长沙梅溪湖国际文化艺术中心工程BIM技术综合应用

科学技术部主管、中国建筑信息模型科技创新联盟承办的《中国高新科技.BIM专刊》在第四届科创杯BIM大赛颁奖现场首发500册，住建部前总工程师姚兵作贺词、16位院士为学术顾问、16位联盟专家为编委。发行后面向国内外公开发行，系中国知网、万方数据库、维普资讯网等国内主要数据库的全文收录期刊。

1、工程概况

1.1　项目简介

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。工程造价28亿元，总建筑面积12.6万㎡，通过5.2万㎡地下室连为一体，地上分为3个单体建筑，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。工程结构形式为框架剪力墙结构、外围弯扭钢结构，设计用钢量2.2万t；幕墙共10万㎡，其中主要为GRC（7.1万㎡），建筑造型犹如绽放的“芙蓉花”。建成后将成为湖南省规模最大、全国领先、国际一流的高雅文化艺术殿堂。

1.2　项目重难点分析

本工程为大型复杂剧院类公建，工程受到湖南省各级领导和社会各界人士密切关注，优质高效完成建设任务是项目重点。项目主要难点为各专业深化设计难度大、钢结构安装施工难度大、GRC幕墙精度控制要求高、施工组织管理难度大。 

2、BIM组织与应用环境

2.1　BIM应用目标

开工伊始，项目部即针对工程特点、难点策划了以BIM技术、云计算和物联网等信息化技术为载体的BIM技术综合应用。通过实现各阶段BIM应用的可视化、协同化、参数化、集成化解决项目难点，以达到总承包管理下控制成本、全程优化、精确建造的目的。

2.2　BIM实施方案

为规范专业分包BIM应用实施，总包在编制的《总包BIM执行计划书》中划分工作界面、规定各专业BIM软件类型和版本、各专业BIM建模标准、各专业建模深度以及深化设计、加工、施工过程中BIM应用标准。并同时将执行计划书中的规定最终落实到与专业分包签订的合同中，以合同约束专业分包。

2.3　BIM团队组织

为实现上述目标，落实实施方案，项目部组建了以教授级高工为BIM总监的团队，下设总包BIM协调管理部，管理各专业分包BIM团队。

2.4　BIM软硬件环境

项目BIM实施过程中使用了Revit、Tekla、Rhino、Digital Project、Navisworks、Trimble Connect、Trello和GRC管理系统等多种BIM软件或平台，并配备大型塔式工作站、移动工作站、移动终端等硬件设备。

3、BIM技术应用

3.1　BIM模型构建

总包组织含专业分包100余名技术人员进行建模，针对不同专业选用了最佳的BIM建模软件，如Revit（土建、机电），Tekla（钢结构），Rhino（幕墙、精装修、室外景观），Digital Project（幕墙、精装修），其中幕墙建模精度达到0.0001mm。

3.2　BIM应用内容

本工程BIM应用于深化设计、构件加工、施工管理各阶段，并对项目运维有所规划。

3.2.1　深化设计阶段

（1）碰撞检测。各专业极其复杂，二维图纸无法反映碰撞问题。建模完成后使用Navisworks整合模型，并进行相关专业间碰撞检测，发现建模错误或设计缺陷，提前修改或协调设计做变更，避免现场拆改。

（2）深化设计优化。各专业深化设计直接在BIM模型中进行。如通过优化设备基础排布和走廊上管道分布，使管材减少了约25%，风管面积减少了约5%，大大增加了机房走廊的检修空间；通过将精装吊顶GRG无规则的自由曲面优化为规则的双曲面及平板，大大减少开模数量，缩短加工工期，降低生产成本。

（3）云平台协同。项目参与方遍及英国、香港、上海、广州、长沙、南京等地，模型传输和沟通不易。使用Trimble Connect云平台进行图纸、模型、文档管理，可实时上传下载文件或模型，操作记录在页面中动态更新，且能实现对模型的在线浏览。通过Trello云平台协同办公，将图纸会审产生的重要问题放置平台讨论，远程解决问题。

3.2.2　构件加工阶段

（1）弯扭钢结构数字化加工。钢构件加工质量好坏，将直接影响建筑造型。钢结构壁板展开采用计算机精确放样，生成扭曲箱形实体模型，从而得到壁板上任意空间坐标。让程序自动进行壁板展开，根据展开的线型数据，将壁板切割数据输入数控切割机进行壁板下料切割。经过箱体壁板定位、箱体壁板和箱体内加劲肋组装焊接、箱体盖板组装、全站仪检测核对，完成弯扭钢构件拼装焊接。

（2）双曲面GRC数字化加工。GRC传统手工加工时间长、精度低，且只能加工单曲面板块。本工程采用CNC三轴雕刻机，通过BIM模型转化成CNC可用文件，导入专用数控系统。实现模具板毫米级加工精度。利用虚拟模型与现场空间坐标转换输出参数指导车间模具板制作与现场画线、架设，保证了单体模块经组装后准确地形成双曲面表面，并使模具最终表面曲面效果完全贴合原双曲面设计，并保证了异形曲面的表面流畅度以及接缝准确性。模具后经注浆，脱模，安装背负钢架，最后对GRC面板进行水磨处理，完成GRC加工。

3.2.3　施工管理阶段

（1）模型数值模拟分析。大剧场前厅倾斜式承重蜂窝状单层网壳南北长93m，东西长43m，最大倾斜角度40°，施工难度极大。通过对BIM模型数值模拟分析，最终帮助确定了施工方案为：变形及应力最大的点在顶环梁的2个最大铸钢节点（83.6t）处，以这2个节点作为基准，将该结构划分为3个部分：两边构件采取上下叠加的方式安装，中间构件采用“自身结构体系支撑+设置临时支撑”的倾斜结构安装方法进行斜拉安装。通过模型数据模拟分析，在帮助减少胎架用量、提高杆件的定位精度、确保结构安全和整体线型、缩短工期、降低成本的同时，也帮助了项目部对施工方案的确定及优化。

（2）结构三维扫描。钢结构施工卸载完后，由于经过沉降或应力变形，与原有的设计模型差别很大，对下一步的幕墙施工造成很大影响。幕墙深化设计之初利用三维激光扫描仪对现场土建结构和钢结构进行三维扫描，生成点云并逆向建模，与设计模型对比后，GRC板块、檩托、二次钢结构模型根据对比数据进行调整深化，消除初始误差。

（3）三维可视化交底指导施工。各专业系统复杂，钢结构、幕墙复杂节点多，交底难度大。通过对关键节点及复杂节点的施工工序模拟安装动画，三维可视化指导工人施工作业，生动直观、容易理解。

（4）装配式GRC安装。GRC幕墙设计要求可拆卸，常规做法背负钢架焊接固定无法满足。且11353块无一相同双曲面GRC板块，每一块GRC板块的位置都是唯一的，且要求安装精度在2mm。从BIM深化到数字化加工，保障GRC板块可以精确采用全螺栓连接装配式安装。通过吊装就位→深入插入端→调节板缝间距→闭合端螺母临时拧固→复测三维坐标→调节滑动螺栓及转轴→拧固螺栓节点。确保GRC安装“高精度、零焊接、全栓接、可拆卸”。

（5）GRC管理系统研发。一万余块无一相同的GRC板块，施工管理、验收难度大，且运输或安装过程如有磕碰、损坏，责任追溯难。与高校合作研发基于微信平台的GRC管理系统，通过从BIM模型中导出GRC编号信息，并制作二维码粘贴于GRC板块上，独立的GRC板块由此与物联网连接。实现业主、监理、总包、施工单位四方涵盖出厂、进场、安装各阶段的无纸化验收。验收过程中可在手机微信上查看单个板块三维模型和GRC板块所有设计、加工、安装信息，实现信息化质量管理。进入管理系统后台，可以看到GRC施工状态统计饼状图。查看当前GRC板块验收状态信息，点击3D显示，整体GRC模型呈现灰色，当前GRC板块以黄色亮显，已安装GRC板块以红色动态亮显，实现当前板块定位和施工进度的三维动态监测。

（6）机器人自动放样。精装修造型奇特、曲面流动性强、灯带扭曲、空间结构复杂、异形体量大，放样点多。通过天宝手持设备选取BIM模型中所需放样点，指挥放样机器人发射红外激光自动照准现实点位，实现“所见点即所得”，将BIM模型精确反映到施工现场。施工放样共计13528个点位，实际误差控制±3mm。

3.2.4　规划运维阶段

（1）GRC运维信息查询。GRC板块运营期间如有损坏，维护人员可扫描板块上的二维码，并结合GRC管理系统后台确定损坏的GRC板块长度、宽度、对角线、定位点等所有特征值信息，将损坏的GRC板第一时间重新生产加工。

（2）GRC可拆卸方案设计。由于建筑造型复杂，若使用期间GRC板块损坏，拆卸难度极大。为使GRC拆卸方案切实可行，特组织编制拆卸方案并专家论证。对该方案进行三维模拟，并在工厂进行实体样板论证。保障拆卸过程的可行性和工人的安全性。

3.3　BIM应用效果

通过BIM技术综合应用，实现了设计阶段参数化、加工阶段数字化、施工阶段信息化，节约了大量工期、物料和人工费，实现了工程精准、高效建造。成果通过北京市住建委组织的科技成果鉴定，鉴定意见为“该研究成果总体达到国际先进水平，其中倾斜式蜂窝状钢结构及GRC幕墙建造技术达到国际领先水平”。

4、总结与展望

4.1　BIM应用的创新点

创新点为全生命周期BIM技术综合应用，针对项目特点、难点，以BIM技术为主，采用多种信息化手段全方位、多层次综合应用于深化设计、构件加工、施工管理各个阶段，并规划应用于未来的运维，为工程实现智慧建造打下了坚实基础。

4.2　BIM实施的经验教训

（1）由于项目主要参与方分散在全国各地，云文件管理平台和沟通平台可以保证信息传递时效性和可追溯性。

（2）总承包管理下开发的GRC管理系统，调动业主、监理、总包、专业分包、加工厂等各方人员参与，可以充分发挥BIM价值。

4.3　BIM应用的商业价值评估

本工程BIM综合应用，累计产生经济效益2400万元，具体见表1。