浅谈西安国际足球中心 EPC 总承包项目全过程 BIM 应用技术

时间：2024-07-28

刘富，陈佳伟，井坤龙，蒋兴科

（陕西建工集团股份有限公司，陕西西安 710068）

0 引言

EPC 施工总承包工程在建设过程中，专业分包多，外部协调工作量大，需从设计、施工、工期、质量、费用等方方面面进行工程管理［1-3］。如何做好各分包单位之间信息的整合，提升图纸深化设计的效率、质量，使设计图纸切实可行，减少施工现场操作的难度，以达到管理升级、降本增效的目的，是 EPC 施工总承包单位施工管理的首要问题，而 BIM 技术的应用是解决此问题的有效手段［4-6］。

1 工程概况

西安国际足球中心是 2023 年亚洲杯主场馆之一，可容纳 60 000人进行观赛，场馆整体设计将“周秦圣殿、汉唐雄风”元素与动感、时尚、活力等特色完美结合，“下方上圆”的经典马鞍形造型，独具一格的通风加热锚固系统，多彩变换的智能照明系统以及全球首创的双层双向正交索网结构，充分展现了西安这座古都的历史文化底蕴。项目主楼北侧为外挑尺寸最大达到 36 m 的大跨度悬挑结构，外围大面积外倾幕墙类型多样、整体形变不易控制，如图1 所示。

项目建设过程中，充分结合 EPC 总承包项目优势，将各专业的 BIM 模型相互融合，全过程利用 BIM 技术指导优化设计、方案策划与现场施工，最大程度发挥了 BIM 技术在工程建设中的优势。

2 施工重难点

1）作为 EPC 总承包项目，项目工程专业多，总承包管理与协调工作量大，各专业施工整体功能、建设品质要求高，需要进行高效率的信息传递。

2）劲性柱受力复杂，存在 SRC+BRB 埋件+竖向斜梁，SRC+水平斜梁等复杂节点，周边梁钢筋配筋数量很多，如何保证节点处钢筋绑扎及混凝土浇筑质量是关键。

3）工程外围大面积外倾幕墙类型多样，包括大跨度玻璃幕墙，曲线铝板幕墙，陶土板幕墙等形式，整体形变不易控制，安装难度大。

3 BIM 技术辅助工程管理

3.1 设计阶段—桩基荷载设计

在结构设计阶段，采用 BIM 技术对桩基沉降进行计算，保证建筑物桩基础（不含桩长）埋深控制≥1/18 建筑物总高。沉降计算采用 YJK 2.0.1 版基础设计模块，计算结果如图2 所示。最大沉降量 20 mm，框架柱之间的沉降差 16 mm，＜0.002L（L为框架柱距），满足规范要求。

图2 桩基沉降计算结果

3.2 设计阶段—混凝土结构分析

场馆主体混凝土结构为超长无缝设计，采用盈建科 YJK2.0.1 版和 SAP2000 V22.1.0 两种空间有限元分析程序对下部混凝土结构进行抗裂分析，得出结构主要的楼板应力均在 2.20 N/mm2以下，施工过程中对局部应力集中部位可以通过增加抗裂纤维及楼板钢筋配置等措施来减小混凝土裂缝的产生，混凝土结构模型如图3 所示。

图3 混凝土结构示意图

3.3 设计阶段—屋盖结构分析

为了能正确合理地分析屋盖结构，采用了足尺结构模型进行整体结构分析。模型的反应谱分析采用 CQC 组合，同时采用 SRSS 法考虑双向地震的扭转耦连效应。计算时考虑阻尼比，对于钢结构和混凝土结构采用不同的阻尼比，钢结构的阻尼比取 0.02，混凝土结构的阻尼比取 0.05。为验算屋盖网壳杆件的稳定性，验算过程中在恒载、活载以及风荷载作用的基础上，同时充分考虑温度作用、地震作用的影响，将以上荷载进行组合，确保验算结果的准确性。钢构件在各工况组合下最大应力比 0.96，出现在屋盖钢结构北侧 45°，下弦与索网交界处杆件。最大应力比＜1.0，满足规范的要求。屋盖结构主要振型如图4 所示。

图4 屋盖结构主要振型演示

3.4 施工阶段——方案模拟

利用 BIM 模型可视化的特点，建立行复杂节点的模型，提前找出施工过程中可能存在的问题。尤其是对结构钢筋与钢构、混凝土柱、梁交叉节点进行重点分析，讨论和交流得到最佳施工方案，提升现场人员管理水平，如图5 所示。

图5 梁柱节点 BIM 模型交流

3.5 施工阶段——深化设计

考虑到本工程专业众多，二次深化需避免各专业发生碰撞问题，通过 BIM 模型优化出图、深化界面节点，解决各专业设计不合理问题，提高施工方案编制的可操作性，尤其是避免发生建筑与结构产生标高或位置偏差、型钢混凝土柱钢筋绑扎及浇筑困难、门、窗安装、开启方向不正确等问题。

3.6 施工阶段——总平面管理

本工程主体结构设计有大量装配式模块化单元，包括上部外环网壳结构、内场预制混凝土看台以及外部大面积陶铝板幕墙等。在上部屋盖施工阶段，大量物资同时进场，且钢结构网壳单元施工与内场清水混凝土看台吊装间存在交叉作业工作。如何有效利用内外场场地，尤其是内场场地，避免交叉作业中产生工序空间及时间上的碰撞是项目管理的重点。为解决以上问题，项目在施工准备阶段采用 BIM 技术可视化的特点进行项目整体物资平面布置，全过程吊装模拟，分区域进行吊装作业，屋盖吊装采用就近吊装，在内外分别布置两处吊装点，避免与看台板吊装发生碰撞问题。同时根据吊装点的位置确定物料堆放位置及范围、最佳物资运输路径及吊装范围，可减少物资搬运距离，有利于开展绿色施工。

3.7 施工阶段——工程量计算

项目土建、机电、幕墙及钢结构等专业工作量大，采用传统手算方法工作量大，浪费人力，且错误率高，汇总繁琐。项目采用 BIM 软件进行工程量计算，采用电脑生成工程量汇总表，可大幅度减轻工程量计算及复核问题，如图6 所示。

图6 BIM 工程量计算

4 BIM 技术指导现场施工

4.1 BIM 空间定位技术

本工程空间定位复杂，看台、钢结构、幕墙需进行三维空间定位，现场设置三级平面布置网，引进 BIM 空间定位技术（见图7），应用放线机器人进行三维空间定位，简化坐标计算，以保证定位精度，提高放线效率。

图7 三维空间定位

4.2 预制看台构件 BIM 预拼装

本工程看台体量庞大，总量为 6 295 块，类型多样，规格型号达到 1 187 种，采用 BIM 技术进行配板设计及吊装模拟，保证看台整体达到清水效果，如图8 所示。

图8 BIM 模拟预拼装

4.3 BIM 技术辅助吊装设备布置

项目屋盖结构为非常新颖的刚性环壳和柔性索网组合的大跨度结构，本工程根据钢结构设计的形式、特点，划分吊装单元块体的重量、吊装半径等，选用不同吊装机械进行吊装。根据吊装块体的重量、重心位置确定吊点及吊绳长度，结合 BIM 模型进行受力分析及安装模拟，模拟吊装每一个块体单元，确定出吊机站位、吊臂长度回旋半径等，得到最终确定吊装方案，保证吊装过程一次成功就位，如图9 所示。

图9 吊装设备布置（单位：mm）

4.4 BIM 辅助结构计算

主楼北侧设计为大跨度悬挑结构，横跨轴线 S12-S33，整体延伸出一个扇形区域，总跨度约为240 m，外挑尺寸达到 17～36 m，施工及吊装难度大。采用 BIM 模拟技术对外伸结构以及幕墙支撑结构进行分析计算以及安装模拟（见图10）。在1.0D+1.0L荷载工况下，通过计算外悬挑端部的最大竖向位移为 32 mm。满足规范L/400=2L0/400=148 mm 的要求。水平构件应力比最大为 0.893，出现于支撑的悬挑主梁，斜柱应力比最大 0.78，均满足结构安全要求。

图10 北侧悬挑结构模型及计算

4.5 BIM 模型索膜结构施工全过程模拟

在索结构施工中预应力达到设计要求时，整个结构才是稳定的，不能在牵引的过程中产生超过压环所能承受的弯矩，否则有可能在牵引过程中，压环达到它的极限而失稳。通过建立 BIM 模型，选择多点整体牵引的方法，在每根索的端头都设置牵引索，采用 ANSYS 等软件，经过复杂的计算分析（见图11），对索网施工全过程进行仿真模拟，并进行实体缩尺试验，分析索网在不同牵引状态下索体的内力及整体形态，最终确定不同索体和膜共同受力，牵引过程中进行动态控制，精确控制每根索体的拉力，并且要经历多次调索，最终才能确保设计形态的实现。

图11 BIM 建模 ANSYS 分析

4.6 BIM 技术指导综合管线排布

本工程采用“机电管线及设备工厂化预制技术”，经 BIM 对各专业综合排布，由模块化生产厂家定制生产，经验收合格后分块运至现场装配式施工（见图12），现场应用率约 30 %，该技术的应用提高了预制率和装配率，有效地提高了工效和工程质量。

图12 BIM 管线排布

本工程地下室区域净高管综排布复杂多变，机电安装系统庞大复杂，管道规格和材质种类繁多，体量较大，设备与管线分布密集，大量管道呈不规则变曲率圆弧形，预制及安装难度大。通过 BIM 模拟、预建造、排布，发现不满足净高问题，及时调整。

4.7 幕墙节点深化

本工程大面积幕墙包括百叶幕墙、玻璃幕墙，陶土板幕墙等，形式多样、整体形变不易控制、安装难度大，幕墙面板几何长度均成渐变趋势，采用 rhino 设计软件对外围幕墙进行优化设计，首先建立场馆的外观整体模型，再利用其对外幕墙进行精确分割排版，然后根据构件尺寸确定对接方案和接头的位置，得到最优的组装方案，最终确定采用特制扇形板进行屋面型材百叶幕墙组装，达到屋面曲面设计效果，如图13 所示。

图13 幕墙外观模型及节点