BIM案例：体育中心施工安全中的BIM应用

项目背景

该中心体育场集体育竞赛、大型集会、国际展览、文艺演出、演唱会、音乐会、演艺中心等功能于一 体，占地面积 591.6 亩，总建筑面积 20万平方米，可容纳 3.5 万人观看比赛。

体育场结构形式为超大规模 复杂索承网格结构，最大标高约为45.2m，平面外形接近类椭圆形，结构尺寸约为 263mx243m，中间有类 椭圆形大开口，开口尺寸约为 200mx129m。其具有受力复杂、施工技术含量高及项目施工管理困难等特点。效果图，整体结构 BIM 模型及结构剖面图如图所示。

BIM 应用内容 

1.BIM 技术应用的必要性 

该工程空间形体关系复杂、跨度大、悬挑长、体系受力复杂、预应力张拉难度大，在施工中存在许多难点和问题，如：由于施工过程是不可逆的，如何合理的安排施工和进度；安装工程多，如何控制安装质量；如何控制施工过程中结构应力状态和变形状态始终处于安全范围内等。 这些都是传统的施工控制技术所难以解决的问题。

为了满足预应力空间结构的施工需求， 把 BIM 技术、仿真分析技术和监测技术结合起来，实现学科交叉，建立一套完整的全过程施工控制及监测技术，并运用到该工程施工项目管理中，可以保证结构施工的质量、进度及安全。

 2.基于 BIM 技术的施工场地布置 

该中心体育场施工难度大，施工前对现场机械等施工资源进行合理的布置尤为重要。 利用 BIM 模型的可视性进行三维立体施工规划，可以更轻松、准确的进行施工布置策划，解决二维施工场地布置中难以避免的问题 。 

3.基于 BIM 技术的施工深化设计

 该体育中心钢结构存在的预应力复杂节点多，加之设计院提供的施工图细度不够且与现场施工有诸多冲突，这就需要对其进行细化、优化和完善。

体育中心采用基于 BIM 技术的施工深化设计手段，根据深化设计需要创建了一套包含大量信息 ，如构件尺寸、应力、材质、施工时间及顺序、价格、企业信息等各种参数的族文件，其中有耳板族、索夹族、索头族、索体族及体育中心特有的复杂节点族，根据创建的族文件可以自动形成各专业的详细施工图纸，同时对各专业设计图纸进行集成、协调、修订与校核，满足了对现场施工及管理的需要。建立的部分族如图所示

预应力是通过索夹节点传递到结构体系中去的，所以索夹节点设计的好坏直接决定了预应力施加的成败。该体育中心体育场的的钢拉拉索力较大，需对其进行二次验算以确保结构的安全。

将已建立好的环索索夹模型导入 Ansys 有限元软件中对其进行弹塑性分析，可以在保证力学分析模型与实际模型相一致的同时节省二次建模的时间。Ansys 分析结果见图所示。

4.BIM 在施工安全控制中的应用 

近年来建筑安全事故不断发生，人们防灾减灾意识也有很大提高，所以结构监测研究已成为国内外的前沿课题之一。

该体育中心在未施加预应力之前为瞬变体系，由于预应力的施加才成为结构体系。 预应力钢结构施工的风险率很高，为了及时了解结构的受力和运行状态，该项目针对项目自身特点开发一个三维可视化动态监测系统，对施工过程进行实时监测，保证施工过程中结构应力状态和变形状态始终处于安全范围内。 

所开发的三维可视化动态监测技术较传统的监测手段具有可视化的特点 ，可以人为操作在三维虚拟环境下漫游来直观、形象提前发现现场的各类潜在危险源，提供更便捷的方式查看监测位置的应力应变状态， 在某一监测点应力或应变超过拟定的范围时，系统将自动采取报警给予提醒。 

该项目的变形监测点选择 20 榀径向梁的梁端和跨中位置处，共有 40 个监测点；应力监测点分布在环梁和径向梁上，共 24 个监测点，每个测点在梁的上下翼缘处各布置一个正弦应变计。其中变形起拱具体监测点布置见图所示

体育中心数据采集系统见图所示。

体育中心三维可视化动态监测系统界面见图所示。

某时刻某环索的应力监测见图所示

5.基于 BIM 技术的施工动态模拟

该体育中心工程规模大、复杂程度高、预应力施工难度大，为了寻找最优的施工方案、为施工项目管理提供便利， 采用了基于 BIM 技术的 4D 施工动态模拟 ，测试和比较不同的施工方案并对施工方案进行优化， 可以直观、精确地反映整个建筑的施工过程，有效缩短工期、降低成本、提高质量。 

实现施工模拟的过程就是将 Project 施工计划书、Revit 三维模型与 Navisworks 施工动态模拟软件加以时间（时间节点）、空间（运动轨迹）及构件属性信息（材料费、人工费等）相结合的过程，其相互关系见图所示，体育中心最终四维动态施工模拟动画截图见图 所示。

6.BIM 在安装质量管控中的应用  

对预应力钢结构而言，预应力关键节点的安装质量对安全来说至关重要。安装质量不合格，轻者将造 成预应力损失、影响结构受力形式，重者将导致整个结构的破坏。 

BIM 技术在该项目中心工程安装质量控制中的应用主要体现在以下两点：

一是对关键部位的构件，如索夹、调节端索头等的加工质量进行控制；二是对安装部位的焊缝是否符合要求、螺丝是否拧紧、安装位 置是否正确等施工质量进行控制。 

将关键部位的族文件与工厂加工构件进行对比，检查加工构件的外形、尺寸等是否符合加工要求。固定端索头的 BIM 模型与实际构件对比见图所示。

该项目预应力关键节点安装复杂，采用 BIM 模型或关键部位安装动画来指导安装工作，可以对安装质 量进行很好的管控。环索及径索索夹节点处安装模型与现场实际安装对比见图所示。

环索对接处安装模型与现场实际安装对比见图

7.BIM 在施工进度控制中的应用 

以往工程中协同效率低下是造成工程项目管理效率难以提升的最大问题，某研究表明，工程项目进度超过 20%在协同当中损失。 该体育中心采用基于 3D 的 BIM 沟通语言、协同平台，采用施工进度模拟、现场结合 BIM 和移动智能终端拍照相结合的方法来提升问题沟通效率，进而最大程度上确保施工进度目标的实现。 

在对施工进度进行模拟的过程中，一来可以直观的检查实际进度是否按计划要求进行；二来如果出现因某些原因导致工期偏差，可以分析原因并采取补救措施或调整、修改原计划，保证工程总进度目标的实 现。某时刻的屋盖施工进度见图所示。 

采用无线移动终端、WEB（World Wide Web 全球广域网）及 RFID（Radio Frequency Identification 无线射频识别）等技术，全过程与 BIM 模型集成，可以做到对现场的施工进度进行每日管理，避免任何一个 环节出现问题给施工进度带来影响。