高深化設計質量和效率.通過BIM建模，協(xié)調(diào)項目各方信息的整合，提高項目信息傳遞的有效性和準確性，減少圖紙錯、漏、碰、缺的發(fā)生.三維可視化交底，準確理解設計意圖，避免施工錯誤[7].

2) 高質量模擬施工過程管理.在施工過程中對深化設計、施工工藝、工程進度、施工組織及協(xié)調(diào)配合方面高質量運用BIM技術進行模擬管理，實現(xiàn)工程項目管理由3D向4D、5D發(fā)展，提高工程信息化管理水平，提高工程管理工作效率，最終形成全生命周期施工管理數(shù)字化信息的竣工模型.

2.2 BIM實施方案

在使用BIM技術建模之前，需要對前期技術文件進行類型區(qū)分，規(guī)定統(tǒng)一的項目樣板族、建模標準、命名規(guī)則等，各參與專業(yè)需采用同一模板，在統(tǒng)一的標準下建立模型[8].首先根據(jù)圖紙，運用revit軟件建造出體育館的BIM模型，然后交付給建筑、機電、結構、幕墻、裝飾等專業(yè)深化設計，結合三維模型提前發(fā)現(xiàn)遺漏錯漏的地方，在正式建造前就給出解決方案.制定合理的BIM工作流程，通過統(tǒng)一的工作流程，保證BIM模型、深化設計和現(xiàn)場施工三者之間能夠合理、高效的銜接和實施.具體流程如圖2所示.

圖2 BIM實施流程圖

3 BIM技術應用

3.1 施工場地布置優(yōu)化與模擬

該體育館的施工難度較高，為了避免機械設備與材料進場時出現(xiàn)場地位置沖突而導致不必要工期延誤，前期的場地布置優(yōu)化顯得尤為重要.

針對已經(jīng)建好的體育館整體revit結構模型，運用navisworks對施工現(xiàn)場進行場地布置優(yōu)化，通過1比1建立模型(如圖3所示)，對辦公區(qū)、料場堆放加工區(qū)進行區(qū)域設置，規(guī)劃模擬車輛設備進出路線，待場地優(yōu)化完畢后，為了進一步檢測塔吊的吊臂轉彎半徑是否滿足要求，對塔吊進行吊裝流程模擬.首先把鋼結構吊裝計劃進度寫入fuzor，之后把建好的revit鋼結構模型按照吊裝順序進行結構拆分，布置到fuzor當中并設置好順序，最后根據(jù)實際情況設置吊裝機械數(shù).通過模擬，吊裝的施工順序可以直觀反映出來時間進度規(guī)劃是否合理、吊裝車臂長是否合適，有利于實際操作管理人員提前發(fā)現(xiàn)問題解決問題，節(jié)省時間的同時也降低吊裝過程中的安全風險，減少資源浪費[9].體育館副館網(wǎng)架吊裝模擬如圖4所示.

圖3 場布模型

圖4 吊裝模擬

3.2 管線碰撞與凈高分析檢測

綜合管線施工一直是結構復雜的公共建筑施工中的重要工作，決定著建筑物交付后整體的使用效果[10].設計人員在二維圖紙上表現(xiàn)管線的形式基本為線條與符號，無法反映管道的真實尺寸及周邊現(xiàn)狀，而利用BIM模型就能夠準確的集成展現(xiàn)各專業(yè)的管線立體排布，大幅提高管線優(yōu)化效率[11].通過fuzor對體育館副館的乒乓球室BIM模型進行凈高分析(如圖5所示)，發(fā)現(xiàn)風管高度與天花板凈高產(chǎn)生了碰撞沖突，吊頂無法安裝，如果僅按照圖紙難以判斷如何優(yōu)化風管的轉向，但依據(jù)BIM模型能夠360°剖切任意面的特性，就可以輕易的發(fā)現(xiàn)樓梯平臺背側與踏步之間的空腔位置留有富裕的空間可以令風管調(diào)整轉向，這使得本應出現(xiàn)在施工過程中的難點在施工前得到了解決，減少了返工帶來的資源浪費[12-14].

圖5 乒乓球館調(diào)整前后模型

3.3 高支模節(jié)點深化設計

高支模腳手架承擔模板上部的重量，其架體節(jié)點間距密集、立桿排布復雜，極易發(fā)生事故.據(jù)統(tǒng)計，高支模坍塌事故造成的人員傷亡占建筑業(yè)較大事故人員傷亡總數(shù)的30%以上[15].由于該體育館項目鋼筋砼看臺與主管網(wǎng)架的凈高要求較高，與之對應的模板工程量也會增多，因此，為了保證施工安全，事前對高支模工程進行深化設計極為重要.

3.3.1 鋼結構模型構件與拆分

本工程通過tekla軟件對看臺及網(wǎng)架的外圍腳手架進行建模設計(如圖6所示)，首先建立好所分析構件的軸網(wǎng)與標高，并填入節(jié)點構件橫豎桿件的規(guī)格，再向建立的扣件模型輸入受力數(shù)據(jù)來分析承載力及穩(wěn)定性，輸入不同的桿件起點、終點、標高及位置，便能夠分析不同位置的受力.

圖6 tekal鋼構件深化設計

3.3.2 節(jié)點鋼構件受力分析

針對tekla模型分析節(jié)點橫豎桿受力計算內(nèi)容如下：

1) 立桿穩(wěn)定性驗算

長細比驗算：

λ=l0/i=91.195≤210.

(1)

式中：l0為立桿步距與長度系數(shù)的乘積，根據(jù)工況該處為1.45 m；i為立桿截面回旋半徑，該處為15.9 mm.

穩(wěn)定性驗算：

σ=γ0[N/(φA)+Mw/W]=40.733 MPa≤[f]=300 MPa.

(2)

式中：γ0為結構重要性系數(shù)，一般取1；N為立桿軸心壓力設計值，根據(jù)工況該處為8.012 kN；φ為穩(wěn)定性系數(shù)，該處為0.542；A為立桿截面面積，該處取450 mm2；Mw為立桿段由風荷載設計值產(chǎn)生的彎矩，該處為0.037 kN·m；W為立桿截面抵抗矩，該處為4 730 mm3；f為立桿抗壓強度設計值，該處為300 MPa.

2) 橫桿抗彎驗算

σ=γ0Mmax/W=36.405 MPa≤[f]=205 MPa.

(3)

式中：Mmax為最大彎矩，該處為0.141 kN·m；W為間橫桿截面抵抗矩，該處為3 860 mm3.

3) 縱桿驗算

抗彎驗算：

σ=γ0Mmax/W=49.5 MPa≤[f]=205 MPa.

(4)

式中：Mmax為最大彎矩，該處為0.191 kN·m；W為間橫桿截面抵抗矩，該處為3 860 mm3.

盤扣節(jié)點連接盤的抗剪承載力驗算：

FR=γ0(2R端部+R1)=1.9 kN≤[Qb]=40 kN.

(5)

式中：R端部為縱向橫桿支座力反力，該處為0.641 kN；R1為橫向橫桿傳遞給縱向水平桿的集中力極限狀態(tài)0.625 kN.

經(jīng)計算荷載皆滿足要求.為了進一步確保所得荷載的有效性，嘗試將tekla扣件模型(如圖7(a)所示)載入Ansys進行有限元分析，經(jīng)測試首先應將tekla模型經(jīng)IFC轉化為revit格式，再通過revit輸出dwg文件，注意在輸出為dwg時屬性欄中需選擇ACIS Solids，之后再由CAD打開此文件輸出為iges格式，再用ansys加載iges文件(如圖7(b)所示)，加載成功后應注意mesh劃分，對于復雜的構件應該把無效的受力部位歸為一類，減少ansys計算壓力.得到的最終結果用來指導施工，不僅滿足結構要求，也使施工過程更加安全、效率，保證了施工質量.

圖7 模型格式轉化

3.4 BIM應用的經(jīng)濟效益評估

經(jīng)施工企業(yè)內(nèi)部成本核算，本工程BIM綜合應用為項目帶來的經(jīng)濟效益，如表1所列.

表1 BIM應用的經(jīng)濟效益評估

4 結論

針對BIM技術的優(yōu)勢，結合高校具體工程項目開展了BIM應用實踐，取得了以下成果.

1) 根據(jù)實際工程應用場景，在開工前建立了該體育館基坑及辦公區(qū)域的場地布置模型，據(jù)此模型規(guī)劃料場堆放加工區(qū)的位置，避免了車輛設備進場擁堵問題，模擬了吊裝過程，降低了施工風險.

2) 在管線排布方面，通過凈高分析對主副館管線進行碰撞排查，優(yōu)化了密集管線的排布，指導機電人員對管線設計進一步深化，節(jié)省了時間與資源.

3) 在高支模板施工方面，采用了BIM+有限元分析的結合應用，對腳手架節(jié)點進行了多重荷載分析與深化設計，為施工安全上了雙重保險；在吊裝計劃方面，利用軟件對吊裝進行進度模擬，規(guī)避了進度計劃的缺陷，提高了施工效率.

4) 在成本控制方面，經(jīng)企業(yè)內(nèi)部成本核算該BIM應用共為項目節(jié)約成本約255萬元.

隨著信息化的不斷發(fā)展，社會必然會對大型公共建筑的信息技術要求逐漸加深，建設單位對BIM的認知不能僅停留在展示層次，要逐漸協(xié)同設計、施工方推行深層次的BIM應用，使BIM發(fā)揮出其應有的商業(yè)價值.