BIM下劇院工程施工設計和管理

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摘要：劇院建筑是國際公認的高難度公共建筑，以聲學標準高、樓中樓結構復雜、涉及專業(yè)極多、協(xié)調難度大為主要特點。為解決施工重難點，確保城市副中心劇院項目的順利實施，項目基于bim技術開展全過程全要素的深化設計，進一步提升了施工圖紙的深度，保證現(xiàn)場安裝精度，為確保項目整體施工質量、保障施工進度、減少拆改與返工起到了有效的作用。

關鍵詞：BIM；深化設計；設計管理；多專業(yè)協(xié)調

目前我國已經(jīng)有越來越多的建筑項目引入BIM技術優(yōu)化設計方案、提升工程質量、降低建造成本，解決從方案設計到施工各階段遇到的綜合性問題。劇院項目作為高難度公共建筑，項目基于BIM技術開展全過程全要素的深化設計，進一步提升了施工圖紙的深度，確保項目整體施工質量、保障施工進度、減少拆改與返工。

1工程概況及深化設計管理概述

1.1工程概況

城市副中心劇院項目造型獨特，樓中樓結構復雜，且聲學標準高、涉及專業(yè)極多。項目約有60多個機電子系統(tǒng)，100余個機房。除鋼結構、二次結構、幕墻、裝飾等專業(yè)外，同時包括舞臺機械聲學、音響、金屬屋面、電梯、隔聲門等特殊專業(yè)。

1.2深化設計管理概述

城市副中心劇院項目由業(yè)主推動全過程BIM實施以及應用，設計院提供設計階段LOD300模型移交總包單位。由于設計院的模型主要以解決凈高等主要設計問題為主，部分專業(yè)的施工圖及模型不能達到直接施工的深度。故劇院項目施工總包單位牽頭各專業(yè)分包，根據(jù)運輸和安裝條件、本單位施工工藝及習慣，在設計院BIM模型基礎上進行深化設計。總包單位在深化設計過程中負責對各分包的成果進行整合、綜合協(xié)調管理、質量管控。在滿足現(xiàn)場施工要求的同時，確保可移交支撐滿足業(yè)主運維需求的BIM模型成果。

2BIM輔助深化設計管理策劃

2.1深化設計及BIM應用內容

項目基于BIM技術提前開展全專業(yè)深化設計，包括二次結構、鋼結構、機電、幕墻、金屬屋面、精裝修、舞臺機械、聲學等專業(yè)，且均采用BIM正向設計。其中在鋼結構、幕墻、金屬屋面、舞臺機械等專業(yè)已經(jīng)達到了基于BIM模型進行下料加工的深度。此外，項目在隔聲門、電梯、勁性結構及部分重難點施工節(jié)點，如預應力、預留預埋、臺座、外架等，也借助BIM技術輔助深化設計的開展。

2.2深化設計組織管理

城市副中心劇院項目由業(yè)主方推動整個深化設計，并協(xié)調設計院對深化設計成果的審核工作。施工總包作為深化設計總負責，牽頭各專業(yè)分包完成本專業(yè)內的深化設計工作，并對過程進行管理，對質量進行管控。各專業(yè)分包按照總包要求組建BIM團隊，在總包技術部領導下完成深化設計。

2.3深化設計整體工作流程

總承包單位根據(jù)設計單位提供的設計階段模型進行深化，負責管理審核項目各分包單位按時提交的相關成果。深化設計成果先由BIM顧問審核是否滿足本項目的BIM深度要求，再向設計單位進行報審，審核深化設計成果是否滿足設計規(guī)范要求，最終由業(yè)主單位確認。深化設計工作流程如圖1所示。

2.4深化設計接口管理

深化設計插入時間應滿足現(xiàn)場實際施工需求，大部分項目容易出現(xiàn)主體結構已完成，專業(yè)分包才開始招標，專業(yè)分包進場后才開始深化設計，容易導致深化設計接口的配合不及時。在業(yè)主的推動和管理下，在初設階段組建BIM團隊進行了基于BIM技術的模型搭建，利用三維可視化的優(yōu)勢進行方案對比以及復核；通過管線綜合進行凈高分析，將不能滿足需求的位置反饋給業(yè)主以及設計方，同時進行結構預留預埋出圖。深化設計階段，對包括建筑結構鋼結構、幕墻金屬屋面、二次結構、聲學等多個專業(yè)進行接口質量管理，保證各專業(yè)之間的交叉關聯(lián)，確保各接口的準確性以及全面性。

2.5深化設計標準管理

北投集團為規(guī)范三大建筑以及共享設施施工階段建筑信息模型的創(chuàng)建、應用、交付以及協(xié)同，實現(xiàn)BIM實施過程中的統(tǒng)一性、規(guī)范性和可持續(xù)性，制訂BIM實施總體標準，并分別對BIM模型精度標準、模型審核要點、工作統(tǒng)一模板做出更細致的規(guī)定，城市副中心劇院項目作為三大建筑其中的重要標段，其BIM實施既要滿足北投業(yè)主整體BIM要求，又要滿足自身重難點需求，北京建工總包BIM團隊針對劇院項目特點于項目初期編制了詳細的《BIM實施細則》。

3BIM針對各專業(yè)深化設計開展

3.1鋼結構深化設計

3.1.1劇院項目鋼結構概況城市副中心劇院項目鋼結構由鋼骨柱、鋼骨梁及鋼板墻等勁性結構、樓面鋼梁及桁架、鋼屋蓋、柵頂?shù)鯍旖Y構共計4個部分組成。項目鋼結構俯視圖如圖2所示。3.1.2鋼結構模型深化。鋼結構深化設計以Tekla為基礎對鋼結構開展深化設計和出圖，鋼結構整體Tekla模型如圖3所示，LOD500的精細化深度達到與現(xiàn)場實際構件一致的程度，與傳統(tǒng)深化方式相比，圖紙深化進度加快，同時解決雙曲屋蓋深化精度不足以滿足現(xiàn)場施工要求的關鍵問題。3.1.3勁性結構深化。勁性結構中鋼筋密集、鋼骨柱眾多，常規(guī)施工方法下，勁性混凝土梁、柱、墻節(jié)點施工質量難以保證?；贐IM技術對典型勁性結構節(jié)點展開深化設計，優(yōu)化鋼筋綁扎順序、連接方式，避免出現(xiàn)因鋼筋翻樣錯誤造成的返工。鋼骨柱深化節(jié)點如圖4所示，鋼板墻深化節(jié)點如圖5所示。

3.2機電深化設計

3.2.1機電模型深化。在設計階段模型基礎上按歌劇院、戲劇院、音樂廳3個標段綜合建筑結構、鋼結構、幕墻金屬屋面、舞臺機械等專業(yè)展開深化設計，根據(jù)深化設計整體工作量對各標段負責深化的面積進行劃分（圖6）。劇院項目工期緊張，深化工作地上地下需同時開展，保證最終完成進度。為保證機電深化成果的可靠性以及準確性，每周定期進行機電評審例會，機電技術部專業(yè)工程師對本周成果進行審核，提出修改意見并形成會議紀要。3.2.2綜合支吊架布置以及校核計算。綜合支吊架實現(xiàn)了安裝空間的合理分配與資源共享，滿足功能要求，預留檢修通道，觀感質量好，達到了空間優(yōu)化的目的。劇院項目采用MagiCAD進行綜合支吊架布置，考慮結構樓板承重以及綜合支吊架螺栓載荷能力，布置間距設置為2m，為了降低綜合支吊架計算的工作量，選取必要位置進行綜合支吊架布置，對于機電管線相對簡單的位置依然采用傳統(tǒng)支吊架。地下室綜合支吊架渲染如圖7所示。根據(jù)設計以及廠家提供的機電參數(shù)得到初始狀態(tài)下綜合支吊架的荷載百分比，再通過軟件的規(guī)格優(yōu)選功能修改綜合支吊架各部分鋼材的型號使綜合支吊架在滿足荷載需求前提下，進行經(jīng)濟性優(yōu)化選型。選型結束后可生成并導出計算書，同時還可查看綜合支吊架內力、剪力、支座反力等受力分析，生成綜合支吊架剖面圖紙。3.2.3機電二次墻預留洞口深化。城市副中心劇院項目蒸壓加氣混凝土砌塊、輕鋼龍骨二次結構等二次結構工程量巨大，為減少后期二次墻體修改，通過Revit開洞插件對機電300mm以上的二次洞口進行預留。通過BIM對二次結構的預留提升工作效率，減少二次墻體的拆改，提高二次結構施工質量。3.2.4機電機房深化劇院項目機房質量是項目魯班獎的關鍵所在，機房多達十余種類型，數(shù)量近百個，根據(jù)設備參數(shù)對機房二次墻體預留洞、排水溝布置、綜合支吊架、設備檢修運輸通道、設備基礎等進行模擬，提前發(fā)現(xiàn)潛在問題，指導現(xiàn)場施工。機房效果渲染如圖8所示。

3.3二次結構深化設計

二次結構的質量將影響后期機電安裝、精裝修施工。傳統(tǒng)方式CAD深化的方式具有工作量大、效率低、不可直觀查看、易錯等局限性?；跈C電預留洞提出進行二次結構深化，采用插件自動生成包括構造柱、圈梁、過梁、洞口等。為了確保二次結構深化滿足施工規(guī)范要求，項目還采用Dynamo參數(shù)化編程進行構造柱間距核查。二次結構深化模型還可以通過生成明細表的方式輔助商務算量。二次結構深化及工程量統(tǒng)計如圖9所示。

3.4幕墻以及金屬屋面深化設計

劇院幕墻整體外形以及金屬屋面十分復雜，基于BIM技術進行深化設計，創(chuàng)建精細幕墻施工模型。項目采用Rhino與Grasshopper進行參數(shù)化設計[4]，在控制整體造型的基礎上，按照設計要求對金屬屋面、外立面進行分割，并根據(jù)節(jié)點要求進一步深化面板。BIM深化設計減少了加工錯誤率，避免因材料問題影響工期。折疊鋁板深化模型如圖10所示。

3.5聲學深化設計

對二次結構、機電增加聲學作法。劇院項目為滿足聲學設計要求增加大量的節(jié)點作法。二次結構墻體方面，聲學會對部分位置二次墻體進行加厚處理其隔聲封堵也有相應節(jié)點作法，BIM模型針對加厚的二次墻體進行顏色區(qū)分并出圖，對專業(yè)分包進行直觀交底，減少施工過程中的因聲學造成的修改、返工。機電深化方面，聲學敏感用房內的噪聲均有要求的限值。聲學專業(yè)需要對機電系統(tǒng)中對聲學產(chǎn)生不利噪聲或振動影響的設備進行降噪和振動控制，所以空調系統(tǒng)流速、風管壁厚、水泵轉速等機電設計參數(shù)均有聲學限制值，還增加橡膠減震、隔聲氈、彈簧減震器、消聲器、靜壓箱等措施進行降噪減震，這些額外措施無疑會增加現(xiàn)場機電的安裝難度，通過BIM深化將關鍵聲學節(jié)點體現(xiàn)在模型中并充分進行管線綜合，減少因聲學要求造成的施工困難。

3.6機械舞臺深化設計

項目3個標段歌劇院、戲劇院、音樂廳均有舞臺機械設備，舞臺機械是劇院項目使用功能的最重要表現(xiàn)，其專業(yè)深化由專業(yè)分包完成。將舞臺機械模型導成IFC格式鏈接于建筑結構機電Revit模型中，進行多專業(yè)協(xié)調、核查，避免舞臺機械與其他專業(yè)發(fā)生沖突，保障舞臺機械的順利安裝。項目舞臺機械模型多專業(yè)協(xié)調如圖11所示。

4BIM輔助深化設計綜合管理

4.1BIM平臺建設

城市副中心劇院項目深化設計涉及專業(yè)眾多，因此專業(yè)分包之間信息協(xié)同十分重要，為此北京建工集團總承包搭建了BIM協(xié)同平臺用以保障各專業(yè)之間的信息互通。同時為加強工地的安全管理和提高生產(chǎn)效率搭建了智慧工地平臺。

4.2基于BIM的深化設計協(xié)調例會開展

劇院項目整體空間設計十分復雜，為了更加直觀地掌握劇院多專業(yè)協(xié)調情況，每兩周開展1次BIM協(xié)調例會，參會人員包括總工程師在內的各專業(yè)技術負責人以及專業(yè)分包技術負責人，協(xié)調處理BIM深化設計遇到的問題，提升深化設計的可靠性。

4.3BIM深化設計出圖以及報審

劇院項目深化設計涵蓋的專業(yè)主要有鋼結構、幕墻、金屬屋面、舞臺機械、二次結構、機電等。深化設計成果主要以圖紙方式體現(xiàn)，其中鋼結構、幕墻、金屬屋面專業(yè)均通過深化設計圖紙進行下料加工。機電、土建專業(yè)依據(jù)設計院藍圖以及設計后續(xù)變更進行深化出圖。由北京城市副中心投資建設集團有限公司業(yè)主牽頭統(tǒng)一協(xié)調所有深化設計圖紙均需要報審設計，總包BIM團隊根據(jù)設計院提出修改意見進行修改，劇院項目整體圖紙共計報審4次，對最終版本進行打印出圖并由設計院進行簽字蓋章。

5BIM深化設計成效分析

5.1BIM深化設計效益分析

采用BIM技術進行管線綜合，提出潛在重大機電變更45條，避免施工階段的返工和拆改預估節(jié)省費用約300萬元；二次結構深化設計減少現(xiàn)場砌墻損耗以及拆改返工產(chǎn)生經(jīng)濟效益約16萬元；通過BIM進行綜合支吊架布置以及經(jīng)濟性型號優(yōu)選，為項目創(chuàng)效約500萬元；鋼結構深化設計將復雜節(jié)點采用鋼板節(jié)點替代常規(guī)鑄鋼，減少用鋼量650t，減少臨時支撐用量1000t，減少1900余次吊次，鋼結構施工累計效益1300萬元。

5.2BIM深化設計總結

跨專業(yè)協(xié)同是城市副中心劇院項目深化設計重點，項目專業(yè)復雜涉及舞臺機械、鋼結構、建筑結構、機電、幕墻、金屬屋面等專業(yè)，各專業(yè)深化設計的開展保障了現(xiàn)場施工的順利進行，極大程度上避免了專業(yè)交叉造成的返工和拆改。深化設計開展除了需要依托BIM技術外，其深化過程管理也非常重要，各專業(yè)如何配合、專業(yè)之間信息互通、如何確保深化設計成果可靠性、如何與設計院對接等是深化設計管理的難點?；贐IM技術三維可視化的深化設計，為工程質量提供有利保障，信息化BIM作為一種日漸成熟的技術，在如今的建筑行業(yè)已然不可或缺。

參考文獻

[1]黃迪,王明麗,李淑芬,等.基于BIM的MEP管線綜合技術優(yōu)化性研究[J].工程建設與設計,2016(11):45–48.

[2]楊科,康登澤,車傳波,等.基于BIM的碰撞檢查在協(xié)同設計中的研究[J].土木建筑工程信息技術,2013,5(4):71–75,98.

[3]曾旭東,王大川,陳輝.RhinocerosGrasshopper參數(shù)化建模[M]．武漢:華中科技出版社,2013.

作者:吳良良 劉亞飛 惠志偉 王松 張進杰 單位:北京建工集團有限責任公司 北京優(yōu)比智成建筑科技有限公司