论文摘要

 

长沙梅溪湖国际文化艺术中心由已故的英国建筑大师、建筑领域最高荣誉“普利兹克建筑奖”获得者扎哈·哈迪德担纲设计,整个建筑以流线型线条为主,从高空中俯瞰宛若3朵芙蓉花盛开在梅溪湖畔,与素有“芙蓉国”之称的湖南相得益彰。几朵盛开的花瓣落入如镜的水面,错落有致,唯美如画。该项目由北京城建集团有限责任公司(以下简称“北京城建”)担任总承包方,面对罕见的技术难题和巨大的工程体量,建设者们勇挑重担,用智慧和汗水浇灌出世界上最大的“芙蓉花”。

 

 

长沙梅溪湖国际文化艺术中心是中部地区第一个国家级新区——湘江新区的重点工程,工程北邻梅溪湖北路、南邻环湖路、东邻节庆路,于地铁 2 号线设文化艺术中心站。本工程造价28亿元,总建筑面积 12.6 万m2,分3个单体建筑,即 1800 座的大剧场、500 座的多功能小剧场和展厅面积超过 10000m2的当代艺术馆(见图1)。每个单体建筑由“花瓣”衍生而来,大剧场为4片花瓣,艺术馆为3片花瓣,小剧场为1片花瓣。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m2,主要为GRC板(7.1万m2),由流线型非解析曲面构成。

本工程于2014年3月25日开工,2015年1月10日完成土建结构封顶,2015年9月20日完成钢结构封顶,2017年8月26日完成幕墙封顶封围。2018年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(见图2)。

 

攻坚克难 运筹帷幄

 

本工程规模大、造型复杂、工期紧、任务重,科技含量及质量要求高,具体难点如下:①土建结构高大空间多、圆弧曲线多、低矮夹层多、台口大梁多,模板配置、凌空结构施工是工程难点;②外围钢结构造型奇特,内部异形空间多,构件截面厚、体量大,弯扭构件的精确加工及准确焊接安装控制难度大;③外幕墙曲线线条灵动、构造层次复杂,双曲GRC板精准加工及装配式准确定位、安装,国内无成功案例可参考;④机电系统繁多,管线错综复杂,由于结构降板错落,机电管线高低起伏,系统间有效协调至关重要;⑤室内为营造“渐变、环绕、递升”的艺术效果,精装修区域墙顶不分,面层为弧形曲线,由双曲GRC板组成,安装精度高,传统施工工艺无法实现(见图3)。

建立BIM团队。开工伊始,为保障设计理念落地,针对工程特点,项目部以BIM技术、云计算和物联网等为载体,组建了以项目总工为BIM总监的团队,下设BIM协调管理部,管理各专业分包BIM团队,以科技创新助推工程建设。

选用软硬件配置。针对不同专业,选用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)。选用Navisworks进行模型整合和碰撞检测。云平台选用Trimble Connect和Trello。针对GRC专项施工管理,与高校合作自主研发了基于微信平台的GRC管理系统,配备大型塔式工作站、移动工作站、移动终端以及百兆商用光纤等硬件设施,保障项目BIM应用稳定、流畅。

制定BIM标准。为规范各专业分包BIM应用实施,在编制《总包BIM执行计划书》中划分工作界面,规定各专业分包BIM团队配置、各专业BIM软件类型和版本、各专业BIM建模标准、各专业建模深度及深化设计、加工、施工BIM应用标准。同时,将执行计划书中的规定落实到与专业分包签订的合同中,以合同约束专业分包。

 

设计加工 天衣无缝

 

全专业BIM建模。由于工程造型复杂,传统二维设计无法满足要求。总包组织含专业分包在内的100余名技术人员进行建模,含土建、钢结构、机电、幕墙、精装修和室外景观等专业,其中幕墙建模精度达0.0001mm(见图4)。

碰撞检测。各专业协调配合复杂,二维图纸上无法反映出碰撞问题。使用Navisworks整合模型,进行相关专业碰撞检测,及时发现建模错误或设计缺陷,提前修改或协调设计做出变更,避免现场拆改。首次碰撞检测出碰撞点2.48万个,经数10次PDCA循环修改,碰撞问题基本解决。

机电管线综合排布。机电管线错综复杂,电气、通风空调、给排水、智能化各专业子系统多达20余个。加上结构降板错落,给机电管线排布带来巨大挑战。在机电BIM模型中链接土建模型,完成机电管线综合排布,消除机电专业间碰撞,导出二次结构预留孔洞,减少后期开洞。

深化设计。各专业深化设计在BIM模型中进行。通过优化设备基础排布和走廊上管道分布,节约管材25%,风管面积减少5%,增加机房走廊的检修空间。通过将精装吊顶GRC无规则的自由曲面优化为规则的双曲面及平板,减少开模数量,缩短工期,降低成本。

云平台协同。使用Trimble Connect云平台进行图纸、模型、文档管理,实时上传下载文件或模型(现已累计上传模型395GB),操作记录在页面中动态更新,实现模型在线浏览(见图5)。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(见图6)。

钢结构数字化加工。钢结构材质强度高、截面厚,弯扭钢构件加工难度大。加工质量的好坏,直接影响主体建筑造型。使用计算机对钢结构壁板进行精确放样,生成扭曲箱形实体模型,从而得到壁板的任意空间坐标。程序自动进行壁板展开,根据展开的线型数据,将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。

双曲面GRC加工。GRC传统加工时间长、精度低,且只能进行单曲面板块加工。本工程采用CNC三轴雕刻机,将BIM模型转化成CNC可用文件,导入专用数控系统,实现模具毫米级加工精度(见图7)。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,在单体模块组装后,形成双曲表面,使模具效果贴合原曲面设计,保证异形曲面的表面流畅度及接缝准确性。然后经注浆、脱模、安装背负钢架,对GRC面板进行水磨处理,完成GRC加工(见图8)。

 

智慧建造 精准高效

 

3D打印技术。利用3D打印技术,将BIM模型运用打印材料逐层堆叠打印出来,实现BIM模型实体化。将模型放置于会议室,使工程形象直观、具体。利用3D打印模型辅助沟通,便于做出决策。

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模型进行数值模拟分析,发现变形及应力最大点在顶环梁的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。减少胎架用量,提高杆件定位精度,确保结构安全和整体线型,缩短工期,降低成本(见图9,10)。

结构三维扫描。钢结构施工卸载完成后,经过沉降或应力变形,与原有设计模型差距较大,对下一步幕墙施工造成影响。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,对GRC板块、檩托、二次钢结构模型进行调整深化,消除初始误差(见图11,12)。

三维可视化交底。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,三维可视化指导工人施工,生动直观,容易理解。

装配式GRC安装。GRC幕墙设计要求为可拆卸,常规做法无法满足,且11353块双曲面GRC板块无一相同,每块GRC板位置唯一,且安装精度要求在2mm内。从BIM深化到数字化加工,保障GRC板块采用全螺栓连接装配式安装(见图13,14)。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”(见图15,16)。GRC各层次共计45.4万个螺栓(含GRC板面、转接件、牛腿),使用全站仪15台,GRC板块可拆卸率达100%。

GRC管理系统研发。GRC板块施工管理复杂、验收难度,且运输或安装过程中如有磕碰、损坏,责任追溯难。项目部与高校合作研发基于微信平台的GRC管理系统,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,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(见图17)。验收过程中,可在手机上查看单个板块的三维模型和设计、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模型呈灰色,当前GRC板块呈黄色,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(见图18)。

机器人自动放样。由于精装修曲面流动性强、灯带扭曲、空间结构复杂、异形体量大,导致放样点多。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,实际误差控制在±3mm以内(见图19,20)。

GRC运维信息查询。GRC板块运营期间如有损坏,需进行板块编号及生产信息确认,以投入生产加工。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,并将损坏的GRC板第一时间重新生产加工。

GRC可拆卸方案设计。由于建筑造型复杂,GRC板块拆卸难度极大。为使GRC拆卸方案切实可行,组织编制拆卸方案并进行专家论证。对方案进行三维模拟,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(见图21~24)。

 

勤耕不辍 喜结硕果

 

本工程以BIM技术为核心,解决了多方远距离沟通和深化设计过程中数据传递、Q390GJC厚钢板箱形弯扭构件加工成型、倾斜式蜂窝状单层网壳和拱墙立面深化设计及施工、GRC幕墙异形板块精准制备施工及管理、复杂造型双曲面GRC误差控制及精准施工等问题,形成了大型复杂建筑深化设计、加工制作、施工与运维成套技术,实现了工程精准、高效建造。成果已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”。目前,本工程已取得了授权国家发明专利8项、国家实用新型专利15项、软件著作权1项、省部级工法6项,获得了“龙图杯”全国BIM大赛一等奖、中国建设工程BIM大赛一等奖、“科创杯”全国BIM大赛一等奖、BSHK国际BIM大赛最佳BIM展览中心项目奖、中施企协科技创新成果一等奖等多个奖项。

近年来,北京城建承揽了北京新机场、北京城市行政副中心、中国国学中心、国家体育场(鸟巢)、国家大剧院等国家重点工程,112次荣获中国建筑业“鲁班奖”、国家优质工程奖和詹天佑大奖。集团位列2017年度“中国企业500强”第249名、2017年度“ENR250全球及国际工程大承包商”第180名,荣获“中国最具影响力企业”“北京最具影响力十大企业”“全国优秀施工企业” 等荣誉称号。

“凤凰”腾飞于北京之南,“芙蓉花”绽放在梅溪湖畔,一北一南,两项扎哈遗作挑战建筑极限,填补技术空白。北京城建始终坚持“战略引领、总部引领、文化引领”,不忘初心、牢记使命、砥砺前行,在“协同发展”和“共同发展”中把握市场、紧抓机遇,以全产业链高效协同、战略合作共荣发展的全新发展格局,全面提升城市建设综合服务实力,在新时代展现出新气象、实现了新作为。

 

 

文/北京城建集团有限责任公司 刘京城 赵换江 苏李渊 张 羽

 

 

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