长沙钢文化艺术中心BIM智慧工地应用.docx

1、.长沙梅溪湖国际文化艺术中心工程智慧工地应用文/北京城建集团有限责任公司刘京城，苏李渊，刘梦溪摘要：长沙梅溪湖国际文化艺术中心是国家中部地区第一个国家级新区湘江新区的重点工程，项目呈飘逸“芙蓉花”造型，结构新颖、复杂，为框剪混凝土结构及外围弯扭钢结构。项目部针对工程特点、难点，以BIM技术、云计算和物联网等信息化技术为载体实现工程全生命周期的智慧化，通过智慧工地应用，达到控制成本、全程优化、精确建造的目的。关键词：智慧工地 BIM 物联网施工1 概况1.1工程概况长沙梅溪湖国际文化艺术中心工程北邻梅溪湖北路、南邻环湖路，东邻节庆路、地铁2号线设有文化艺术中心站。本工程总建筑面积12.6万平方米

2、，结构为框剪混凝土及外围弯扭钢结构，屋面和外立面主要为GRC幕墙。通过5.2万地下室连为一体，地上分为三个单体建筑，即包括1800座的大剧场、500座的多功能小剧场和一个展厅面积超过1万的当代艺术馆。工程建筑方案设计由国际建筑最高奖普利兹克奖获得者扎哈哈迪德女士担纲设计。北京城建集团有限责任公司为工程施工总承包。工程建成后将成为湖南省规模最大、功能最全、全国领先、国际一流的高雅文化艺术殿堂，能承接世界一流的大型歌剧、舞剧、交响乐等高雅艺术表演。长沙梅溪湖国际文化艺术中心效果图如图1所示。图1 长沙梅溪湖国际文化艺术中心效果图1.2智慧工地概况本工程质量目标：国优鲁班奖。由于工程质量标准高、工期

3、紧、造型复杂，其中最为复杂的为钢结构、幕墙工程，存在大量的空间异形结构，且构造层次多而复杂，专业配合多，参与单位多。所以本工程立足智慧工地，为实现建造过程中的智慧化，开展以BIM技术应用为主的智慧工地应用非常必要和符合实际。本工程智慧工地应用可归纳为“一体两翼”（如图2所示），以BIM为主，云计算和物联网为辅。BIM技术作为项目智慧工地应用的核心，在工程启动之初就贯穿始终，从管理到建模，从深化到出图，BIM较为全面的应用为智慧工地提供了保障。云计算和物联网的应用，又为智慧工地提供了动力。图2 智慧工地“一体两翼”2智慧工地应用2.1BIM应用2.1.1全专业BIM建模及深化设计由于工程造型复杂

4、，机电若采用常规方式深化设计，会与土建结构产生大量碰撞致使深化工作量倍增。钢结构、幕墙、精装修由于存在大量弯扭结构或异形双曲面，若采用常规方式则根本无法完成深化设计。所以土建建模应用Revit，机电深化应用Revit MEP（管综和机房），钢结构设计建模应用CAD(3D)，钢结构深化设计应用Tekla (X-Steel)，幕墙深化设计应用Rhino以及Digital Project，精装修设计应用Digital Project，景观设计应用Digital Project，确保本工程全专业BIM建模。全专业BIM整合模型如图3所示。图3 全专业BIM整合模型2.1.2碰撞检测由于本工程各专业都极

5、其复杂，土建结构、机电、钢结构、幕墙、精装修原设计图纸上很多专业间或者专业内碰撞的问题。所以全专业BIM建模后，在深化设计阶段使用Navisworks进行各专业间的碰撞，发现建模错误或设计缺陷，提前修改或变更，以免施工期间返工和造成不必要的损失。Navisworks软件碰撞检测如图4所示。图4 Navisworks软件碰撞检测2.1.3BIM出施工图一般工程出施工图是将设计初始CAD图纸作为底图，加上设计变更部分再出图作为施工图。本工程通过BIM软件做深化设计，机电、钢结构、幕墙经碰撞检测修改调整后从实际施工模型直接出施工图，可以大大提高效率，减少设计错误。幕墙防水层檩条BIM施工模型和对应施

6、工图如图5、图6所示。图5 幕墙防水层檩条BIM施工模型图6幕墙防水层檩条施工图2.1.43D打印利用3D打印技术，将BIM模型通过打印材料层层堆叠打印出来，实现BIM模型的实体化。将3D打印的模型放置于会议室，使工程形象直观，具体生动。开会讨论时可以利用3D打印模型辅助沟通，便于做出决策，特别是对蜂窝钢结构部分施工方案分析讨论具有重大指导意义。大剧场3D打印模型如图7所示。图7 大剧场3D打印模型2.1.5施工方案分析模拟在钢结构施工组织过程，编制了多个单项动画，包括施工进度动画、路径动画、塔吊吊装动画、履带吊吊装动画、结构施工动画等，通过施工方案模拟合理选择并优化施工方案。本项目所研究的前

7、厅蜂窝状单层网格结构各杆件、节点的吊装都较为复杂，针对施工现场具体的布置情况，合理地选择杆件吊装的路径和方式，形成比较准确且可行的吊装方案。蜂窝结构分段按结构特点分成四类：底部构件、蜂窝网主构件，蜂窝网次构件以及顶部大截面构件，其中蜂窝网主构件、次构件与大截面构件均为弯扭构件，单根通长最重蜂窝网主构件约22吨。顶部大截面构件中间较大截面部分分为三段，每段约24吨，铸钢件最大重量为83吨。蜂窝结构采用350t履带吊（42+54米塔况+200吨超起工况）进行吊装，吊装半径约22至64米，吊装能力为29吨至90吨。满足该处分段吊装要求。通过数值模拟分析，变形及应力最大的点在蜂窝结构顶环梁的两个最大的

8、铸钢节点处，以这两个连接节点作为基准点，将倾斜蜂窝结构通道门划分为三个部分，两个基准点之间的区域定义为设置支撑安装区域，两个个基准点之外的区域定义为叠加安装区域，叠加安装区域按由下至上的顺序，将连接梁、连接节点、构成顶环梁的弧形钢构件，按设计要求连接，测量定位后，固定，直至与第一步得到的基础连接节点实现连接；设置支撑安装区域的安装顺序是：先设置支撑胎架，将构成顶环梁的弧形钢构件及连接节点连接，测量定位后，固定，构成顶环梁，然后，将连接梁与底环梁与顶环梁上的连接节点固定连接。起始铸钢节点安装如图8所示。蜂窝钢结构安装完成如图9所示。图8 起始铸钢节点安装图9 蜂窝钢结构安装完成2.1.6三维扫描

9、本工程精装修设计完全基于BIM模型，精装修进场之前对现场结构进行扫描，生成点云并逆向建模，对土建施工模型进行校核，在Rhino中依据点云模型对精装修设计模型进行修改。精装修施工期间依据三维扫描得到的点云模型，结合放样机器人对精装点位自动放样。点云模型和精装修设计整合模型如图10所示。幕墙施工之初对现场实体结构的实测实量，掌握实际与设计模型的差别、消除初始误差，是幕墙安装的首要工作。利用三维扫描设备对现场钢结构进行三维扫描，生成点云，并利用软件自动计算逆向建模，与设计模型在1cm、5cm、10cm不同精度范围内分析比对，得到对比数据，GRC板、檩托、二次钢结构模型根据此数据进行调整。大剧场钢结构

10、逆向建模模型如图11所示。图10 点云模型和精装修设计整合模型图11 大剧场钢结构逆向建模模型2.1.7 GRC数字化加工GRC加工的传统模具是在木板上覆盖白纸，沿白纸所绘曲线切割而成，精度难以保障。本工程GRC的数字化加工主要体现在模具的加工。将Digital Project中设计模型通过插件导出CNC可用文件，然后导入CNC专用数控系统。数控系统代码逐行运行，驱动CNC三轴雕刻机铣刀上下、左右、前后高速转动，实现模具板毫米级加工精度。CNC加工后的模具经线方向间隔500mm、纬线方向间隔1000mm排布，蒙皮过程随形贴三层5mm厚板，刮三层腻子，刷一道漆，浇灌GRC砂浆，注浆有一定强度后与

11、背负钢架连接，再经养护、脱模、表面修整后包装。GRC模具加工样品如图12所示。图12 GRC模具加工样品2.1.8可视化交底指导施工由于幕墙GRC构造层次复杂，单靠图纸和普通的技术交底很难达到比较好的效果。本工程利用BIM软件建立GRC整体构造模型，并对主体钢结构以上的防水保温层、檩条、檩托、GRC板块等进行模拟安装，指导施工。幕墙GRC安装可视化交底如图13所示。图13幕墙GRC安装可视化交底2.1.9运维拆卸方案模拟由于本工程幕墙造型奇特，结构复杂，所以屋面防水施工难度极大，要求满足防、排、修三点。进而运维阶段要求GRC幕墙必须可拆卸，为使拆卸方案切实可行，拆卸方案直接在幕墙三维模型中设计

12、，针对真实的板块和安装节点完成方案。幕墙GRC拆卸方案模拟如图14所示。图14 幕墙GRC拆卸方案模拟2.2云计算应用本工程云计算的主要应用点是云存储数据和云协同办公。由于本工程涉及人员分散在香港、广州、上海、长沙等地，文件传输和协同办公至关重要。本工程使用Trimble Connect平台进行图纸、模型、文档管理，在线观看文档和BIM模型，且上传或下载都有记录，保证可追溯性。Trimble Connect平台如图15所示。通过Trello平台协同办公，将图纸会审产生的重要问题放置平台讨论，通过远程讨论与回复，及时在线处理工程难点，且追溯性强。Trello平台如图16所示。图15 Trimbl

13、e Connect平台图16 Trello平台2.3物联网应用本工程物联网的主要应用点是微信平台上基于二维码的GRC管理系统。由于本工程幕墙造型复杂，三个单体共计13500块异形双曲面GRC板，且各板块之间没有一块是相同的。针对幕墙GRC专项施工管理的需求极为迫切，由此开发了GRC管理系统，系统界面如图17所示。GRC施工过程管理的GRC板块信息来源于BIM模型。在Rhino中利用grasshopper插件将模型中的GRC编号信息以EXCEL表格形式导出。导出之后，再将EXCEL表格导入GRC管理系统后台，生成每块GRC板的基本信息列表，实现数据信息共享和传递。再利用软件将每块GRC板链接字符

14、串生成二维码并批量导入后台，工厂加工生产后打印二维码粘贴至对应的GRC板成品。GRC施工过程质量管理包括出厂验收、进场验收和安装验收。打开GRC管理系统，点击扫一扫，扫描粘贴在GRC上的二维码。自动跳转至验收界面如图18所示，可以看到前面已经完成了出厂验收过程，点击进场验收按钮，确认GRC包装、产品外观、钢架防腐合格后，点击确定通过。进场验收完成，等待安装验收。整个无纸化验收过程绿色节能、可追溯性强。图17 GRC管理系统界面图18 GRC管理系统验收过程GRC验收后，可在系统后台查询生产、出厂、进场、定位、安装过程信息，具体数据信息由专人录入后台。验收表格可导出存档。信息统计功能可以自动记录

15、生产进度，将未生产、出厂验收、进场验收、已安装GRC四种不同施工状态以饼状图形式直观表达。GRC管理系统将大大提高GRC施工管理效率，提升施工品质。GRC幕墙现场安装效果如图19所示。图19 GRC现场安装效果GRC管理系统施工过程信息可移交运维。运营中GRC板损坏，维护人员可以通过扫描二维码得到GRC板编号，登录GRC管理系统后台搜索损坏的GRC板所有信息。第一时间重新生产加工。3结语智慧工地以BIM、云计算、物联网、大数据等先进技术综合应用为代表，保障工程建设各阶段、各专业、各参与人员协同作业，实现工程项目集约化和精细化管理。智慧工地将是建筑业未来发展的大势所趋。长沙梅溪湖国际文化艺术中心

16、工程智慧工地应用，从设计规划阶段采用BIM技术，进行整体概念设计和各专业设计模型建模。在各项招标阶段也明确指出投标人需使用BIM技术进行深化设计。在施工阶段总包采用云平台进行项目管理和数据管理，利用物联网与高校合作自主研发的GRC管理系统进行重点专项管理，各专业分包采用BIM软件进行深化设计并出图。最终形成竣工BIM模型和后台数据库提交给业主进行后期运维。本工程通过智慧工地应用，为业主实现了建筑造型及功能，为总包赢得了管理效益，为分包获得了利润。且在各方共赢的情况下，减少了社会资源浪费，降低了环境污染程度，促进了建筑业向智慧建造方向的迈进。参考文献：1李久林,王勇. 大型建筑工程的数字化建造J. 施工技术,2015,12:93-96.2本刊编辑部. 创新发展变革智慧建造与智慧工地论坛成功召开J. 中国建设信息化,2016,22:8-9.3曾凝霜,刘琰,徐波. 基于BIM的智慧工地管理体系框架研究J. 施工技术,2015,10:96-100.4刘刚. 智慧工地会是啥样J. 施工企业管理,2014,07:84.作者：刘京城北京城建集团长沙梅溪湖国际文化艺术中心项目总工程师苏李渊北京城建集团长沙梅溪湖国际文化艺术中心项目BIM主管刘梦溪北京城建集团长沙梅溪湖国际文化艺术中心项目技术部长