基于BIM技术的亚运会水上运动中心智能化建造方法

近年来，随着我国建造技术的不断完善，以型钢混凝土为代表的组合结构也越来越受到关注，特别是在大跨度桥梁、体育馆等大型公用建筑中。由于利用组合结构的建筑物重要性较高且结构形式复杂，导致其建造周期长、跨业务广（设计、施工、监测、运维）、多主体、质量要求严格，组合结构建造环节复杂、异常扰动因素众多，传统模式下的施工方法已无法满足当前组合结构建造智能化的发展要求。

智能建造是一种广义的概念，是指在建造过程中，利用先进的智能化、机械化技术手段，达到质量、安全、进度、成本更优的目的，构建项目建造和运行的智能化环境。对建筑结构的智能建造方法的研究和应用也成为土木工程领域的热点。买亚锋等通过分析BIM技术的应用现状，提出了BIM+物联网融合驱动的智能建造综合管理系统，对传统建造方式进行数字化升级，并构建了无人化的施工模式。杨文博等分析BIM和VR技术特点，将其应用到仓储类工程施工过程，缩短了建造周期，降低了施工成本。霍丽娜为提高地铁施工的智能化利用了BIM技术3D展示、深化设计、协同管理的功能，实现了工程质量、安全、进度管理的数据共享和信息传递。Andrew Basta等进行了基于建筑信息模型的索网结构可解构性定量评估的研究。

但是，上述研究很少涉及组合结构的智能建造，且对建造全过程、全要素系统优化的研究也较少。本文分析传统组合结构施工，结合亚运会大型水上运动中心项目的施工特点，基于BIM技术进行组合结构建造智能化研究，并探索BIM技术与人工智能融合驱动的组合结构智能建造。

1　组合结构的施工方法

钢–混凝土组合结构具有刚度大、承载能力强、抗震性能好、高耐久性和耐火性等特点，多用于高层超高层建筑、大型体育场馆、大跨度桥梁等重要性高的工业及民用建筑。型钢混凝土组合结构施工的关键点在于型钢混凝土梁柱与钢梁、钢桁架关联节点的施工技术、施工工序和质量监管。

1.1　施工工艺

北支江水上运动中心体育场馆上部为框架结构，其中大跨度部位采用型钢混凝土组合结构。在组合结构中选用型钢混凝土柱和型钢混凝土梁。

本项目型钢混凝土组合结构施工主要包括4个步骤，即型钢施工、钢筋施工、模板施工、混凝土施工。型钢在工厂按设计要求预制，进行深化设计，明确施工过程中各构件的准确位置。

1.1.1　型钢施工

根据设计要求，在工厂预制的钢构件，需按深化设计指导现场施工。现场施工前要确定构件的精确位置，以方便钢筋绑扎，模板支设和混凝土浇筑。由钢结构安装作为定位的重要依据，型钢施工是整个组合结构建造的基础。

1.1.2　钢筋施工

完成现场型钢施工后，按深化设计加工钢筋、布置脚手架。根据型钢上预留的孔洞位置，布置钢筋。由于型钢的存在，增加了结构刚度，因此，钢筋可能会相应减少，但仍需注意钢筋间的搭接和锚固，并避免超筋和少筋的现象。

1.1.3　模板施工

模板的刚度和稳定性应严格把控，模板连接应严密，以免漏浆。 

1.1.4　混凝土施工

混凝土的浇筑质量直接影响结构的使用性能和力学性能，应避免漏振、过振等现象。

1.2　施工控制难点

（1）本项目钢结构安装范围大，型钢位置确定较难，且安装过程受下部基础结构影响，钢结构吊装范围大构件自重较重，需使用大型吊装设备。另外，受场地及基础部分的影响，部分钢结构需经加固处理才可施工。

（2）大型组合结构形式复杂，为现场施工物料的调度增加了困难，现场施工作业面错综复杂，影响吊装机械施工。选择施工方案时，还需综合考虑进度、质量、安全等因素，加大了施工难度。

（3）组合结构形式新颖，对各类构件的要求严格，大型建筑内部的各类管线设备种类繁多。须避免构件与管线发生碰撞或遗漏增加了施工难度。

（4）现场大型施工机械多，调度复杂。吊装工作量大，加大了机械吊装的难度；作业面多，也为施工机械、物料的调度增加了难度。

（5）组合结构施工就涉及钢结构、钢筋、模板、混凝土等多个业务层级，加大了安全、质量、成本等方面的管理难度。由于本项目为重要性较高的建筑，对结构安全的监测要求也更为严格。

2　基于BIM的组合结构智能化建造体系

2.1　智能化建造方法体系搭建

基于BIM技术的特点，本项目研究并探索组合结构智能化建造方法体系，从确定建筑方案到深化设计再到进行模拟施工，各阶段应用BIM技术和相关软件，为施工的可行性打下基础。

基于BIM技术的组合结构建造方法体系主要包括设计阶段、深化设计、施工模拟三大方面。对其进行精确分析，可实现对建造施工过程的智能指导，智能化建造体系如图1所示。

图1　基于BIM技术的智能化建造方法体系

2.1.1　设计阶段

设计阶段主要包括建筑方案确定、结构找形、结构设计3个环节。在确定建筑方案时，应用Revit等软件建立BIM模型，由建立的三维模型系统分析建筑采光、能耗等实现绿色建筑目标。在结构找形和结构设计环节，由BIM模型导入有限元分析模型，在建筑方案确定的基础上确定构件的尺寸、平面布置等结构参数，为建筑结构的可靠性提供依据。

2.1.2　深化设计

连接设计阶段和施工阶段的关键工序是深化设计环节。组合结构施工控制难点是型钢之间的连接工艺。为此，在深化设计阶段根据设计模型应用Tekla对钢结构连接节点的构造形式做成立体动画形式，对现场施工人员进行可视化的技术交底，提高了施工的精度。

2.1.3　施工模拟

基于BIM技术实现对施工进度的模拟，在已确定的施工进度计划文件上，结合三维BIM模型，按时间信息制订合理的施工工序，将BIM模型导入Navisworks，做到结构的三维可视化漫游，也能进行碰撞检测，避免出现严重的施工误差。通过设置时间节点，可直观分析各时刻的施工工序，进而模拟整个建造过程，保证在计划工期内完成施工。

2.2　BIM技术与现代化技术的融合

2.2.1　BIM与三维激光扫描

利用BIM技术既可完成从设计到施工再到运维的正向操作，还可实现由建筑物到虚拟模型转化的逆向设计。基于三维激光扫描的优点，可获取建筑物构件的所有位置信息，形成点云数据，从而建立点云模型由逆建模形成施工过程的BIM模型。在型钢安装前对构件进行预先安装模拟，确定构件的最终位置坐标。由三维激光扫描对模拟安装的构件提取点云数据，对比逆建模形成的BIM模型与设计时的BIM模型，及时调整施工误差，从而保证了施工与设计的一致性，以提高施工精度，并为后续的钢筋、模板施工提供支撑。型钢安装模拟流程如图2所示。

图2　钢结构安装模拟流程

2.2.2　BIM与虚拟现实技术

组合结构形式新颖，对各类构件的要求更严格，由于大型工业民用建筑内部的各类管线设备十分齐全，因此要求施工时避免构件与管线发生碰撞或遗漏。BIM模型建成后导入UNITY 3D中进行加工处理，结合BIM+VR技术，将三维模型以虚拟现实的状态呈现给有关人员进行沉浸式的施工交底，让现场人员对复杂的工艺及流程有更直观的理解。BIM与虚拟现实技术相结合进行的可视化技术交底直观地展示了构件和管线的细部构造，返工现象。BIM与VR融合驱动的可视化技术交底如图3所示。

图3　BIM与VR融合驱动的可视化技术交底（计算机截图）

2.2.3　BIM与RFID技术

由于组合结构施工，现场跨专业、跨业务工序较多，因此型钢构件管理成为一个难题。为此，将RFID技术与互联网结合，以云端作为服务端，构件信息为主线，开发协同管理平台，串联型钢的生产、运输、进场、安装等过程，可通过移动端、系统管理端、网页端管控型钢的信息数据。应用BIM技术进行的型钢构件生产，可生成带有型钢信息的料单和电子标签，将电子标签粘贴在相应的构件上，结合协同管理平台，一物一码进行构件施工过程的信息管理。

3　基于BIM的建筑信息化和智能化管理系统

3.1　C/S架构驱动的管理平台

本项目组合结构施工涉及钢结构、钢筋、模板、混凝土等多个业务层级，增加了施工现场对安全、质量、成本等方面的管理难度。对比在BIM模型的基础上，结合组合结构施工所需材料开发了专项管理平台，内容包括功能的确立、数据的采集、界面的设计、信息的轻量化、模型的拟真渲染、机位的设立、脚本的编写等。C/S架构驱动的管理平台开发过程如图4所示。

图4　C/S架构驱动的管理平台开发过程

在管理平台上整合模型、图纸、信息，将所有的资料汇为一体，以方便查看。平台为独立文件，不需要性能电脑，且不需要BIM软件支持，便于在施工现场交流。平台内置了大型文件和图纸，以及施工工艺视频，便于技术交底、查阅和使用，还可进行人员、进度、机械管理。平台测量工具，可结合现场情况使用，便于现场验收检查。将结构监测系统融入到平台，可通过平台接收现场监测点的信息，监测施工现场钢结构的安装情况。

3.2　施工过程的智能管控

3.2.1　施工质量智能管控

在C/S架构驱动的管理平台下，通过三维模拟施工，所有通过软件展现施工细节，实现BIM可视化交底，提高了现场人员的工作效率。利用基于BIM的虚拟建造、预拼装、可视化交底及现场移动端检查等技术，确保了屋面结构、型钢结构施工计划有序执行。通过轻量化处理，方便质量检查，将查出的质量问题与平台连接，通过手机端检查问题、录入平台后可自动生成质量问题整改单，并对整改进行自动统计。

3.2.2　施工安全智能管控

BIM技术的显著特点是可视化、模型化、数字化，将BIM技术用于施工安全管理，可显著提高安全管理的效率。在组合结构的建造过程中极易出现安全问题，在BIM技术驱动下进行施工安全管理，可有效提高管理的信息化水平。

在组合结构的施工过程中，将BIM模型信息录入管理平台，并依据模型模拟布置监测传感器，对问题进行定位并发现问题，整改问题，经过审核检查形成闭合管理后，将数据回传至平台，在平台中形成安全隐患数据库。施工安全管理流程如图5所示。

图5　施工安全管理流程

3.2.3　施工成本智能管控

利用BIM模型提取材料用量，依据提取的数据编制混凝土采购计划，实现混凝土材料实时动态管理。对混凝土的计划使用量进行科学严谨的管理，实现对每天、周、月及任意时间的材料用量动态查询及发行。通过合理安排混凝土的用量，指导施工人员的分配、材料的采购、罐车泵车的进出场，还可根据混凝土使用总量，控制日混凝土计划使用量，实现限额领料模式管理。

利用移动端通过智能化平台查询剩余混凝土总量，可进一步精准化管理混凝土进场量，避免混凝土材料浪费。施工完毕后，通过平台提取材料实际耗量对比表，掌握实时偏差。定期组织混凝土材料成本分析并制订相应对策，实现混凝土工程量精细化管理。本项目实现了建模软件与算量软件之间的数据交互使用，同时完成对混凝土材料计划的编制与分析，改善了施工阶段A类材料管控模式，实现了精细化管理。

4　结论

本文结合亚运会水上运动中心项目组合结构的特点，总结了型钢施工、钢筋施工、模板施工、混凝土施工，并分析了施工过程的控制难点。针对施工中4个主要环节控制难点，探索了基于BIM的智能化建造方法体系，以设计、深化、模拟3个环节为施工作支撑，研究了BIM协同其他信息技术对施工智能化的提升。

在施工管理方面，搭建了C/S架构驱动的管理平台，对施工的质量、安全、成本进行智能化管控。综合BIM技术的特点，融合人工智能探索了组合结构智能建造系统，旨在实现对建造过程的动态感知、智能诊断、科学预测及精准执行。