BIM技术在大型体育场馆建设中的综合应用——以兰州奥体中心建设为例

胡 义 陈 洁 柳俊俊 关永莹 顾 奎 洪 芸

(1.中国十七冶集团有限公司，马鞍山 243000；

2.中国航空规划设计研究总院有限公司，北京 100120)

“十四五”时期是我国在新阶段推进体育事业高质量发展的五年，也是全面落实《体育强国建设纲要》[1]的第一个五年。大型体育场馆的建设对于推进体育强国建设，全面提升体育发展质量具有重要意义。

体育场馆作为大型公共建筑，具有功能性、聚集性、社会性和科技性等特点，其建设过程也面临诸多复杂难题，因此应用BIM技术解决建设难题是有很必要的。

兰州奥体中心项目位于甘肃省兰州市七里河区，总建筑面积46.6万m2。项目建设内容包括：60 000座体育场、8 000座综合馆、3 000座游泳馆、3 000座网球馆以及运动员公寓及体育产业用房等。

作为兰州市建设西北体育赛事节点城市、体育产业荟萃中心、全民健身展示中心的一项标志性工程，建设意义重大。项目自2019年7月开工，计划2022年初竣工，建设周期短，工期紧张，是全国同规模奥体中心项目中建设周期最短的一个，针对项目建设特点，展开BIM技术在项目设计与施工阶段的综合应用研究,效果图如图1所示。

图1 兰州奥体中心项目建成效果图

2.1 应用目标

在本项目中设计、施工两方基于BIM设计模型做深度的应用互动，做到一模多用，提高模型的实施效率。借助BIM技术的优势助力项目管理模式逐渐迈向信息化，致力于打造一个智慧、科技、绿色的大型体育场馆集群。

2.2 BIM协同模式

为满足项目建设高效、经济、合理，对项目实施重难点制定解决方案，统一采用BIM技术协同[2]管理体系，为项目实施提速增效。

制定具有项目特色的BIM技术应用标准，形成统一的BIM建模规范、构件标准及交付标准，确保BIM技术实施落地，保证模型规范化、标准化，通过系统梳理分类，确定BIM技术落地应用点30余项。

利用协同平台，将项目按单体、专业、楼层等维度进行拆分，进行精细化模型管理，多方式开展多专业、多地点间的集成化协同作业，设置专有账号，及时上传模型并反馈问题，确保模型数据交互畅通，实现数据共享，协同作业，如图2～3所示。

图2 设计与施工阶段BIM协同交互平台

图3 BIM应用软件协同体系

3.1 可视化分析

(1)参数化表皮形体分析

通过建立BIM模型，对外幕墙造型参数化有理化分析[3]，将空间双曲造型在一定的公差范围内优化为平板或单曲板块，来降低双曲面板的含量，进而节省外幕墙的造价，同时参数化可定位空间结构，优化幕墙系统，如图4所示。

图4 幕墙造型参数化设计

(2)编程优化建模

针对场馆建筑，基于BIM技术进行自主编程辅助设计，利用正则表达式自动提取算法——提取CAD做法表的有效数据，在Revit中生成对应类型，通过程序拾取房间，根据房间名称，生成对应的地板，装饰墙面等，有效降低工作强度，提升建模工作效率。

(3)异形空间管线建模

针对场馆弧形空间结构，机电线路复杂且系统繁多，经过探索研究建模策略，可利用Rhino Python编程将基准弧线拟合为直线，并对非标角度的三通或四通进行自动化调整，将调整后的线导入Revit，作为所有机电专业的协同建模基准，确保异形空间的管线合理排布有序。

3.2 性能分析

(1)屋面系统雨水收集设计分析

Kangaroo 动力学模拟插件是Grasshopper平台下的一套基于质子系统的物理模拟插件，可以通过人为设定的受力和边界条件获取结构达到稳态时的造型。利用雨的动力学原理，在Kangaroo中设置曲面属性和点的重力属性，进行物理雨水模拟，确定雨水沟位置、雨水斗分布，提高设计准确度,如图5所示。

图5 综合馆Rhino屋面模型

(2)振型分析及抗震分析

在本项目中根据建筑造型特点灵活应用桁架、网壳、弦支穹顶、预应力、可开合屋盖等结构体系，因此进行振型分析及抗震分析是非常有必要的。

利用BIM软件建立建筑模型和结构模型，通过模型数据提供结构振型及抗震性能分析，提高设计质量。在本项目的设计中，体育场、综合馆和运动员公寓三个单体一次性通过结构超限评审。

(3)消防设计分析

体育场馆属于空间复杂的人员密集场所，需进行消防特殊设计[4]，将BIM模型导入FDS软件(火灾动态模拟器)，对项目进行火灾危险排烟分析、火灾危险CO浓度分析，模拟场景并完成计算，还可以将BIM模型导入Pathfinder软件，进行疏散模拟逃生分析，进而优化设计方案。不仅验证了BIM技术在建筑消防系统中的实际可操作性和应用价值，也为建筑消防系统的改进提供了数据参考和技术支持[4]，如图6所示。

图6 体育场疏散模拟分析

3.3 量化统计分析

(1)场地平整及土方算量

通过Civil3D强大的曲面分析功能，把场平前原始地形与设计场平后地形之间的关系转换为场平曲面与地形曲面的关系，提前对场地进行分析和参数调整，生成土方整平方格网估算土方量，保证设计阶段概算精确性和完整性，可为实现土方平衡综合调配方案提供分析数据支持。

(2)幕墙清单统计

通过三维模型关联数据库，准确、快速计算并提取工程量，提高工程算量的精度和效率。BIM遵循面向对象的参数化建模方法，利用模型的参数化特点，对构件的工程信息进行筛选，利用软件自带表单统计功能(Schedule)完成相关构件的工程量统计，实现即时算量。

4.1 施工场地布置

针对大型体育场馆建筑集群，建筑单体相互串联，建筑结构复杂，交叉专业多，施工场地空间有限[5]，本项目遵循“永临结合”的原则规划施工平面图，进行场地部署，建立施工阶段BIM场布三维模型，通过施工模拟验证场布合理性。

结合各场馆施工段划分，通过BIM模型模拟塔吊运行，进行方案比选，优化塔吊布置，考充分虑经济与工效确定塔吊最终选型和布置位置，减少二次搬运，提升场地利用率。如图7～8所示。

图7 施工场地平面布置图

图8 塔吊布置方案比选

4.2 施工阶段深化设计

(1)钢结构深化设计

本项目各场馆空间架体结构均采用钢结构形式，变化多样，其中主体育场采用新型交叉扭转与悬挑组合桁架体系，综合馆采用小矢跨比单层网壳弦支穹顶结构体系，网球馆为可开合屋盖结构体，外部造型与内部结构完美融合，但结构复杂，施工难度大。

应用BIM技术，创建劲性钢骨柱与钢制楼梯深化节点模型，可协助钢构厂数控下料加工组装，从加工源头确保构件精度，保证现场焊接拼装及安装的精度。针对各场馆钢罩棚系统，对于多管相交部位和受力较大铸钢节点部位，基于BIM模型进行深化设计，保证准确度，如图9所示。

图9 钢罩棚铸钢节点深化

(2)幕墙、屋面系统深化设计

对于场馆类建筑来说，外立面幕墙造型及屋盖系统是整个建筑最具表现力的部分，本项目外立面幕墙与屋面均采用铝板系统。

以主体育场为例，外立面铝板面板用量超过10万平方米，如何保证铝板的供应充足，是施工管理的控制重点。基于BIM技术应用提出解决思路，在幕墙深化设计阶段，对体育场铝板进行分析归类，确定单曲铝板翘曲值、分布位置及数量。根据BIM分析可得整体的3 mm厚淡金色穿孔铝板由单曲和平板构成。通过BIM技术可将单曲板的翘曲半径求出，分类提出几何数据，提供给专业厂家作为数据支撑。如图10所示，此处为体育场外立面曲率最大位置处。

图10 体育场大花瓣单片铝板数量及曲率数据提取

(3)预制看台深化设计

工厂预制清水混凝土看台板在施工中有进度快、摩擦力小、结构性能好的优点，具有较强的塑形变形能力。本项目中体育场、综合馆、游泳馆均采用预制清水混凝土看台板，其中体育场预制看台板总方量约9 230 m3。

运用Python代码编程，控制模型的循环生成，根据施工工艺调整预制看台尺寸[6]。体育场馆具体很强的功能性，除满足合理布局外还应考虑观众视线设计，利用BIM技术对看台进行视线分析模拟[7]，确保设计合理，对预制看台进行规格统一，优化设计，减少预制看台开模数量，并统一编号、出图加工制作，节约成本，如图11所示。

(4)精装修深化设计

在场馆内部精装修深化设计时，利用BIM模型，一模多用，能够更精确地确定吊顶平面灯具、喷头、风口、检修口、烟感探头和温感探头等位置，达到符合各专业设计规范要求且美观、合理，使精装修方案一次通过专家评审，极大缩短了深化周期，如图12所示。

图11 看台视线模拟分析

图12 综合馆配套服务门厅效果图及主材选用

4.3 进度、质量、安全控制应用

在进度管理方面，利用Synchro对项目进度进行管理。将BIM模型与进度计划、施工资源关联，在进度管控过程中，定期将实际进度与消耗资源录入Synchro中与计划进度、施工资源进行对比分析，以数字量化形式进行客观反映进度偏差及产生分原因[8]，为施工管理提供依据，如图13所示。

图13 进度计划与BIM模型相关联

在质量管理方面，根据场馆集群建造特点，建立样板模型，其中虚拟样板35个、实体样板48个、原位样板60多个，覆盖场馆集群建造所涉及到的全部关键工艺和核心技术，如图14所示。

图14 样板模型创建、出图及制作

在安全管理方面，通过BIM可视化对现场临边洞口进行安全分析，合理布置临边防护，结合施工现场危险源分析图表，动态管控现场危险源。超限梁危险系数高，支模架采用新型盘扣式支模架，利用BIM模型结合Midas进行支架受力分析，验证架体安全性，辅助管理人员现场检查验收。如图15所示，对典型高支模体系进行有限元受力分析。

图15 高支模架体有限元受力分析

4.4 特殊异形结构BIM技术应用

本项目在游泳馆一层位置，采用16根树杈柱形结构，环绕一周，与钢结构、玻璃幕墙系统相互配合，形成一个完整且融合的空间结构，树杈柱中间的型钢混凝土圆管柱直径1.8m，两个斜柱直径1m，上面设7根拉梁，局部还有埋件，中间钢筋纵横交错，施工难度大。

项目部利用BIM技术，创建树杈柱三维模型，并确定构件各个关键点的三维坐标，计算出斜柱距离圆柱中心的距离和斜率，将空间三维构件边缘控制线或中心线进行水平投影即将空间三维转换为平面二维，现场测控作业时在地面上放构件水平投影线[9]。同时，借助模型计算混凝土用量理论值，对比理论与实际值，确保混凝土振捣到位，杜绝质量通病，如图16～17所示。

图16 创建贯口模型并指导现场施工

图17 利用BIM计算树杈柱砼理论净用量

以BIM技术在兰州奥体中心项目的综合应用为借鉴，可对BIM技术在大型体育场馆建筑集群的建设应用提供强有力的实践经验，在同类工程中推广应用，并全面推进BIM+、放样机器人等新技术、新设备、以及数字化管理平台[10]在场馆建设中的集成创新应用，提升大型场馆建设信息化和智能化水平。

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