2014年山东文化艺术中心大剧院双曲面壳体龙骨定位方法是先饰面排布再反推出龙骨的空间位置^[1];2016年叶子青在某剧院项目中从室外视线、室内不同位置观众的视线、净高、碰撞和深化设计等几方面进行分析, 对BIM技术在剧院中的应用进行研究^[2];青岛东方影都大剧院项目对异形钢结构扫描及定位做了一定研究^[3];南京青奥城会议中心对双曲面GRG, GRC设计施工的流程和方法做了简述^[4]。这些文献对复杂异形高大空间的BIM应用有一定参考价值, 但对装饰项目的BIM全过程指导深化设计及三维扫描、3D打印、智能全站仪的放样定位等技术与施工管理的结合还有欠缺。

通过江苏大剧院音乐厅项目实践, 应用BIM技术将BIM模型与3D打印技术相结合, 打印实体构件模型, 从而更直观、快速地表达设计方案与复杂造型, 丰富和优化表达方式。将模型中提取的三维点坐标直接指导构件放样定位。此外, 项目的综合BIM应用取得了良好效果。

江苏大剧院项目位于南京奥体中心西侧, 南临奥体大街, 北靠梦都大街, 是一个集演艺、会议、展示、娱乐等功能为一体的大型文化综合体, 如图1所示。本项目为其中1座可容纳1 500人的音乐厅内装饰工程, 主要由3个区域组成:观众厅、前厅、辅助用房, 装饰面积为57 000m², 合同额5 173.25万元, 合同工期为2015年10月1日到2016年4月28日, 共7个月。

观众厅、前厅属于高大空间, 且含有大量的曲面造型GRG、石材等。本项目重、难点如下:图纸深化工程量大, 脚手架搭设难度大, 钢结构转换层施工要求高, 现场相关单位协调体量大, 墙面、顶面造型GRG、弧形墙面石材的加工与安装难度大, 工期控制要求高, 消防箱暗门开启角度要求高。

1) 积极组织公司内部4名较优秀的BIM工程师参加外部专业咨询公司培训, 并考取欧特克ATC认证教员资格证书。

2) 项目开展前期, 利用周末时间, 组织公司内部BIM工程师针对设计院设计师开展为期3个月的培训, 主要目的为培养深化设计及BIM建模的复合型人才。

3) 在完成施工任务之余, 项目组织安排BIM工程师对项目内所有员工进行Revit软件培训, 掌握BIM技术相关的基础理论知识及建模实操能力, 增强项目人员的BIM应用能力, 也对公司BIM人员的培养打下基础。

1) 解决项目在复杂节点的深化设计、异形材料下料问题、异形材料在施工安装时的空间定位等技术难题。

2) 通过参数化设计快速提取材料的规格参数进行材料下单及统计, 提升项目管理效率, 降低材料损耗。

3) 进行4D进度模拟, 优化项目的施工组织安排, 缩短工期。

4) 总结BIM与项目管理结合的推广模式。

5) 培养相对成熟的BIM技术小组。

6) 通过BIM技术的应用, 更好地服务业主单位, 展现公司技术能力、管理水平和创新意识。

针对本项目BIM技术特点及应用要求, 组建项目BIM团队, 其中深化设计师7人, 项目工长2人, 围绕“4个中心”有序开展本项目的BIM工作。组织架构如图2所示。

根据空间复杂程度及工作量大小, 编制建模工作进度计划。3人负责观众厅、前厅的建模工作, 3人负责1～6层辅助用房的建模工作, 4人负责项目实施的现场管理应用。

本项目BIM应用包括识图阶段的熟悉图纸和图纸会审到建模准备阶段的三维扫描、建模阶段的模型搭建、施工阶段的应用及竣工阶段的整合提交等各阶段不同应用点^[5]。实施流程如图3所示。

为推广应用BIM技术, 公司与项目签订《项目BIM应用专项责任书》。

BIM系统的顺利运行, 需要各方协同参与。由于参与人员多且复杂, 需建立健全应用保障制度保证体系的正常运行:建立技术顾问团队指导实施, 建立BIM运行检查机制和例会制度。

BIM模型是应用BIM的基础, 本项目主要采用Revit2015软件创建全部装饰专业LOD400的细度模型, 采用Rhino软件创建双曲面异形模型, 再导入Revit2015创建.rvt格式文件, 如图4所示。

项目主要采用Navisworks2015软件进行模型集成和浏览, 将模型和时间参数导入Navisworks2015, 重点在碰撞检查和进度模拟方面进行应用。

模型的浏览方面, 采用3Dmax2015优化Revit2015软件建立的模型, 然后导入UE4游戏引擎, 通过编程和真实材质制作, 实现虚拟现实场景浏览, 还可借助VR眼镜等硬件设备实现沉浸式漫游。

该项目工艺造型复杂, 尤其在异形及复杂节点方面, 传统的二维图纸表达信息量有限, 很难满足施工需求。如前厅GRG复杂曲面铅笔筒造型部位, 墙面与天花保持上大下小渐变的对缝, 每条GRG单元角度保证均匀, 经校核发现原GRG造型倾斜角为3°, 与4楼结构冲突, 后与设计沟通改为4°。

又如弧形楼梯方案参数化设计, 前厅弧形楼梯原扶栏石材方案模型效果不理想, 经多次研究后, 会同原方案设计师调整深化设计方案, 将原方案中不锈钢扶手从短粗单环变成双环, 将楼梯栏杆石材从竖直调整为折线型。

传统的施工方案模拟, 多为在现场进行工序样板施工, 在确定质量标准的同时, 对施工方案的可行性和合理性进行验证, 为大面积施工开展奠定基础。

项目通过BIM进行抱箍方案模拟, 发现原钢结构抱箍方案在三维空间抱箍点定位困难, 最终项目将抱箍点位可移动的调整范围控制在300mm, 解决定位难题。

项目通过模拟观众厅GRG天花及钢架转换层方案, 验证了方案可行性, 并对工人进行可视化交底, 工人对难点理解清晰明确, 加快了施工进度。

传统测量放线多采用激光投线仪加卷尺的模式开展, 精度误差较大, 特别是异形材料下单的精度要求更高, 而且测量结果只能体现在二维图纸的标注中, 不能直接指导异形材料下单^[6]。

项目在进场后利用三维激光扫描仪快速扫描土建结构。将扫描的点云FLS数据导入Realworks软件, 进行数据配准和拼接处理, 生成整个扫描区域、按照实际空间关系连接在一起的点云文件。

三维扫描共270站数据, 共花费5d, 比常规测量手段效率提高10倍以上。基于BIM技术的测量放线流程如图5所示。

BIM模型中找到之前的土建主轴线和基准点, 获取模型中的三维坐标, 将之前记录的标靶纸相对坐标换算为模型中的相对坐标, 在点云文件中找到最初标靶纸上的中心点, 分别输入模型中的相对坐标, 移动到对应位置;利用Realworks软件进行三维模型与实体检测, 将BIM模型直接导入Realworks软件中并三维比对点云模型, 生成检测报告, 调整土建模型, 准确还原现场实际尺寸。三维扫描点云数据还可广泛用作现场数据测量和施工协调等方面, 如现场数据测量和现场信息标注共享。

装饰装修工程中传统的二维设计不可避免出现较多设计疏忽, 大量碰撞冲突会造成返工。另外通过二维图纸进行多专业沟通协调效率低下, 分享信息困难, 导致管理水平落后。通过BIM技术进行模型整合后, 可提前发现图纸中错、漏、碰、缺等问题, 问题分析后可优化图纸深化设计和施工方案, 不仅提高施工质量, 确保施工工期, 还节约成本。

基于三维模型, 直观高效地检测出碰撞位置。在装饰模型的基础上, 附加土建、机电各专业模型, 形成综合模型, 进行碰撞检查, 发现装饰装修面层及构件与其他专业碰撞点, 通过调整装饰装修节点设计、修改装饰面标高尺寸等, 配合相关专业的二次优化, 可达到功能和装饰造型双优的施工效果。

如观众厅GRG天花与钢架转换层冲突, 钢结构转换层模型搭建时, 检测到大量梁与GRG天花发生碰撞, 天花为满足外观及声学要求已完全定型, 很难重新调整, 通过BIM模型重新进行钢结构布置, 优化高度, 避免碰撞。

智能全站仪相当于在全站仪的基础上增加了与BIM模型联动的功能, 在异形GRG定位及异形石材安装阶段采用智能全站仪结合模型进行定位, 在速度与精度方面与传统方法相比均有较大优势, 完整实现了基于BIM模型进行测量放样过程的电子化和一体化。操作流程如下:内业准备→架设仪器→整平、对中→连接外业平板计算机→设置站点→开始放样。依据图纸或BIM模型增强放样的可参照性, 同时, 可直接触摸操作, 临时手动选取放样点坐标, 增强现场放样的灵活性^[7]。

该项目在现场尺寸数据复核好的模型中直接排版, 导出明细表, 经过简单调整后提交厂家进行生产加工, 尤其在异形材料下单中, BIM技术应用可提高预制构件加工精度, 有利于降低施工成本, 提高工作效率, 保证工程质量和施工安全。

1) 吊顶GRG饰面构件下单三维扫描后, 在调整完还原现场实际尺寸的土建模型基础上, 建立三维模型并分块排版, 将各部分编号、尺寸及安装部位等相关模型数据交付厂家加工生产, 同时可指导现场放线工作。

2) 异形石材材料下单根据调整好的土建模型和装饰深化图纸进行装饰建模, 在模型中排版分割, 将各部分编号、尺寸及安装部位等信息交给厂家生产。

通过EBIM云平台实现专项模型轻量化、移动化、多端协同、二维码应用, 以二维码为纽带, 将深化设计、加工制作、构件运输、现场安装各个环节的动态信息储存于云端, 实现BIM构件及材料的实时跟踪管理, 便于项目部及管理公司随时监控材料运输及仓储状况。

在本示范工程实施过程中, 除了开展较常规的应用点示范工作外, 还开展2项创新工作, 包括结合3D打印的方案模拟和结合虚拟现实的方案展示。

结合3D打印技术, 将复杂造型或重要节点的BIM模型通过转化进行打印, 形成实体模型, 有效指导现场施工。如通过方案模拟, 确定消火栓箱石材暗门通过2次转动达到180°开启要求, 结合3D打印, 直观展示方案。基本实施流程如下:三维建模→模型拆分调整→打印参数设置→构件打印→构件处理→方案模拟^[8]。

1) 三维建模现场测量尺寸后, 利用Revit建模, 在计算机中模拟方案的可行性。整个转动过程分成2个阶段, 2个阶段间通过强力磁铁进行限位, 确保2次转动先后有序进行, 避免发生碰撞。

2) 模型拆分调整计算机对方案可行性模拟完毕后, 将构件模型打印成实体, 即对构件模型进行调整、拆分, 以满足打印要求。再根据确定的打印构件模型, 确认打印的缩放比例与拆分方案。

3) 打印参数设置通过Cura软件完成打印参数的设置, 主要包括层高、壁厚、填充密度、速度等。

4) 构件打印将导入.Gcode格式文件的SD卡插入卡槽, 即可开始打印。

5) 构件处理打印完成后, 按照设计方案插接或黏接组合各单元。

6) 方案模拟组合完毕后, 对方案进行模拟, 验证方案的可行性。

利用虚拟现实技术完成漫游展示, 业主可任意变换自己在房间中的位置, 观察设计效果, 完全按照自己的构思构建装饰“虚拟”空间, 直到满意为止。

本工程工期紧、深化设计任务重、协调配合工作量大、质量标准高, 特别是观众厅、前厅等区域工艺造型复杂, 空间曲面定位施工难度大、放线精度要求高、不同材质间的交界面处理难。按传统的施工管理方法, 难以满足各项要求。

针对上述情况, 该项目BIM应用特色主要在于围绕复杂曲面造型, 从效果展示现场施工的完整应用, 以及结合三维扫描、3D打印、虚拟现实等技术进行创新应用。避免了大量设计错误、现场施工误差, 解决了施工技术难题, 确保质量、避免返工。规避了观众厅钢结构转换层与GRG天花碰撞等6大问题, 节省成本约200万元, 经济效益明显。

1) 三维扫描初步掌握三维扫描从数据获取到数据处理到成果应用的全过程技术, 并总结出《三维扫描实施指南》, 方便公司内部了解和实施该项技术工作。

2) 建模技术对常见装饰做法及构造模型建立, 有了更深刻的认识和更开阔的建模思路, 具备独立建模能力。

3) 管理应用在辅助深化设计及施工管理方面取得一定成果, 有助于减少返工、节约成本、提升工程质量和控制工期。

4) 技术推广项目成员对BIM技术和企业BIM团队有更多的了解和认可, 有助于推广工作。

5) 企业形象发现很多隐含的设计问题并及时与设计师、业主沟通, 提早解决后期可能出现的问题, 获得设计师及业主的一致好评, 提升企业形象, 并有助于后期各项工作的开展。

1) 建模技术 (1) 本项目异形曲面多、造型复杂。单独使用Revit软件建模效率较低, 为提高建模速度, 需进一步学习使用其他专业用于异形建模的软件, 如Dynamo, CATIA等。 (2) 不规则排版的地面石材, 若通过Revit零件分割功能进行建模, 渲染时无法显示拼缝。只能手动添加拼缝, 以达到更好的展示效果, 则建模时增加许多工作量。针对该问题, 暂时还没有更好的解决办法, 需进一步探索和研究。

2) 人员体系BIM团队较年轻, 承接大型项目BIM应用的经验尚不丰富。需逐步建立“传帮教”的人才培养体系, 健全人才晋升机制, 提高团队成员工作积极性, 逐步提高BIM团队综合实力。

3) 配套设备三维扫描仪及智能全站仪虽在异形施工方面有不可比拟的优势, 但价格高昂。

4) 制度标准目前BIM项目应用经验不足。为提高各项目BIM应用的标准化水平, 需不断总结, 逐步建立企业级及项目级管理制度和实施标准。

5) 管理应用本项目工期紧张, 且现场和设计问题较多, 影响了建模进度, 相比施工管理要求有一定滞后。应定期评估建模工作需求, 合理配置BIM工作人员。

重点工作方向为BIM技术在项目管理层面的深度应用。将BIM软件应用融入到管理流程中, 实现从技术应用和探索应用到生产应用和管理应用的逐步转变。在可承受的范围内投入人力、物力, 结合装饰工程管理特点, 利用少量简单的二次开发和编程, 简化工作中重复性较大、工作量较多的建模工作。