1工程难点
设计单位提供的均为基于CAD平台的二维图纸，其图纸质量较差、主体结构简易、几何数据疏漏，总体还停留在概念设计阶段。对于大剧院这种需满足特定需求的复杂建筑来说，施工方必须清晰透彻地理解这个双曲面壳体顶棚的几何构造，清楚在不同标高下，壳体水平坐标的变化，才能制定出合理可行的施工方案。另外该项目交叉施工节点比较多，施工场地有限，为在有限的工期范围内完成这种异形建筑的建设，各专业分包商之间需要高度配合、协同施工，这对人员管理、工程施工技术提出更高的挑战。该场馆顶棚内表面需要安置铝蜂窝竹复合板，根据设计要求，竹板完成面应与设计效果一致。在深化设计方案中，顶棚结构最外层为槽钢，向内依次是T型钢、龙骨、竹板，竹板固定在龙骨上。龙骨和竹板是不可扭转的，要实现竹板完成面与设计效果一致，需要准确定位龙骨位置，而龙骨的位置与槽钢的安装位置紧密相关。但在实际的施工过程中，槽钢的安装位置发生偏移，且偏差达到15cm，超出了卡扣调节范围;另外，双曲面与锥面不同，锥面可以看作是一个直角三角形的斜边围绕其一直角边旋转一周所成的面，在竖直方向上曲率为零，即不同的z坐标平面上水平坐标的变化是线性的，而双曲面在竖直方向上是有一定曲率的，这种结构特点使得龙骨在不同的z坐标平面上x，y坐标呈非线性变化，传统的二维图纸无法对龙骨进行精确定位，因此，要达到设计方要求，准确的定位出龙骨位置，精确取点、选取合理的放线方案是一个关键。
2应用BIM进行龙骨精确定位
利用方案中的几何数据以及平面设计图纸，在Ｒevit和Ｒhino三维建模软件中建立大剧院外壳模型，对其有一个可视直观的认知。同时，根据已建立的模型深化各个施工节点，制定出上述问题的解决方案，方案基本流程为:分析二维平面图和详图→建立三维模型→龙骨定位→龙骨加工安装→竹板安装。
2.1三维模型搭建
对于传统的CAD二维图纸，一个结构构件需要通过平面、立面、剖面等多张图纸才能完整的表示出来，不仅识图麻烦，还需要分别绘制，造成绘图效率低下，另外构件仅仅由点、线、面这样的几何元素勾画而成，无法显示其材质。这样的“聋哑”图纸无法让业主、施工人员或工程师清晰直观了解项目情况。而在基于BIM的建模软件中，通过搭建三维模型来表现完整的建筑和结构，这种模型不仅包含了构件的长、宽、高这些几何信息，还包含了空间位置、构件材质、搭接关系等多种数据信息，并且可以通过软件自带的多视图浏览功能360°无死角浏览建筑整体外观及构件细部。在大剧院项目中，依据设计单位提供的深化图纸，使用Ｒevit软件对大剧院进行建模。本工程是一个异形建筑，共2层，无地下部分，第1层在竖直方向上无曲率，从第2层起整个钢结构沿一定的曲率向上拱起，形成双曲面壳体。绘制时先从1层平面开始，依据平面、立面、剖面施工图所标尺寸，运用Architecture的轴线、墙、门窗等命令绘制定位轴线和第1层主体结构。接着绘制第2层，参照大样详图中的详细尺寸，搭建出双曲面壳体，由于两半壳体对称，可以先绘制出一半，执行镜像即可。由于本工程龙骨位置还不确定，所以只绘制出钢结构的外层槽钢和T型钢(见图2)。从建立的三维模型可以直观看到大剧院外壳体为双曲面造型，从顶部向曲面边缘两端，被一段玻璃幕墙分割为两部分。在模型上要重点处理好双曲面的施工。
2.2龙骨定位
要达到竹板完成面与设计效果一致，需要通过精准的龙骨排布确定出竹板的安装位置，但在原有的设计方案中，龙骨的定位取决于槽钢，由于槽钢的实际安装位置与设计图纸发生偏差，龙骨的位置无法从二维图纸中获得，在理论上，首先要解决的问题是如何精准确定龙骨的排布位置。在深化设计方案中，竹板位置已经确定，可以通过BIM模型先根据竹板的空间坐标将竹板排列出来，再通过龙骨与竹板的相对位置，反向推导出龙骨的三维坐标。在实际施工中，需要先排布龙骨，然后通过铝合金挂件将竹板固定在龙骨上，这个顺序是不可颠倒的。而在ＲevitArchitecture软件中，可以根据CAD图纸中竹板的位置数据先将其排布出来，再依据大样图中龙骨与竹板的相对坐标，构建出龙骨在模型上的位置(见图3)。模型搭建好后，不能直接指导施工，因为当前BIM模型的普及程度不高，施工人员无法即刻看懂模型，另外模型的浏览只能借助计算机等电子显示产品，不像图纸那样可以打印出来随时随地观看，必须将做好的3D模型导出到CAD中。由于龙骨自身有一定的宽度和高度，为了便于定位，取龙骨横向中心线作为定位目标，结合设计图纸，先确定各层龙骨的标高，然后按不同标高逐层确定龙骨水平坐标，这样龙骨横向中心线固定点的三维坐标即可得知，将其导出到CAD中出图。
2.3龙骨加工安装
要完成龙骨排布施工，除了确定龙骨安装位置外，还要知道龙骨本身的几何尺寸，即龙骨加工尺寸。壳体所安装龙骨在水平方向均有一定弧度，由龙骨水平定位图可得到任意z坐标平面的龙骨平面坐标(用x，y表示)，运用勾股定理可以得出相应圆弧的弦长A=Δx2+Δy槡2，画出圆弧两端点的切线，垂直于切线方向的两条直线相交于一点，这就是该段圆弧的圆心，可求得每段圆弧的曲率半径r，即可确定龙骨的加工尺寸。由公式I=rθ和A=2rsinθ2可得弧长I=2rsin－1A2r，比较每段圆弧的弧长和弦长可知，A≈I，说明龙骨与龙骨在xy平面直线相连已经无限接近一段圆弧。再者竹板具有一定的曲率半径，因此可以实现流畅的曲面造型。标高为13.293m观众厅龙骨加工如图4所示，由图可以看出，龙骨间宽度由左向右逐渐减小，其实随着标高的增加，龙骨间的宽度也在逐渐减小，这是由大剧院壳体双曲面的几何特性决定的。图413.293m观众厅龙骨加工示意Fig．4Keelsmanufactureofaudiencehallat13.293m
2.4竹板安装
龙骨定位完毕后进行竹板安装，将其按照龙骨排布的走势进行排列、安装，以保证竹板紧贴龙骨并用螺丝锁死，保证按照龙骨曲率做出曲面效果。由于该施工中玻璃幕墙将一整个异形双曲面壳体截断，为保证流畅的几何形体效果，龙骨需连续做到天花底以保证曲率连续。龙骨固定成型后予以切断再进行细部处理，之后再制作玻璃幕墙。这样竹板实际完成面与理论效果一致，达到了设计要求。
3BIM在施工中的应用价值
对于山东省会艺术中心大剧院这样具有巨大建设规模和高度复杂的大型异形建筑的施工，BIM的应用起到至关重要的作用，主要体现在以下几个方面。
3.1可视化管理
BIM对建设工程项目的一个重大变革就是可视化。可视化技术是能将线条式的构件形成一种三维的、仿真的并且可以实时交互的立体图形，建设工程项目的设计、招投标、建造、运营过程中的沟通协调都可以在这个图形中进行。此工程中，运用BIM搭建的大剧院壳体模型，可以直观看到该建筑竣工后效果，不需要再用多张图纸比对，提高了设计方与业主方、设计方与施工方以及业主方与施工方之间的沟通效率。不仅如此，BIM软件还具有即时显示和关键词搜索功能，将鼠标移到某个构件上，就可以显示该构件的尺寸、材质、空间位置等信息，想要查看某个隐蔽构件，输入名称关键词即可瞬间移动到相应位置。该模型还可以集成时间和造价数据，生成各个施工节点的进度和成本信息，再配合条件选择、区域搜索即可对所需信息筛选查阅。
3.2无视施工顺序
众所周知，实际的施工是有先后的，即建筑物的建设要遵循一定的施工顺序。但BIM运用数字化技术创造了一个虚拟环境，在这个环境中，不需要考虑施工顺序，只要知道构件的空间位置，即可以按照自己的想法搭建模型。在本项目中，正常的施工顺序是先安装龙骨，然后再固定竹板，但由于龙骨位置无法确定，所以无法进行后续的施工。而在BIM环境下，可先从CAD图纸上获取竹板的空间位置，将竹板搭建出来，即可获得龙骨的精确定位，这是平面图纸所无法实现的。
3.3集成信息并建立数据库
BIM模型除了具备最基本的几何信息外，还集成了大量的施工信息，如施工进度、材料用量等。施工企业精细化管理很难实现的根本原因在于海量的工程数据，无法快速获取以支持资源计划。而BIM的出现可以使相关管理条线快速准确获得工程基础数据，为施工企业制定精确的人、材、机计划提供有效支撑，大大减少了资源、物流和仓储环节的浪费，为实现限额领料、消耗控制提供了技术支撑。另外，通过建立5D模型，可以准确快速计算工程量，提供施工预算的精度与效率。由于BIM数据库的数据粒度达到构件级别，可以快速调用相关数据，有效提供施工管理效率。
3.4提高沟通效率，优化施工方案
传统的施工过程中，建设单位、设计师与施工人员都是通过二维图纸进行交流，但由于不同专业人员对工程的理解有偏差，导致沟通效率低下，但通过建筑信息模型，提高了项目参与人员的沟通效率，优化了施工方案，提高了大跨度、不规则曲面体育场馆施工方案的可行性和可靠性，减少了返工率。
4结语
在整个施工过程中，通过理论分析并结合BIM建模软件，模拟竹板排布，反推出龙骨的精确定位，解决了空间定位的难题，增强了施工过程的可控性，避免了返工，节省了施工成本，充分体现了建筑信息模型可视化、智能化和集约化的优势。BIM带给建筑行业的不仅仅是生产效率的提高，更能够大幅度提升施工管理水平和经济效益，推动建筑业信息化的发展。
作者：徐友全 张世洋 单位：山东建筑大学管理工程学院
