BIM技术在武汉琴台美术馆异形结构中的应用

段超龙，周晓帆，戴 路，胡新余

(中建三局集团有限公司，湖北 武汉 430064)

0 引言

当代美术馆作为集中体现城市文化内涵的建筑，为适应艺术形式的变化，在建造空间上提出许多要求，使美术馆空间功能日益复杂，形式更加多变，往往具有建筑造型复杂和结构设计施工难度大等特点[1-3]。利用BIM技术可视化、参数化和信息化等特点解决二维设计图纸表达结构复杂建筑存在的问题，并将虚拟三维模型应用于设计阶段、施工阶段及运维阶段，已在诸多项目中取得良好的效益[4-6]。黄宗贵等[7]在隆平水稻博物馆中应用BIM技术，辅助双曲薄壳混凝土屋面支模、工程量统计、施工测量等施工过程。付冠超等[8]以西安奥体中心“一场两馆”幕墙及屋面BIM应用为例，介绍基于BIM技术的可视化设计、设计优化、专业协同、深化出图、施工模拟等成果，并提出体育场馆BIM应用方向及要点。张怡等[9]在国家速滑馆项目中通过BIM 技术辅助轮廓曲面玻璃幕墙施工深化设计、构件加工和现场施工，有效保证幕墙精准高效施工。但上述工程仅在单一方向上应用BIM技术辅助项目实施，武汉市琴台美术馆建筑造型起伏多变，完全采用清水混凝土结构进行建造，屋盖采用自由曲面钢筋混凝土壳体结构，使整体形态似山体变化[10]。屋盖、墙体构造复杂多变，设备管线与结构交互关系错综复杂，设计、施工和各专业配合难度较大。本项目通过前期BIM策划，实施过程中使用BIM技术对自由曲面混凝土屋盖和清水混凝土结构进行设计及施工方案优化，并对机电管线进行综合排布，极大提高工程质量、缩短项目工期，取得良好的经济效益。

1 工程概况

琴台美术馆项目位于武汉市汉阳月湖艺术博览区，琴台大剧院以西、月湖以北，地下1层为停车场、设备用房、展厅，1层为展厅，2层为公共艺术广场，总建筑面积约4.3万m2，其中地上建筑面积约2.08万m2，地下建筑面积约2.22万m2，工程造价2.48亿元。项目采用成型后无须装饰的清水混凝土结构及自然的地景式建筑设计方案，在满足生活便利的前提下，最大程度保有自然形态，造型起伏多变，若隐若现，与周边景观自然融合，如图1所示。

图1 琴台美术馆效果

2 重难点分析

本项目属于特别不规则的超限多层结构，采用大量异形双曲面清水混凝土结构，是当时国内在建公共美术馆建筑中采用清水混凝土建造比例最大的项目。为体现现代美术馆的建筑美感，天花要求具有清水混凝土效果，屋面采用自由曲面混凝土壳体结构。屋面自由曲面设计限定室内大小错落的展厅空间，对展厅空间尺寸形态、功能使用及消防设计都提出较高要求。屋面最高处模板工程属于高支模施工范畴，对模板施工质量要求较高。

地下室功能分区多样，结构标高错综复杂。因结构形式限制，所有机房均设置于地下，且净高要求严格，使地下风管多处水平重叠或交叉，进而管线综合难度较大。地上建筑为保证清水混凝土建筑视觉风格，要求所有设备管线隐身于结构内部。因此，大部分管线设置于架空地板层与空腔管井内，对地上管线、地板支座和空腔管井中的墙体夹层板、模板深化排版设计要求高。同时，基于清水混凝土一次成型的特点，对建筑、结构、机电、室内各工种高密度协作要求极高。所以，项目建造要求及施工管理难度较大。

3 组织策划

琴台美术馆项目通过BIM技术，在施工前完成施工图深化工作，以改善粗放型管理、周期长、危险性大、设计变更多和施工质量不稳定等问题。为达到BIM技术辅助项目实施的目标，首先依据设计图纸进行各专业模型创建和专业间碰撞检查，辅助设计发现图纸中的错漏碰缺。其次，通过BIM模型深化和机电管线深化，解决多专业协同问题，解决设计与施工一体化信息衔接的问题，以提升沟通效率和设计图纸质量。利用BIM三维可视化技术进行交底，为工程重难点提供可视化技术支持，指导现场施工。为实现通过BIM技术辅助项目实施的目标，业主组建BIM管理组织架构，明确设计院和总承包单位管理职能，并整体管理设计和施工过程中各专业的组织协调工作，如图2所示。

图2 BIM管理组织架构

BIM工作实施流程分为设计阶段BIM应用和施工阶段BIM应用。通过建立BIM实施标准与组织人员架构，明确BIM实施标准、人员职责、建模标准、编码命名规则、模型拆分原则、数据交互标准和成果交付要求等内容，为工作开展建立完整的实施依据，保证设计阶段和施工阶段工作前后统一协调。并统一BIM技术采用的软件类型、版本，依托智能建造平台实现设计、建造、管理数字化，避免由于软件版本和模型版本不一致导致项目成果难以应用等问题，如表1所示。

表1 琴台美术馆BIM软件配置

4 异形屋面深化

本项目屋面总面积约2.2万m2，采用曲率均不一致的自由双曲面壳体结构，天花采用无装饰面层的清水混凝土，结构形式为自由双曲面密肋梁+实心板，最大跨度约28.8m，最大悬挑约10.5m，曲面最高处模板支撑架体高23.88m，属于高支模施工。设计方通过Rhino结合Grasshopper进行参数化处理，设计和比选壳体自由变化屋面方案，并在Dynamo中读取Rhino中的屋面数据源，以达到Revit和Dynamo的实时联动，通过参数化程序实时生成可控双曲面自由屋面，同时生成依赖于屋面的附属结构，如图3所示。

图3 屋面自由曲面数字化模型

利用Grasshopper软件对屋面翻边及支墩进行批量处理，并以Excel格式导出精准定位点，以解决整个屋面等高线定位点繁多、定位难度大、工作量繁重的问题。当屋面方案发生变化时，Revit中的双曲屋面及附属结构能实时自动更新。

屋面结构设计根据建筑设计方案，建立屋面自由曲面数字化模型，并验算恒荷载、活荷载、温度作用及地震作用影响。其中，利用Rhino数字化几何模型创建准确的屋盖有限元模型，利用YJK软件设计计算下部主体结构，利用MIDAS Gen软件创建下部主体结构整体计算模型，并设计计算不同结构形式的屋盖，利用ABAQUS软件建立整体结构计算模型，通过分析材料非线性和几何非线性动力时程，确保结构抗震安全可靠。屋面通过参数化设计，最终确定屋盖中央为穹顶造型，并分析中央穹顶受力性能，确定结构方案为密肋梁+实心板结构形式。

为保证天花清水混凝土一次成型，模板拼缝必须顺滑，背楞体系需满足模板自由双曲面曲率要求。通过Revit及Rhino软件对项目结构及屋面进行建模，经方案比对后，背楞体系选用槽钢+方钢结构网壳体系，该体系与设计曲面贴合，具有质量可控、模板支撑体系稳固性好、操作难度低等特点，如图4所示。同时，基于BIM辅助屋面测量定位，利用MAGNET 系统实现自由双曲面屋盖标高控制、等高线阶梯放样及全自动密集放样。根据屋盖三维模型采集屋面模板数据并进行标高定位，输出CAD图纸后指导模板加工及铺设。

图4 屋面模板搭建

5 结构深化

本项目大面积采用清水混凝土建造方式，且清水混凝土竖向墙体在不规则夹层板中布置，对模板深化排版设计要求高。施工阶段采用BIM三维模型识别高支模区域，利用BIM可视化技术比对高支模方案，经多次方案比选及分析，最终采用型钢柱+贝雷架+满堂脚手架+钢结构网壳支撑体系，如图5所示。根据结构设计图纸及Rhino模型，使用Revit软件对贝雷架支撑体系进行三维建模后，运用MIDAS软件进行有限元分析，对BIM深化排版模型进行安全验算，以优化贝雷架支撑体系，并进行架体安全核算，如图6所示。根据BIM模型，对钢立柱进行编号，并输出钢立柱定位图用于现场施工，确保现场与模型对应。同时，通过BIM模型调整下部钢立柱定位，避免高支模方案影响主体结构，合理排布贝雷架，避开竖向构件，保证贝雷架支撑体系安全可靠，并输出施工图纸和工程量，指导施工及采购工作。利用深化后的BIM模型，编制高支模专项施工方案，明确模板支撑体系的施工工艺和安全措施等，保障高支模工程顺利实施，且顺利通过专家论证。

图5 贝雷架支撑结构

图6 贝雷架支撑体系有限元计算模型

在屋面密肋梁与实心板交叉区域创建BIM模型，输出施工图纸并对工人进行培训及交底，以指导现场模板与钢筋施工、混凝土浇筑。通过BIM技术优化清水混凝土模板，对现场班组进行施工交底，保证现场排版与模型一致，并减少材料浪费。同时，根据清水模板排版对机电点位进行二次深化，合理优化点位位置，输出定位图纸，指导现场预埋，以确保预留孔洞一次成型。空腔管井为全封闭式管井，最小净宽仅400mm，内置风管等管线，内侧模板无操作空间，通过BIM三维模型对空腔墙体及风管安装作业进行交底，并导出工序穿插施工图纸，如图7所示。

图7 空腔墙浇筑工序

6 机电深化

由于屋面结构形式限制，本项目所有机房均设置在地下室，通过竖向管井送回风，所有设备管线不能外露，因而地下室管线十分密集。大部分区域无建筑吊顶，利用空腔双墙以方便设备管线竖向穿行，采取上翻柱帽和架空木地板的方式，以方便设备管线水平穿行。通过风机设备将新风或烟气由上往下经空腔墙抽入地下室机房，后由风管排出室外。整个建筑没有出屋面风井及设备，如图8所示。

图8 空腔墙风管安装工序

在机电管线深化阶段，结构标高复杂、管线交错密集、管线综合难度大。首先，创建各专业BIM模型，在管线密集区域，通过BIM技术进行模型整合、三维审图、管线排布优化、碰撞检测、净高分析确定机电管线综合排布方案，确保模型及图纸质量，并排布无梁楼盖区域管线。地下1层无梁楼盖区域风管顶距楼板底100mm处分层平铺，桥架水管置于风管底避开风口排布，管道翻弯从风管间隙穿过。通过深化设备模型和精确设备定位深化机房模型，并输出设备基础定位图，以指导基础施工。

地下1层后勤走道区域较窄，管道密集，将风管排布于顶层，桥架排布于风管下层，水管分层置于底层敷设。深化架空层机电管线及支座点位，合理排布管线路由，使风管与管道交叉处空间满足安装要求。当风管与管道交叉处排布空间不足时，优化设计协调架空层机电管线，并借助BIM模型输出机电各专业平面图纸及留洞图，以指导施工。利用BIM模型导出工程量清单，辅助下料与工程量核对。

7 效益分析

通过应用BIM技术实现各参建方协同管理及信息共享，使各参建方能及时参与设计过程，提高沟通效率，解决多方协同错位问题，形成经济美观的建筑方案。应用BIM技术优化贝雷架支撑体系，使地下室砌体及抹灰提前插入50d，整体节约工期120d。借助BIM技术进行机电深化设计和清水混凝土模板排版，共发现203处图纸问题，避免后期结构开洞，且模板拼缝美观，一次成优，提高工程质量。通过正向验证贝雷架体系，优化整体支撑体系，减少支撑体系用料，节约费用约180万元。

8 结语

琴台美术馆项目在设计和施工阶段，通过应用BIM技术消减屋盖与墙体构造的多变性，及设备管线与结构交互关系错综的复杂性，解决因自由曲面钢筋混凝土壳体结构屋面和竖向清水混凝土墙体造成的设计、施工和专业间协调配合问题。

1)采用BIM技术辅助大跨度自由双曲面清水混凝土屋盖结构设计和施工过程，实现异形屋面参数化设计，并验算恒荷载、活荷载、温度作用及地震作用对屋面的影响。

2)基于BIM模型有限元分析，最终确定大空间支撑体系和双曲面背楞模板体系，并输出施工图纸，指导现场施工。

3)通过应用BIM技术深化清水混凝土结构，对空腔管井施工工艺穿插进行施工模拟，综合考虑机电点位，输出深化图纸指导现场施工，确保清水墙成型质量，杜绝墙面后开孔。

4)通过应用BIM技术进行机电深化，提前发现并解决管线交错密集，梁楼盖区域、项目机房和架空层存在的问题，实现多专业协同管理，解决设计与施工一体化信息衔接问题，大大提升沟通效率和设计图纸质量、缩短工期、降低成本。