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福建省第一个落地的PPP项目,如何用BIM技术实现降本增效?

2021-04-19 17:30:50

1、项目概况

 

1、项目基本信息

 

海峡文化艺术中心由中建海峡建设发展有限公司承建,工程总建筑面积144820.98m2,其中地上建筑面积约91061.72 m2,地下建筑面积约53753.86 m2,总造价约27亿。

 

项目结构为框架剪力墙结构+钢网格结构,建成后将成为福州版的“悉尼歌剧院”,是福建省内第一个落地的PPP项目。

 

2、项目难点

 

(1)质量安全目标高:本工程施工质量安全目标高,直指行业最高荣誉 “中国建筑工程鲁班奖”、“国家级AAA安全文明标准化工地”、“全国绿色施工示范工程”等。

 

(2)工程节点复杂,结构标高多变,机电管线密集:本工程存在大量的劲性梁柱节点,钢筋密集复杂;

 

工程结构标高多变,光ABC区域地下室底板标高就多达20多种,仅台仓区地下室基础筏板标高就有12种,地下一层结构错层、夹层多达7层,且为坑中坑结构,只能逐层逐层向上施工;

 

一层地下室,相当于于7层地下室的工序,施工技术交底难度大;

 

此外,机电工程极为复杂,管线穿插密集,设备机房体量大,大面积返工风险大。

 

(3)屋面空间结构异型,安装不确定,无法生产加工:本工程屋面作为空调设备房,由于上部为不规则曲面钢构网架,且空间十分狭小,设备管线的安装空间无法实际测量,常规设备无法安装。

 

(4)三维扭曲钢构幕墙体系,施工精度高:工程主体为框架剪力墙结构加钢结构体系,总用钢量约1.3万吨,外立面为钢结构幕墙体系,幕墙系统受力在钢结构立柱上,安装可调偏差仅20mm,吊装定位精度要求高。

 

由于钢结构立柱直径仅450mm,而长度达到了近70米,长细比极大,卸载后的钢结构弹性变形将超过幕墙连接件可调范围,吊装施工方案安全性要求高。

 

(5)无规则三维曲面外立面,施工难度大:本工程外立面为无规则异形曲面幕墙,150万“茉莉花”陶瓷片、4万多根幕墙陶棍、7万片幕墙玻璃嵌板,都要从曲面中拆分,加工难度大,生产周期长,对主控施工进度有很大制约作用,施工安装难度大。

 

(6)工程造型复杂,精装饰面施工要求高:本工程为专业艺术场馆,为体现福州当地艺术特色,室内建筑完成面为完全无规则曲面,歌剧院完成墙面为GRG预铸式玻璃纤维加强石膏板组成的无规则三维扭曲面,在使用功能上对声学光学精度要求极高,音乐厅墙面凹凸点必须满足声学与光学要求。

 

(7)工程专业多:本项目设计图纸专业达48种之多,变更频繁,施工工序穿插交叉,分包协调管理难度大。

 

3、应用目标

 

(1)运用BIM技术建立各专业模型,对复杂施工工艺、施工顺序、施工节点进行模拟和交底,保障施工质量安全目标;

 

(2)应用三维扫描仪指导钢结构施工定位,创建Rhino幕墙体系并做数据分析,指导外立面无规则异形曲面幕墙施工安装,确保安装无误;

 

(3)应用BIM+3D雕刻组合技术,用Rhino建模并参数化深化,指导精装饰面加工,确保精装饰面满足声学、光学要求高;

 

(4)用BIM5D平台,搭配平台移动端APP,组织各分包、各工序、各工作面协调施工;

 

(5)解决专业间碰撞问题,并优化管线排布,指导并协调分包施工,避免大量返工。

 

2、BIM应用方案

 

1、应用内容

 

(1)土建、钢构BIM应用:建立全专业模型,排查图纸问题,模拟施工工艺和施工顺序,对施工人员进行交底,深化施工复杂节点;

 

根据Rhino模型建模,并将模型数据导入天宝放样机器人,通过BIM+放样机器人技术,实现模型快速放样;

 

采用识别码进行物料追踪,提高施工效率。

 

(2)机电BIM应用:优化机电管线排布,解决管线碰撞问题,地下室漫游,指导机电施工;

 

在服务器上实现多专业共建共享模型,为各方深化优化设计、可视化技术交底、建筑施工模拟、专业间碰撞检查、图形出量等提供便利;

 

钢构网架安装完成后,采用逆向建模,机电厂商根据空间模型进行非标定制,确保设备顺利安装。

 

(3)幕墙BIM应用:应用三维扫描仪指导钢结构施工,创建Rhino幕墙体系并做数据分析,指导双曲面玻璃、陶棍加工、安装。

 

(4)精装修BIM应用:应用BIM+3D雕刻组合技术进行三维空间饰面材料的生产;

 

用Rhino建模并参数化深化,指导精装修施工;

 

应用3D打印技术制作场馆舞台区微缩模型,用于舞台声学设计方案展示;

 

采用BIM+放样机器人技术进行空间定位安装。

 

(5)BIM平台应用:应用BIM5D平台,搭配平台移动端APP,对进度、成本、质量、安全、内业资料进行精细化管理,提高项目信息化集成水平。与物联网系统衔接,确保项目绿色可持续运营。

 

2、应用方案的确定

 

(1)软硬件选型:福州海峡文化艺术中心项目模型体量大,设备运行要求高,团队专业齐全,因此根据福建省BIM应用指南,结合项目配置优质软硬件资源,BIM软件选型如下所示。

 

软件选型

 

硬件配置

 

(2)组织架构:

 

①BIM团队主要成员建设:

团队成员介绍及岗位职责

 

②责任框架:

项目责任框架

 

3、BIM实施过程

 

1、实施准备

 

依据相关政策文件编制实施方案,并在项目开工初期即召开BIM启动会,对BIM实施团队、项目部主要对接成员进行方案交底,明确应用过程中统一的实施标准和深度,支撑项目BIM服务。

BIM应用标准:

 BIM应用标准和方案

 

2、实施过程

 

(1)土建、钢构BIM应用:

①全专业建模:创建全专业BIM模型:根据施工图纸建立结构、建筑、给排水、电气、暖通、幕墙、钢结构、智能化、等项目全专业综合模型,使其满足施工图设计阶段模型深度;使得项目在各专业协同工作中的沟通、讨论、决策在三维模型的状态下进行,有利于对建筑空间进行合理性优化提供模型工作依据。

 

②图纸问题汇总:本项目通过BIM进行三维审图,全面筛查图纸中的错、漏、碰、缺,形成问题报告,本项目共筛查出有效图纸问题284个,输出碰撞报告(包含Word及CAD格式),提高图审效率,避免工期延误。

 

③台仓区施工方案模拟:制作歌剧院台仓区12m深基坑施工工艺模拟,交底现场班组,减少了重难点施工艺的工期延误风险。

台仓区基坑施工方案模拟

 

④双斜柱柱头定位优化:海峡文化艺术中心设计有109根双向斜柱,每根柱子倾斜的角度和方向都不相同,最大倾角为62°,这给施工带来了很高的难度:

 

首先是钢筋的安装角度和模板的定位难以准确保证,其次在模板安装过程中,钢筋会在自重作用下倚靠在模板上,钢筋保护层厚度难以保证,并且在浇捣混凝土时,双向斜柱自重大使支撑体系发生位移,造成偏位。经BIM技术模拟优化,实现双斜柱柱头准确定位。

 

⑤圆柱与斜柱钢筋碰撞优化:对斜柱与圆柱在交叉位置的钢筋进行深化设计,确定了两个柱的绑扎顺序,指导现场施工场馆主体结构外围均为型钢梁柱体系,梁柱截面尺寸大、配筋率高。

 

⑥劲性梁柱节点钢筋穿插优化:场馆主体结构外围均为型钢梁柱体系,梁柱截面尺寸大、配筋率高。创建劲性型钢梁柱及钢筋模型,进行钢筋穿孔模拟。

劲性梁柱节点钢筋穿插模拟

 

⑦歌剧院舞台网架支撑优化:屋面采用异型钢结构网架形式,结构跨度大,层次复杂,曲线线条繁多,网架采用牛腿作为支撑上部网架等结构的承重系统。由于部分场馆墙面为满足声光学要求被设计为不规则曲面,给外伸钢筋混凝土牛腿的施工条件较大的困难。

 

牛腿施工时由于自重大对剪力墙产生极大弯矩,因此外伸钢筋混凝土牛腿的施工方法对整个工程的进度及质量影响重大。

 

为满足声光学要求被设计为不规则曲面,经BIM技术模拟优化,采用外伸混凝土牛腿的支承方案,避免了对场馆墙面的受力影响,确保舞台区满足声学、光学要求。

 异形结构网架示意图

 

⑧屋面网架施工方案模拟:钢结构单立柱最大长度达71m,直径仅450mm,长细比达380,经BIM三维优化,屋面钢构施工方案确定为以格构胎架为主要支撑的方案,避免了钢斜柱因长细比过大(380),无法形成稳固支撑的隐患,确保了施工质量。

 

⑨BIM+放样机器人:应用BIM与智能放样机器人,实现复杂施工环境下异形空间坐标精确放样,测量效率提高了3-5倍。放样流程如下:

 

a.放样前,测量仪器布置点在模型中可先进行预布置。综合考虑施工措施如脚手架、幕墙结构对测量点遮挡;

 

b.获取该布置点,可测量的空间定位点,并在模型中进行标注;

 

c.现场通过智能放样机器人自带的平板电脑,在模型中轻点已标注的空间定位点,放样机器人自动调整角度进行定位。

BIM+放样机器人精确施工应用

 

⑩钢结构物流管理:从BIM模型中导出构件识别码,对整个项目约2.5万个加工构件进行标记,提升了构件发货的合理性,将构件的平均堆放时间控制在了5h,确保钢结构吊装施工如期完成。

 

(2)机电BIM应用:

 

①碰撞检查:优化机电管线排布,在解决碰撞问题15982个,漫游分析地下室净高,并导出深化图,指导机电施工。

 

②管综优化:优化前后的管综区别:排列方式不同(叠层方式和平铺方式)和桥架数量的增加,在调整过程中增加了消防、广播、智能化、照明桥架。

 

为确保公共区域吊顶的标高不低于2.8米,我利用参数化方式每隔50厘米进行碰撞检查,共发现ABC三个场馆58个净空标高低于2.8m,并对不利点进行再度深化设计以达到设计要求。

管线净高优化排布

 

③设备机房及屋面设备优化:屋面作为空调设备房,由于上部为不规则曲面钢构网架,且空间十分狭小,设备管线的安装空间无法实际测量,常规设备无法确保正常安装。

 

对屋面钢网架进行逆向建模,形成与实际条件相符的空间条件,并通过漫游和管线调整,反复论证设备布置方案的可行性,确保屋面设备顺利施工,按照工程创优要求优化屋面设备定位布置,在有限的异型屋面空间中使机房内管线排布经济美观。

 

(3)幕墙BIM应用:

 

①BIM+三维扫描技术:应用三维扫描仪对钢结构进行扫描,生成点云模型与理论模型进行比对分析,形成偏差色谱图,以确认钢结构实际施工偏差值。

 

②逆向建模:将三维扫描形成的点云模型导入到Rhino,并以此为参照逆向再创建钢网架模型,通过在修正偏差值较大的部位的幕墙驳接件的连接长度,来确保幕墙的整体效果。通过此方法,将误差控制在±4mm以内。

 

③幕墙铝板、玻璃优化:应用Rhino参数化功能优化双曲面玻璃,模拟分析得过渡铝板线条的方案,将标准化程度提高至95%,8-12mm拟合阶差控制在81%以内,实现3000万*3%=90万元经济效益。

双曲面玻璃标准率优化

 

④幕墙陶棍优化:应用Revit参数化程序完成5万根的陶棍优化,标准定尺长度(1720mm)占比97%以上。

 

⑤幕墙陶棍安装节点优化:为保证陶棍的正确安装,将安装节点优化成具有转轴构造的节点,提升陶棍安装的可控角度(10°),减少了5%以上的陶棍材料损耗,实现5000万*5%=250万元经济效益。

 

(4)精装修BIM应用:

 

①BIM+3D雕刻技术:应用BIM+3D雕刻组合技术,用Rhino建模并参数化深化,导出加工图至数控加工设备,实现精装饰面材料的精细化加工,提升工程质量,将富有中国文化特色的陶瓷和竹材完美融入建筑中。

 

②BIM+3D打印技术:应用3D打印技术制作歌剧院、音乐厅舞台区微缩模型,并模拟光源、声波传递反射效果,以确保最佳使用效果。

 

(5)BIM平台应用:

 

①4D进度模拟:将3D模型与工程计划进行挂接,显示出生产超前或滞后情况。并分析原因,为后续生产安排提供参考。同时随着工程进度的进行关联工程实际进度,验证计划结果。

 

②商务成本管控:利用BIM平台可对模型进行施工段划分,将模型按照工程实际施工段划分,并进行分块计算工程量。为控制实际工程量提供精细化管理数据。并将BIM出量作为第三方数据,校核现场使用量,基础钢筋节约36t。

 

③现场质量安全管理:利用BIM平台将现场拍照挂接到系统模型,形成统一的安全、质量、进度、文明施工管理图文资料,实时跟踪现场整改情况。

 

④内业资料管理:基于BIM技术档案资料协同管理平台,可将施工中、竣工后需要的资料档案(包括验收单、合格证、检验报告、工作联系单、设计变更单等)等列入BIM模型中,实现高效管理与协同,形成长期可追溯的资料管理模式。

 

4、BIM应用效果总结

 

1、效果总结

 

通过应用BIM(建筑信息模拟)技术,实现了成本管控、材料管控、施工难点提前反应及项目信息化管理,解决了大型复杂艺术中心项目施工难度大施工要求高的难题。

 

在土建施工方面,以Revit为基础建模环境,优化了双斜柱定位、密集钢筋穿插等方案,制作歌剧院台仓区基坑施工工艺三维动画、劲性梁钢筋穿插模拟,用于三维交底。

 

基于BIM技术的放样机器人很好地解决异形构件放样难的问题,实现了复杂施工环境下幕墙安装点位的精确放样,测量效率和精度比传统放样方法高3-5倍。

 

在机电施工方面,机电管线优化、管线拆分对机电施工起到了重要作用,缩短机电安装施工工期65天、减少工程施工成本2466万、较传统施工管理减少75%的返工。

 

在外立面幕墙施工方面,三维扭曲的钢结构与幕墙表面通过参数化BIM深化,将构件直线分段、曲面板平面拆分,完成复杂构件如双曲玻璃、陶棍的加工,使其标准化达到85%,减少加工模板,加快生厂速度。实现了从方案设计到生产加工到施工定位的建筑信息转化。

 

在室内精装施工方面,分析歌剧院主舞台区域空间布局,优化舞台设备悬吊高度和布局,达到最佳声光效果。

 

在项目管理方面,平台集成工程全方位、多维度的数据,利用BIM三维可视化和数据集成的特点,合理的调配工程项目资源,缩短团队沟通环节。将三维BIM信息与工程信息集成在一起,搭配移动设备,实现建设各方在统一的平台中快速且及时的调配和查阅工程信息,提升项目精细化管理项目。

 

本项目的BIM技术推广应用影响深远,不仅在中建海峡范围内得到推广,对整个福建省的BIM技术应用推广也起到推动作用;

 

BIM在海峡文化艺术中心成功的示范应用,为海峡公司在全公司范围推广BIM技术提供宝贵经验,输送了50人以上BIM型技术人才。

 

在总体经济效益和社会效益方面:BIM技术应用,为项目节约地下室基础钢筋36t,异型曲面玻璃标准化优化效益90万元,幕墙陶棍节点优化效益250万元,综合其他经济效益共432万元。

 

幕墙工程当选为2018-2019年度中国超级幕墙工程,接收4次媒体的BIM专项采访,并辅助展示项目特点,提高项目20余次大小观摩会的观摩效果。

 

2、方法总结

 

(1)应用方法:通过应用BIM技术,为海峡文化艺术中心项目解决了众多工程技术困难和管理难题,创造了可观的经济和工期效益,提升了项目精细化管理水平,得到良好的社会评价。

 

并获得多种基于BIM技术的科技成果,为海西区域建筑业输送了众多具有BIM应用能力的复合型施工管理人才。

 

(2)人才培养:多次应用BIM技术进行图纸会审和可视化交底,覆盖项目管理人员和施工工长85%以上人员;对项目不管理人员进行4次以上BIM培训,考取人社部BIM等级证书6本。

 

(3)科技成果:2019年4月,经河南省工程建设协会组织专家进行科技成果评价,认定:该研究成果达国际先进水平;获基于BIM的国家级QC成果2项,省级工法1项,国家发明专利1项,国家实用新型专利1项,全国BIM大赛3项。

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