案例2：國家速滑館項目基于BIM的智慧建造實踐

案例2：國家速滑館項目基于BIM的智慧建造實踐1.國家速滑館項目概況1.1項目簡介國家速滑館工程北臨國家網(wǎng)球中心，西臨林萃路，是2022年冬奧會重要的比賽場館（見圖1）。國家速滑館建筑面積約9.7萬m2，主場館外輪廓線投影呈橢圓形，南北長約240m、東西寬約178m，地下2層，地上3層，檐口高度15.4～33.8m，總坐席12058座。國家速滑館外立面幕墻由22根曲線環(huán)形玻璃環(huán)繞而成，形成美輪美奐的“冰絲帶”，營造出冰與速度的完美結(jié)合。建成后將與“鳥巢”“水立方”分別象征“冰”“火”“水”在奧運賽區(qū)交相輝映，共同組成北京這座世界首個“雙奧之城”的標(biāo)志性建筑群。圖1國家速滑館項目效果1.2工程重難點（1）社會關(guān)注度高。作為2022年冬奧會最重要的標(biāo)志性比賽場館，項目自開工以來受到社會高度關(guān)注。（2）工期異常緊張。合同工期僅2年，而國內(nèi)外類似工程一般為3～5年。如何在高難度的前提下按時高標(biāo)準(zhǔn)完成建設(shè)任務(wù)，是項目團隊面對的巨大挑戰(zhàn)。（3）施工難度大。多標(biāo)高多規(guī)格復(fù)雜群嵌套基槽、大型傾斜型鋼-混凝土組合異形勁性結(jié)構(gòu)、全國首例弧形預(yù)制看臺板、大跨度空間雙曲馬鞍形屋蓋環(huán)桁架、國內(nèi)最大跨度單層雙向正交馬鞍形屋面索網(wǎng)、天壇型曲面玻璃幕墻、單元式柔性屋面等是工程施工面臨的一系列技術(shù)難題。（4）質(zhì)量安全標(biāo)準(zhǔn)高。工程質(zhì)量需確保中國建筑工程鋼結(jié)構(gòu)金獎和中國建設(shè)工程魯班獎，安全生產(chǎn)創(chuàng)建全國建設(shè)工程項目施工安全生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化工地。2.項目實施策劃2.1采用BIM技術(shù)的原因（1）工程造型復(fù)雜、難度大、工期緊，通過在深化設(shè)計、加工、施工階段應(yīng)用BIM技術(shù)，實現(xiàn)工程精準(zhǔn)、高效建造。（2）項目參與方眾多，通過總承包BIM管理，實現(xiàn)對項目進(jìn)度、技術(shù)、質(zhì)量、安全等方面的智慧、協(xié)同管理。（3）利用以BIM為核心的信息化技術(shù)助力智慧建造，并為未來智慧場館運營奠定基礎(chǔ)（智慧工地→智慧建造→智慧場館）。2.2項目團隊構(gòu)架本工程基于BIM的智慧建造由項目執(zhí)行經(jīng)理牽頭，項目總工程師分管，機關(guān)BIM中心協(xié)助指導(dǎo)，項目BIM中心主任負(fù)責(zé)制定BIM實施導(dǎo)則并落實。項目BIM中心進(jìn)行總承包自施范圍內(nèi)模型創(chuàng)建工作及對各專業(yè)分包實施總承包BIM管理。專業(yè)分包BIM工程師人數(shù)根據(jù)現(xiàn)場需要和實施階段進(jìn)行動態(tài)調(diào)整。3.BIM技術(shù)應(yīng)用3.1BIM建模輔助圖審（1）混凝土結(jié)構(gòu)建模。土方開挖前，在東南管溝建模過程中發(fā)現(xiàn)筏板與管溝層頂板發(fā)生沖突，及時反饋給設(shè)計，將問題解決在槽底土方開挖之前，避免了土方、混凝土返工，節(jié)約工期和成本。（2）看臺結(jié)構(gòu)建模。通過對預(yù)制看臺建模，發(fā)現(xiàn)東北、西北、東南、西南角位置處踏步標(biāo)高繁多且不確定。考慮到預(yù)制難度，通過與設(shè)計溝通改為現(xiàn)澆看臺，減少開模數(shù)量，并經(jīng)過標(biāo)高優(yōu)化，最終保障了造型和功能。（3）室外管道建模。通過建立室外市政管道模型，發(fā)現(xiàn)部分市政管道需從現(xiàn)有臨建下方穿過，涉及臨建拆除或移動。將該問題與設(shè)計溝通后進(jìn)行避讓優(yōu)化，節(jié)約了施工成本。3.2基于BIM的深化設(shè)計（1）鋼結(jié)構(gòu)BIM深化。鋼結(jié)構(gòu)深化范圍主要為勁性結(jié)構(gòu)鋼骨、鋼環(huán)桁架、臨時看臺鋼結(jié)構(gòu)和檢修馬道。鋼結(jié)構(gòu)深化過程中發(fā)現(xiàn)部分幕墻撐桿節(jié)點與桁架桿件相貫節(jié)點現(xiàn)場焊縫碰撞，經(jīng)設(shè)計同意后調(diào)整桿件位置；并發(fā)現(xiàn)天窗梁牛腿與屋面索牛腿有沖突，經(jīng)設(shè)計同意調(diào)整天窗梁位置以避讓屋面索牛腿。（2）索結(jié)構(gòu)BIM深化。索結(jié)構(gòu)深化范圍主要為連接耳板設(shè)計、提升張拉工裝設(shè)計。對承重索提升工裝、承重索張拉工裝、穩(wěn)定索張拉工裝進(jìn)行三維實體放樣，以保證滿足提升和張拉施工構(gòu)造的需要。3.3BIM算量輔助人、機、料準(zhǔn)備由于土建結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，特別是不同標(biāo)高筏板之間的高低跨連接處及多處嵌套坑之間連接處構(gòu)造極其復(fù)雜，傳統(tǒng)手工算量困難且繁瑣。將施工模型依據(jù)流水段劃分，得出各流水段理論凈混凝土方量，并在該流水段施工前將方量報至工程部，為人、機、料等施工部署提供參考。3.4三維可視化交底3.4.1多標(biāo)高、多規(guī)格復(fù)雜群嵌套基槽國家速滑館基槽極其復(fù)雜，變標(biāo)高多，最高-6.700m，最低-15.800m，基槽最深處落差達(dá)7.700m。且基槽中包含大量多規(guī)格電梯井、集水坑，形成“大坑套小坑”的復(fù)雜群嵌套基槽。項目團隊通過建立開槽BIM模型，優(yōu)化開槽圖設(shè)計，生成可直觀理解的三維開槽施工模型（見圖2）。模型制作完成后對施工隊進(jìn)行三維可視化交底，直觀展現(xiàn)開槽施工的最終狀態(tài)；導(dǎo)出復(fù)雜區(qū)域槽頂?shù)走吔琰cx、y、z坐標(biāo)，利用全站儀復(fù)核，確保開槽精度。圖2群嵌套基槽BIM模型-8.804-8.804-8.804-8.804-9.216-12.680-15.080-13.580-8.804-13.580-13.580-8.919-13.5803.4.2大型傾斜型鋼-混凝土組合異形勁性結(jié)構(gòu)國家速滑館異形勁性斜柱由混凝土和超規(guī)格型鋼組成，截面隨高度改變，形狀不規(guī)則，地面以上柱體背向場館傾斜。環(huán)場館一周的勁性柱共48根，與水平面夾角為70.84°～76.09°。因勁性柱節(jié)點極其復(fù)雜，鋼筋規(guī)格多樣、穿筋復(fù)雜，利用柱帽穿筋工藝模擬，幫助管理人員和現(xiàn)場工人掌握施工工序，提高施工效率，節(jié)省施工成本（見圖3）。圖3勁性柱連接節(jié)點三維交底3.5三維可視化施工進(jìn)度管理針對施工周期短、工期緊等問題，研發(fā)了針對本工程的智建SaaS化管理平臺。通過將Project計劃進(jìn)度關(guān)聯(lián)到多維信息的輕量化云端BIM模型，工程師現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)、拍攝照片并實時上傳，實現(xiàn)實際進(jìn)度與計劃進(jìn)度實時對比、多層級進(jìn)度信息展示、關(guān)鍵線路及里程碑節(jié)點管控、輕量化三維模型施工進(jìn)度管理。施工管理人員可通過計算機端、手機微信端直觀掌握工程建設(shè)進(jìn)度情況，輔助調(diào)配現(xiàn)場人、機、料等資源?；贐IM的智慧建造4.1全國首例弧形清水預(yù)制看臺板國家速滑館看臺板首次采用弧形預(yù)制技術(shù)，并采用再生骨料混凝土。清水混凝土看臺構(gòu)件主要用于地下室樓梯、下層看臺和上層看臺3個區(qū)域，共1911塊、331個規(guī)格。在深化設(shè)計時統(tǒng)籌協(xié)調(diào)機電、轉(zhuǎn)播機位的預(yù)留預(yù)埋，基于BIM技術(shù)對看臺板截面和構(gòu)造進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化定型設(shè)計；特制鋼模板進(jìn)行構(gòu)件加工，保證澆筑構(gòu)件的尺寸精度和成型質(zhì)量（見圖4）。針對再生骨料堆石混凝土、裝配式再生混凝土構(gòu)件制備及結(jié)構(gòu)、預(yù)制再生清水混凝土看臺板性能等，項目聯(lián)合清華大學(xué)、北京工業(yè)大學(xué)、河北工業(yè)大學(xué)等進(jìn)行科技攻關(guān)。圖4多專業(yè)集成預(yù)制看臺現(xiàn)場效果4.2大跨度空間雙曲馬鞍形屋蓋環(huán)桁架鋼環(huán)桁架平面投影外形尺寸為226m×153m，節(jié)點采用管-管相貫焊接形式連接，包括328根主弦桿和2220根腹桿，總重約8500t。截面為組合式桁架，包括7根主弦桿和12根腹桿。桿件截面規(guī)格多樣，弦桿截面尺寸大，鋼管最大截面尺寸為1600mm×60mm。本工程環(huán)桁架采取“南北區(qū)吊裝+東西區(qū)滑移”的總體施工方案（見圖5）。在施工前對滑移方案進(jìn)行仿真模擬計算。環(huán)桁架總體分4個分區(qū)，南、北區(qū)采用原位分段吊裝。東、西滑移分區(qū)總長181.9m，寬40.5m，重約2750t，采用“場外高空拼裝和高低二次滑移就位”的安裝方法，共鋪設(shè)8條下滑移軌道及4組滑移支撐架。桁架采用履帶式起重機從中間向兩端進(jìn)行高空拼裝，拼裝完成后，將滑移機器人設(shè)置在下滑移軌道梁上，將桁架滑移至場館6.1m層結(jié)構(gòu)邊，完成上滑移軌道梁對接，再將桁架二次滑移至安裝位置。北區(qū)拼裝22東區(qū)拼裝第1次滑移南區(qū)拼裝第1次滑移西區(qū)拼裝圖5環(huán)桁架總體施工方案為確保吊裝區(qū)與滑移區(qū)的結(jié)構(gòu)能準(zhǔn)確對接，吊裝區(qū)兩端設(shè)置嵌補分段，當(dāng)滑移區(qū)桁架落架后采用履帶式起重機安裝。嵌補分段安裝焊接合龍后，進(jìn)行結(jié)構(gòu)整體卸載（見圖6）。圖6環(huán)桁架合龍卸載后效果4.3國內(nèi)最大跨單層雙向正交馬鞍形屋面索網(wǎng)索網(wǎng)南北向最大跨度198m，東西向最大跨度124m。本工程首次采用國內(nèi)完全自主研發(fā)的高釩封閉索，承重索和穩(wěn)定索均采用雙索設(shè)計，通過索夾固定。拉索總長約20410m，總重約968t。為驗證結(jié)構(gòu)建造過程的可行性和安全性，國家速滑館項目與浙江大學(xué)聯(lián)合進(jìn)行1∶12實體模型仿真試驗，并在結(jié)構(gòu)上布置監(jiān)測點進(jìn)行全程健康監(jiān)測。經(jīng)方案比選，綜合考慮施工安全、成本、工期等因素，采用“地面組裝索網(wǎng)、整體提升張拉”的總體施工方案。地面索網(wǎng)鋪裝順序為：先安裝承重索后安裝穩(wěn)定索，承重索展索順序為從北向南，穩(wěn)定索展索順序為從西向東，全部采用全站儀根據(jù)索地面投影點坐標(biāo)進(jìn)行精準(zhǔn)放樣（見圖7）。圖7地面索網(wǎng)鋪裝索網(wǎng)地面鋪裝完成后利用提升機器人進(jìn)行98根承重索同步提升。承重索提升就位后，張拉兩端各3榀承重索和60根穩(wěn)定索。索網(wǎng)張拉時分階段、分級對稱同步張拉，保障張拉過程安全和最終索網(wǎng)成型效果（見圖8）。圖8索網(wǎng)成型效果4.4曲形玻璃幕墻構(gòu)筑美輪美奐“冰絲帶”玻璃幕墻呈天壇輪廓造型，由160根S形鋼龍骨斜向支撐，幕墻單元玻璃為雙夾膠中空曲面玻璃，由4層8mm玻璃兩兩夾SGP膠片，再復(fù)合成12mm厚中空Ar層玻璃單元，玻璃單元共3360塊（見圖9）。幕墻外側(cè)設(shè)置22道622m深彎半圓玻璃管，管內(nèi)設(shè)LED燈帶。幕墻龍骨系統(tǒng)主要由曲面幕墻S形鋼龍骨、弧形連接梁、絲帶支撐桿、絲帶圓鋼管組成。最長S形鋼龍骨為32.7m，最短為17.8m。圖9幕墻內(nèi)視效果在施工前對預(yù)埋件及牛腿進(jìn)行現(xiàn)場測量復(fù)核，反饋至BIM深化設(shè)計，確保深化設(shè)計準(zhǔn)確度。構(gòu)件下料加工數(shù)據(jù)利用GH插件從BIM模型導(dǎo)出，保障加工數(shù)據(jù)與深化設(shè)計的一致性。最后利用高精度測量儀器進(jìn)行放樣安裝。通過在深化設(shè)計、下料加工、測量放樣、施工安裝全過程使用統(tǒng)一的參數(shù)化BIM模型，保障曲形玻璃幕墻加工和施工精度（見圖10）。圖10幕墻龍骨施工4.5基于平行施工的復(fù)雜結(jié)構(gòu)高效施工管理通過對土建結(jié)構(gòu)、鋼環(huán)桁架、索網(wǎng)進(jìn)行基于多專業(yè)平行施工的仿真模擬，論證施工方案可行性，最大程度節(jié)約工期。環(huán)桁架采取“南北區(qū)吊裝+東西區(qū)滑移”的總體施工方案，索結(jié)構(gòu)采取“地面拼裝+整體提升”的總體施工方案。平行施工即地下車庫封頂后，在車庫東西兩端進(jìn)行環(huán)桁架拼裝；南北看臺上部的環(huán)桁架則待看臺結(jié)構(gòu)施工完成后，立即采用履帶式起重機插入原位分段吊裝；地上結(jié)構(gòu)施工的同時進(jìn)行預(yù)制看臺板安裝；東西看臺結(jié)構(gòu)施工完成后，采用同步滑移施工方案將環(huán)桁架安裝就位，與此同時，對已完成的預(yù)制看臺采取防護措施，進(jìn)行地上展索鋪裝；最終實現(xiàn)混凝土結(jié)構(gòu)、預(yù)制看臺結(jié)構(gòu)、鋼環(huán)桁架、索網(wǎng)的平行施工。4.6基于大數(shù)據(jù)和人工智能的精細(xì)化管控（1）基于人工智能的勞務(wù)管理。應(yīng)用人臉識別技術(shù)，實現(xiàn)人臉識別與閘機聯(lián)動，取代門禁刷卡等傳統(tǒng)勞務(wù)管理手段；基于機器學(xué)習(xí)，實現(xiàn)系統(tǒng)自動識別工人不帶安全帽、抽煙等不文明行為，聯(lián)動廣播及后端管理人員及時進(jìn)行處理；通過以臉?biāo)涯樈缑?，拍攝作業(yè)人員照片并上傳，實現(xiàn)實時人臉匹配，從數(shù)據(jù)庫中調(diào)出該作業(yè)人員所有錄入信息及人員軌跡，形成集團層面工人大數(shù)據(jù)挖掘和應(yīng)用。（2）智能化安全管理。實現(xiàn)施工現(xiàn)場、工人生活區(qū)、辦公區(qū)的監(jiān)控全覆蓋及主要道路、重點區(qū)域的監(jiān)控。塔式起重機上球機配合云臺實現(xiàn)720°旋轉(zhuǎn)及變焦，實現(xiàn)運籌帷幄于千里之外；通過風(fēng)速報警、防傾斜、禁行區(qū)域設(shè)置保護、防碰撞、制動控制、黑匣子等多種功能，輔助塔式起重機安全運行。5.結(jié)語國家速滑館項