1、基于 BIM的大型 复杂建筑工程 数字化建造技术 李 久 林 北京城建集团有限责任公司 报告提纲 2 一 、 缘起：国家体育场 （ 鸟巢 ） 的数字化建造 二 、 发展：昆明新机场 、 北京英特宜家 工程的 BIM综合应用 三 、 现状：数字化建造的现状与存在的问题 四 、 新趋势：数字化建造的发展趋势 3 国家体育场 （ 鸟巢 ） 的数字化建造 1. 工程背景 国家体育场 （ 鸟巢 ） 作为 2008年北京奥运会的主会场 ， 是目前世界上特大跨度体育建筑之一 。 其结构体系与建筑造型浑然一体 ， 外围大跨度空间钢结构由 4.2万吨扭曲钢构件编织而成 ， 内部看台为异形框架结构 ， 由角度各异
2、的混凝土斜柱组成 ， 屋面采用 ETFE和 PTFE膜结构 ， 国内外无先例 、 无相关技术标准和规范 ， 工程建造需解决一系列重大技术难题 。 4 局部剖面图 桩基 预制看台 框架结构 钢结构 膜结构 2. 工程建造难点 6 难点 1： “ 鸟巢 ” 肩部 14000t大尺度箱型扭曲钢构件 ， 与大型柱脚等复杂节点设计加工国内外没有先例 。 无固定线形大断面（ 1200mm 1200mm） 空间箱型扭曲构件 ，每根构件 弯扭程度各不相同 ，国内外没有应用先例。 其 几何构成 数学模型建立、放样、 加工制作 等技术均属空白。 需要研究此类构件及 多杆件交汇复杂节点 的力学性能和开发设计方法。
3、2. 工程建造难点 7 难点 2： “ 鸟巢 ” 特大跨度复杂钢结构安装没有先例 ， 安全质量风险极大 。 鸟巢的特殊结构形式和安装程序需要 模拟仿真分析 ，现有软件的分析方法和手段与实际仍有较大的差距。 4000个 高空安装接口连接、在19 4 条件下结构整体合龙及 6万平方米 14000吨 钢屋盖支撑卸载史无前例，需研发相应技术。 为保证“鸟巢”钢结构安装精度和建筑效果，需要建立高精度测量控制网和构件拼装、安装的高精度测控，特别是实时获取已安装构件的接口位形并适时 消纳偏差 ，需要研究相应的测控技术。 2. 工程建造难点 8 难点 3： 钢结构整体合拢质量要求高 ， 实施难度大 。 由于鸟
4、巢为空间 “编织” 结构，所有安装误差、焊接及温度变形均累积到 4条 合拢线、 128个合拢口、而采用焊缝合拢对合拢口间隙和错边有严格要求。 设计要求合拢温度 19 4 ，需解决合拢过程中结构本体温度实时监测。 在北京地区 8月 份实施合拢、满足合拢温度时间不足 3h、而完成合拢焊接至少 14h。 2. 工程建造难点 9 难点 4： 卸载技术要求高 。 6万 m2 、 14000t钢屋盖支撑卸载史无前例 ， 卸载点78个 、 最大支点反力 300t， 整体分级同步卸载 、 同步精度 3mm。 卸载动画 78个支撑点布置图 2. 工程建造难点 10 难点 5： 如何保证造型复杂 、 体型庞大鸟巢
5、钢结构的安装精度和建筑效果 ，而且该结构为空间编织结构 、 施工误差很容易累积和传递 ， 需要建立高精度的测量控制网和构件拼装 、 安装的高精度测控 ， 特别是实时获取已安装构件的接口位形 ， 以指导构件的地面拼装和高空安装 ，及时消纳各种误差对于保证安装质量和进度具有极为重要的作用 ，需要研究相应的测控技术 。 难点 6： 工期紧 、 工程建设管理复杂 ， 管理要求高 。 有效工期仅 4年；国际 、国内分包单位 100多家 ， 协调管理与控制难度大；管理对象复杂 ， 砼结构没有标准层和标准段 ， 钢结构上万构件中相同构件仅 2根；管理要求高 ， 总承包商要管到每一块钢板 、 每一条焊缝 、
6、每一个焊工的动态变化 。 “鸟巢”采用的六大数字化建造技术 11 （ 1）三维建模及仿真分析技术 （ 2）工厂化加工技术 （ 3）机械化安装技术 （ 4）精密测控技术 （ 5）结构安全监测与健康监测技术 （ 6）信息化管理技术 （ 1）三维建模及仿真分析技术 12 基于 CATIA的三维模型设计 在国家体育场的设计中 ， 国内建筑行业首次引入 CATIA 软件 ， 解决了复杂建筑的空间建模问题 。 （ 1）三维建模及仿真分析技术 13 扭曲 构件的几何构型与放样 首次提出任意曲面扭曲薄壁箱形构件的几何投影生成法 ， 开发了具有自主知识产权的异型构件制作软件 。 扭曲箱形构件 扭曲构件综合控制设
7、计方法 展平放样图 （ 1）三维建模及仿真分析技术 14 钢结构安装过程模拟 钢结构主结构安装流程 复杂钢结构安装全过程模拟仿真分析技术 钢结构总体安装方案比选： 对整 体提升 、 滑移 、 分段吊装高空组拼方案 （ 简称散装法 ） 和局部整体提升等方案进行了比选 ， 最终采用 78个支撑点的高空散装方案 。 （ 1）三维建模及仿真分析技术 15 桁架翻身吊装过程的应力 桁架翻身吊装过程的变形 次结构安装 重型吊耳设计 复杂钢结构安装全过程模拟仿真分析技术 钢构件安装： 施工前选择典型吊装单元 ， 对构件形心和吊耳设计 、构件翻身和吊装中的应力和变形 、 构件安装临时稳固措施 、 构件安装次序
8、等进行了模拟分析 。 复杂钢结构安装全过程模拟仿真分析技术 钢结构整体合龙： 从主体钢结构开始安装到钢结构整体合龙历时近 8个月 ， 需要依据确定的合龙断面位置 ， 考虑各种温度变化情况 ， 计算合龙断面处的杆件温度变形值 ， 以确定具体合龙方式 、 合龙口预留间隙大小及合龙口做法 。 （ 1）三维建模及仿真分析技术 16 安装初始温度 温度变形计算结果 复杂钢结构安装全过程模拟仿真分析技术 钢结构支撑卸载： 基于卸载仿真分析结果 ， 国家体育场钢结构工程整个卸载过程共分 7大步 、 35小步 ， 从外向内进行 。 （ 1）三维建模及仿真分析技术 17 工况 1支撑点反力和以及总反力变化图 （
9、 2）工厂化加工技术 18 钢结构扭曲箱形构件 多 点无模成型加工技术 首创多点成形和计算机结合的无模成形工艺 、 加工设备 、 质量检验技术 ， 高精度完成了扭曲构件加工 ， 完美实现了 “ 鸟巢 ” 建筑造型 。 多点无模成型设备 计算机控制系统 扭曲构件制作 MetroIn工业三维测量系统 （ 2）工厂化加工技术 19 预制看台板加工 安装技术 （ 2）工厂化加工技术 20 机电设备 安装 （ 2）工厂化加工技术 21 模块式移动草坪 安装 22 钢柱现场预拼装 （ 3）机械化安装技术 23 柱脚滑移安装 （ 3）机械化安装技术 采用 800吨吊机安装钢构件 24 采用计算机控制 集群液
10、压千斤顶同步卸载 系统， 实现了国内外首例 6万平方米 1.4万吨钢结构支 撑卸载。 结构实测变形量（ 271mm）与理论计算变形量（ 286mm）误差仅为 5.2%，远高于国内外大跨度工程实例误差 水平，获 国家级工法。 卸载动画 （ 3）机械化安装技术 卸载 设备系统 25 研究应用 GPS、 三维激光扫 描仪等先进测量仪器，建 立 了高 精度的三 维工程控制 网，实施构 件拼装、安装的 快速空间放样定位和实 时检测 ， 实现 了 偏差的预控和提前消纳。 获 2008年中国测绘学会科学技术奖 一等奖。 钢结构施工控制网 G P S 网点G1G2T5G3G4Z5中心23BT4G616B16A
11、6#1#4#北 辰 花 园 路站车北辰高尔夫俱乐部路东辰北7#5#3#凯迪克大酒店17#路北 辰 集 团北 辰 花 园 别 墅钢结构施工平面控制网示意图T1T3T6T7地铁成府路站F8F1F2F3F4F5F6F7K3K2K4K5K6K7K8K1K 1 0K9K 1 1K 1 2T2T8外环、内环中环 ( 加密网 )钢结构安装三维激光扫描 （ 4）精密测控技术 （ 5）结构安全监测与健康监测技术 26 合拢结构温度曲线 顶面结构温度曲线图15161718192021222324252627282930313233343519:00 19:30 20:00 20:30 21:00 21:30 22
12、:00 22:30 23:00 23:300:00 0:30 1:00 1:30 2:00 2:15 2:30 2:45 3:00 3:30 4:00 4:30 5:00 5:30 6:00 6:30 7:00 7:30timetemp1# 2# 3# 4# 5# 11# 12# 13#14# 15# 21# 22# 23# 24# 29# 30#31# 32# 6# 7# 8# 9# 10# 16#17# 18# 19# 20# 25# 26# 27# 28#33# 34# 35# 36# 标准线 平均值 平均值上限 平均值下限（ 5）结构安全监测与健康监测技术 27 理论反力值与千斤顶实测
13、值 应力计算值与实测值 0 2 4 6 8 10 12 14 16-5 0-4 0-3 0-2 0-1 001020304050607080应力（MPa）卸载次数下弦应力计算下弦应力实测上弦应力计算上弦应力实测卸载指令及信息传递流程图 项目信息化管理平台 开发应用了管理信息平台 ， 以实现总包商内部与分包商之间的办公自动化 。 （ 6）信息化管理技术 28 视频 监控、红外安防 系统 建立了网络视频摄像系统 ， 在民工生活区布设了红外安防系统 。 （ 6） 信息化管理技术 29 建筑工程多参与方协同工作网络平台 系统 开发应用了建筑工程多参与方协同工作网络平台系统 （ ePIMS+） ，实现文档 、 图档和视档等工程信息的协同管理 。 （ 6） 信息化管理技术 30
