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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，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，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
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，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 Trimble 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