毛瑞航，王宏輝*，范效平

(1. 蘭州交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，蘭州 730070；2. 甘肅華成建筑安裝工程有限責(zé)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(zhuǎn)化為三維模型的立體可視化技術(shù).起初BIM的定義是將工程過程中各個構(gòu)件的功能及技術(shù)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(shù)，也即是建筑信息管理(Building Information Management，BIM)[1-2].與傳統(tǒng)的二維設(shè)計不同，二維圖紙設(shè)計是根據(jù)各專業(yè)分工進(jìn)行分散性設(shè)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(shè)單位、施工單位以及設(shè)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(jìn)行探討設(shè)計，更準(zhǔn)確有效的傳遞專業(yè)信息[3-5].

近年來，隨著國務(wù)院下發(fā)關(guān)于建筑業(yè)持續(xù)健康發(fā)展的政策推動，BIM技術(shù)應(yīng)用已經(jīng)成為評判一個項目好壞的重要指標(biāo)之一[6].如何應(yīng)用好BIM一直是建設(shè)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(rèn)知僅僅停留在“模型展示”層次，并不了解BIM真正的應(yīng)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(yīng)用效果，為后續(xù)需要深化運用BIM技術(shù)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(jié)構(gòu)形式為現(xiàn)澆混凝土框架結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)網(wǎng)架等重難點工程.基坑開挖、支護(hù)結(jié)構(gòu)形式多，支護(hù)形式有排樁、土釘墻預(yù)應(yīng)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(jié)構(gòu)形式.副館屋面為空間倒三角管桁架結(jié)構(gòu)，主桁架跨度20 m，結(jié)構(gòu)投影面積1 782 m2；管道有給排水、采暖、通風(fēng)、空調(diào)、消防、噴淋等，并設(shè)有專門的管道設(shè)備層，較為復(fù)雜.

2 BIM實施方案規(guī)劃

2.1 BIM應(yīng)用目標(biāo)

基于該工程，擬定BIM應(yīng)用的目標(biāo)包括：

1) 提高深化設(shè)計質(zhì)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(zhǔn)確性，減少圖紙錯、漏、碰、缺的發(fā)生.三維可視化交底，準(zhǔn)確理解設(shè)計意圖，避免施工錯誤[7].

2) 高質(zhì)量模擬施工過程管理.在施工過程中對深化設(shè)計、施工工藝、工程進(jìn)度、施工組織及協(xié)調(diào)配合方面高質(zhì)量運用BIM技術(shù)進(jìn)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(shù)建模之前，需要對前期技術(shù)文件進(jìn)行類型區(qū)分，規(guī)定統(tǒng)一的項目樣板族、建模標(biāo)準(zhǔn)、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(biāo)準(zhǔn)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(jié)構(gòu)、幕墻、裝飾等專業(yè)深化設(shè)計，結(jié)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(shè)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(shù)應(yīng)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(shè)備與材料進(jìn)場時出現(xiàn)場地位置沖突而導(dǎo)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(jié)構(gòu)模型，運用navisworks對施工現(xiàn)場進(jìn)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(jìn)行區(qū)域設(shè)置，規(guī)劃模擬車輛設(shè)備進(jìn)出路線，待場地優(yōu)化完畢后，為了進(jìn)一步檢測塔吊的吊臂轉(zhuǎn)彎半徑是否滿足要求，對塔吊進(jìn)行吊裝流程模擬.首先把鋼結(jié)構(gòu)吊裝計劃進(jìn)度寫入fuzor，之后把建好的revit鋼結(jié)構(gòu)模型按照吊裝順序進(jìn)行結(jié)構(gòu)拆分，布置到fuzor當(dāng)中并設(shè)置好順序，最后根據(jù)實際情況設(shè)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(jìn)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(fēng)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(jié)構(gòu)復(fù)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(shè)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(zhǔn)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(jìn)行凈高分析(如圖5所示)，發(fā)現(xiàn)風(fēng)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(fēng)管的轉(zhuǎn)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(cè)與踏步之間的空腔位置留有富裕的空間可以令風(fēng)管調(diào)整轉(zhuǎn)向，這使得本應(yīng)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(shè)計

高支模腳手架承擔(dān)模板上部的重量，其架體節(jié)點間距密集、立桿排布復(fù)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(yīng)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(jìn)行深化設(shè)計極為重要.

3.3.1 鋼結(jié)構(gòu)模型構(gòu)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(jìn)行建模設(shè)計(如圖6所示)，首先建立好所分析構(gòu)件的軸網(wǎng)與標(biāo)高，并填入節(jié)點構(gòu)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(biāo)高及位置，便能夠分析不同位置的受力.

圖6 tekal鋼構(gòu)件深化設(shè)計

3.3.2 節(jié)點鋼構(gòu)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(xì)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(jié)構(gòu)重要性系數(shù)，一般取1；N為立桿軸心壓力設(shè)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(fēng)荷載設(shè)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(shè)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(jìn)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(jìn)行有限元分析，經(jīng)測試首先應(yīng)將tekla模型經(jīng)IFC轉(zhuǎn)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(yīng)注意mesh劃分，對于復(fù)雜的構(gòu)件應(yīng)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(jié)果用來指導(dǎo)施工，不僅滿足結(jié)構(gòu)要求，也使施工過程更加安全、效率，保證了施工質(zhì)量.

圖7 模型格式轉(zhuǎn)化

3.4 BIM應(yīng)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(yīng)用為項目帶來的經(jīng)濟效益，如表1所列.

表1 BIM應(yīng)用的經(jīng)濟效益評估

4 結(jié)論

針對BIM技術(shù)的優(yōu)勢，結(jié)合高校具體工程項目開展了BIM應(yīng)用實踐，取得了以下成果.

1) 根據(jù)實際工程應(yīng)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(shè)備進(jìn)場擁堵問題，模擬了吊裝過程，降低了施工風(fēng)險.

2) 在管線排布方面，通過凈高分析對主副館管線進(jìn)行碰撞排查，優(yōu)化了密集管線的排布，指導(dǎo)機電人員對管線設(shè)計進(jìn)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(jié)合應(yīng)用，對腳手架節(jié)點進(jìn)行了多重荷載分析與深化設(shè)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(jìn)行進(jìn)度模擬，規(guī)避了進(jìn)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(yīng)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(shù)要求逐漸加深，建設(shè)單位對BIM的認(rèn)知不能僅停留在展示層次，要逐漸協(xié)同設(shè)計、施工方推行深層次的BIM應(yīng)用，使BIM發(fā)揮出其應(yīng)有的商業(yè)價值.