引言

BIM技术是一种实用的信息化工具，在建筑设计、施工和运维全周期都具有重要价值^[1,2]，伴随智能建造的发展，BIM技术的价值愈加凸显^[3]，在大型体育场馆建设中更是成为了必不可少的信息化工具。“十四五”是落实《体育强国建设纲要》的第一个五年，体育场馆建设是体育强国建设的重要支撑，对全面提升我国体育发展质量意义非凡^[4]。体育场馆有功能多、规模大、建造难和要求高等特点^[5,6]，在大型体育场馆项目高标准创新应用BIM技术十分必要^[7]。

1 项目简介

杭州余杭国际体育中心是杭州国际性新一代城市公共中心首发项目，对标世界一流，对推动体育事业发展，提升影响力和国际地位具有重要意义。总投资95.7亿元，建筑面积53.4万m²，包含一场两馆及配套设施，其中足球场是世界跨度最大的轮辐式双层索膜结构，建筑效果如图1所示。项目红线范围内全部设计为地下室，场馆内外可利用空间狭小，平面布置和施工部署难度高，主体结构BIM模型如图2所示。

图1 项目效果图

图2 主体结构BIM模型

项目主要重难点如下：

（1） 造型复杂，施工成型难度高。钢结构用量超5.7万t，单个钢构件最大吊重达122t，足球场轮辐式索桁架悬挑跨度达44.0m，PTFE膜结构为正高斯曲面造型，找型质量要求高；

（2） 幕墙种类丰富，以曲面、异型幕墙为主，安装精度要求极高；

（3） 庞大的建筑体量产生了海量图纸，包含8 000余张设计图纸及20万余张深化图纸，图纸管理复杂；

（4） 供应商超百家，多为进口品牌，资源整合与协同难度大，专业、工序工艺及作业面间的协同工作组织难；

（5） BIM技术在全生命期均有应用需求，涉及内容多，BIM应用标准须符合LOD400级别的要求。

2 BIM实施规划

大型体育场馆建设涉及复杂的多专业协同，提前做好BIM实施规划是必要的，明确采用的BIM专业软件、应用目标、管理策略和技术标准是确保BIM实施能够有效开展的重要基础。

2.1 BIM应用目标

本项目在设计与施工阶段深度应用BIM技术，践行全生命期管理理念，通过基于BIM的数智建造助力体育场馆建设。利用BIM模型对项目设计、施工各个环节协调控制，一模多用、平台共享。结合物联网等新技术，形成一套BIM模型、一张场区地图、数字空间与实体空间交融、设计施工运维全周期应用、安全质量工期成本四大目标、人机材法环五重要素并行的综合BIM技术应用体系，实现体育场馆群的数智建设。

2.2 BIM协同管理

构建设计院、总承包部、BIM科创团队以及技术员一体的BIM管理架构，精细分工，对全周期的建模、审查、实施等进行协同管理。项目所有BIM模型均进行了数据格式和软件版本统一，对必要的模型须同时出具RVT、NWC、IFC等格式文件以便进行浏览、分析与审查。建立项目数据中心和网络云平台，统一进行图纸和模型管理，实现业主、设计、总承包与分包之间的信息实时高效互通。此外，设置BIM资料管理员，对全过程BIM数据进行维护和保存，确保全程有记录、可复原。

2.3 BIM技术标准

根据项目具备的特点确定对应的BIM技术应用标准，以国家标准、地方标准和行业标准为基础，以企业标准和专门制定的项目标准为更高要求，形成统一的BIM规范体系，确保所有BIM模型做到规范、标准、精细和实用，提高项目在设计、建造和运维阶段的高质量管理水平。

3 BIM技术应用

BIM技术在建筑工程中主要包括可视化分析、优化设计、施工部署、深化设计和质量安全等方面的应用，相关技术较为成熟，但在大型体育场馆群的应用中则具有复杂度更高、工作量更大、协同要求更高等要求。

3.1 基于BIM的可视化分析与优化

基于创建的BIM模型，进行日照、热能传递、节能、消防疏散等模拟分析，寻找设计的遗漏点和重点，优化设计方案和施工方案，提高设计质量，助力智能建造。部分基于BIM的可视化分析实例如图3所示。利用BIM模型对技术经济指标进行统计分析，核查建筑设计中的房间面积、空间净高和功能分区等设计参数，根据实际需求创建类别明细表和统计分析图，分析图与模型参数关联，随模型变更而更新，同时统计模型中主要构件的体积(面积)和数量，辅助工程量计算。

图3 基于BIM模型的可视化分析

3.2 基于BIM的施工部署

本项目东、南侧临近地铁隧道，并行长度740m，仅北侧一条市政道路可用，场地十分有限，交通与平面转换频繁。创建场地与交通道路布置的BIM模型，提前策划与布局，模拟现场布置，配合三维漫游，帮助建造单位更好地进行平面布置优化和合理性验证，确保交通组织的流畅和便利，减少不必要的转运，提高场地利用率和经济性。对基础、主体、屋盖施工和幕墙施工等12个阶段进行施工平面部署模拟，图4为其中6个关键阶段。利用Navisworks软件管理项目进度，将进度计划、资源配置与BIM模型关联，按施工段和流水施工安排，模拟施工进度计划，与实际进度对比分析进度偏差和原因，为进度管理提供技术支撑。

图4 主要阶段的施工平面部署模拟

3.3 基于BIM的深化设计

3.3.1 钢结构

本项目主体大量采用钢结构，节点复杂、样式多变，利用BIM技术进行深化设计与设计优化十分必要。首先创建Tekla BIM模型，对焊缝、螺栓、节点、预留孔洞、预埋件、构件加工制作及构件安装等进行深化设计，构建相应的深化设计模型，输出平立面布置图、节点深化设计图、安装指导图、设计计算书及专业协调分析报告等；然后在易与其他专业冲突的地方进行碰撞检查，找出问题并修改，在构件加工前利用BIM模型进行拆分、模拟下料和放样，按照加工制作工艺进行模拟加工，根据模型生成数字化加工要求的工程图纸；最后以三维图纸的模式进行出图，指导现场进行构件安装。钢结构可视化与设计优化案例如图5所示。

图5 钢结构可视化与设计优化

3.3.2 幕墙系统

基于幕墙的施工图设计BIM模型，如图6所示，对幕墙构件平面及立面布置、墙材与龙骨连接、各向龙骨间连接、主龙骨与主体结构连接、构件与连接件构造、节点构造、交接收口构造及预埋件等进行深化设计，得到深化BIM模型、全套深化设计图纸、设计说明书、安装指导图及专业协调分析报告等内容。结合激光扫描仪对钢结构骨架精准扫描，基于此分析平行施工对幕墙系统的变形影响，控制幕墙下料，可确保安装精准匹配。

图6 幕墙BIM模型

3.3.3 机电管线综合

该项目管线种类多样、净高要求高、管综深化难度大，且弧形管道多、施工难度大，项目机电模型和复杂管线综合深化实例如图7所示。通过建立机电管综BIM模型，按综合支吊架的深化思路，在三维可视化BIM模型中，对过道、功能用房及机房等位置进行管线深化，输出机电管综总图、单专业施工图、预留预埋洞口图及净高分析图等图纸，经设计确认后用以指导现场施工。针对机房BIM模型，根据规范及设计要求进行机房管线综合，出具高精度的机组模块加工图、管道分段加工图和支吊架加工图，工厂预制加工，现场可快速装配，能够提高施工质量、节约工期。

图7 复杂管线综合深化实例

基于BIM模型采用智能支吊架设计软件，对典型位置和特殊位置进行专项设计，形成装配式支吊架标准件，如图8所示。工厂预制与预拼装保证了安全环保、节能降耗和灵活高效^[8,9]。

图8 支吊架设计深化

3.3.4 复杂梁柱节点

该项目中运用的典型节点案例如图9所示。针对复杂的梁柱节点，提前通过构建精细的BIM模型进行碰撞检查，识别设计中的潜在问题，对方案进行优化，使得复杂节点的设计优化过程直观且精确。在BIM模型中详细描绘了节点的结构形式、连接方式和材料属性，从而实现了对复杂节点空间布局的精确控制。在技术交底过程中更为直观地展示节点的详细构造和施工顺序，更好地帮助工人理解节点的复杂性和特殊性，提高施工质量和工效，降低沟通成本。

图9 复杂梁柱节点深化

3.4 质量、安全管理方面的BIM技术应用

BIM技术在质量与安全管理方面的应用如下：

（1）质量管理。通过创建虚拟质量样板，对关键工序进行三维技术交底的工作，指导现场实体质量样板的制作，按分部分项工程、施工工艺和危大施工方案等进行质量可视化交底及模拟演示。对二次结构等进行深化设计后进行排砖设计，并通过不断优化砌体构件的排布，选择最优的施工方案并出具工程量，辅助工程造价及现场管理；

（2）安全管理。建立BIM安全模型，提前识别出临边洞口、有限空间等危险源，确保现场施工时心中有数。将BIM模型导入广联达BIM模板脚手架设计软件，自动识别高支模，对支撑体系进行深化和优化，生成项目模板脚手架排布方案，生成计算书、施工图和工程量统计表等，辅助施工方案的编制，对支架进行受力分析与有限元分析，验证方案安全性。

4 BIM技术的创新应用

相较于一般工程，大型体育场馆群施工难度更高，涉及的新技术要求更多，BIM技术与新信息技术的创新结合是必然趋势。针对项目重难点，融合AR、AI、无人测绘、场区地图、点云扫描和3D打印等前沿技术，是该类项目高质高效建设的重要保障。

4.1 BIM与AR技术的结合应用

AR（Augmented Reality，增强现实）技术通过将虚拟信息投射到真实世界，以实现对真实世界的“增强”^[10]。BIM与AR技术的结合应用主要有进度模拟、方案模拟、隐蔽工程验收与查看、预安装以及已完工程实体调取等^[11]。二者结合能够有效指导施工，解决BIM技术与现场的链接难题。实际应用场景如图10所示。

图10 BIM+AR技术应用场景

在土建支模阶段，利用预埋套管、预留洞口等BIM模型，对穿梁洞口的位置、尺寸、数量等进行校核，确保不会少埋漏埋，避免安装过程受到影响。在室外施工阶段，将给排水BIM模型直接定位在场地上，通过BIM模型的管线走向在场地上对应划线，指导现场开槽。管线安装完成后，再次使用BIM模型复核安装情况，及时校准偏差，避免返工。利用BIM与AR技术指导和管理机电管综的安装工作，利用可视化BIM模型，向分包施工单位进行全面的施工交底。在施工完成后及时进行复核比对，将偏差与影响控制在最小范围内。

4.2 BIM与GIS土石方测算的结合应用

采用无人机对项目整体进行寻迹航拍，将航拍照片进行数据三维处理，得到三维地形表皮模型，BIM与倾斜摄影技术相结合，可提高工程项目的空间地理分析能力。基于BIM的土石方测算实例如图11所示。利用无人机进行测绘，可以迅速、准确地获取长度、高差、坐标、面积及体积等大量数据^[12]。在Revit软件中生成地貌模型，绘制基坑开挖模型后可得土石方开挖模型和开挖量。链接到Context Capture和CASS中进行土石方智能测算^[13]，生成土方调配图，依据图像和定位信息，通过RTK辅助测量，指挥施工机械按照预定路线行驶，使区域内的土方平衡施工按照最优路线和最优弃排土量进行，大大提高了测绘效率，降低了人工测绘的风险和成本。

图11 基于BIM的土石方测算

4.3 BIM与AI图模管理平台的结合应用

为解决项目参与的专项设计单位多、专业间接口多以及“错、漏、碰、缺”易发等难题，采用数智化管理模式，统一存储，数出一源，建立基于AI的数智化图模管理平台，如图12所示。

图12 BIM与AI图模管理平台

基于计算机图形学，自主开发了图纸综合识别算法，该算法将图纸智能分图，自动识别并分类图纸中的不同元素，从而优化图纸的组织和检索，支持图纸与模型导入、AI智能分图、在线会审、图纸目录自动管理、图纸内容快速查找以及AI智能问答等功能，做到了图模关联、版本统一和变更闭环，彻底解决了项目图纸多与专业协同难等问题，不仅能减少成本，确保项目顺利实施，还能推动项目图纸管理向数字化和智能化转型。

4.4 BIM与场区地图的结合应用

由于项目现场交通组织难度大，以场内交通组织为出发点，基于企业智慧工地平台和超图GIS引擎，自主研发了基于BIM的场区地图平台，开发了车辆路径规划算法，使平台具备人员管理、路径规划、设备监控、基坑检测及环境监测等内容，场区地图界面如图13所示。基于轻量化引擎，实现在手机端实时掌握场内车辆行驶、停泊动态，合理规划卸货、吊装及布泵等停靠点，自动开展交通运力分析，在车辆进入前即自动完成路线规划，实现场内交通无梗阻，达到有限空间100%动态利用。

图13 场区地图界面

在场区地图的基础上，通过无人配送机器实现材料智能化转运，智能多机调度系统根据现场同步多任务需求，部署多个智能叉车协同工作，通过可视化的操作界面，方便快速管理车队，实现整个场区材料的无人化运转管理。

4.5 BIM与点云扫描的结合应用

基于BIM与倾斜摄影技术，周期性构建影像图和实景三维模型，将生成的点云模型与BIM模型之间进行可视化对比分析，得到准确的施工进度，进行进度监测与管理。现场点云模型如图14所示。

图14 施工现场点云模型

为应对大型曲面异型幕墙成型效果要求高的难题，结合BIM与3D激光扫描技术，扫描钢桁架实际点位，通过逆向建模算法构建实景模型，以实体模型进行幕墙深化，通过钢桁架及幕墙的实景点云扫描模型与三维BIM模型对比分析，对深化后的幕墙设计进行动态反馈，识别偏差，联动工厂进行精准下料，对构件编号精准定位、精准安装，确保建筑立面的完美呈现。

4.6 BIM与3D打印的结合应用

该项目涉及大量复杂网架节点、桁架节点和索节点，传统施工方法的质量和精度很难控制，且成本很高，3D打印钢结构则能兼具质量与精度^[14],力学性能也已得到了验证^[15]。利用BIM技术对复杂关键节点进行精细化建模，提高设计精度。将BIM模型由RVT格式转化为3D打印软件可以识别的STL格式，基于BIM模型快速精确地制作3D打印切片模型。对形状复杂、难以通过传统工艺制造的钢结构节点，3D打印可以凭借其增材制造的优势，不受限于传统模具和工艺的限制，进行快速精确生产。以项目中较为复杂的索桁架与钢桁架的2号连接节点为例，如图15所示，基于拓扑优化算法，对节点顶部、耳板和对称通道约束优化，优化后节点重量由4 901kg减小为2 850kg，优化重量42%。得到较优的节点构造后通过3D打印进行定制化智能制造，一体成型，连接更光滑，可以起到优化屋盖钢结构体系关键节点的受力性能，降低施工难度、节约工期成本的作用。

图15 BIM与3D打印的结合应用

5 结论

BIM技术应用步步紧扣，必须提前做好全周期规划，前期策划的可行性、全面性是支撑项目后序工作的基础。项目将BIM技术与前沿新技术进行创新结合，有力地促进了项目的高质量智能建造，取得了显著的经济效益和社会效益，主要结论如下：

（1）基于BIM模型的可视化，可高效地开展多种模拟分析、设计方案优化和施工部署比选，提高设计质量，助力智能建造，确保建筑表达精确；

（2）全过程、全专业的集成管理，可提高工效，降低成本，对体育场馆的精细化管理和智能化、信息化、数字化建设促进作用显著；

（3）体育场馆建设阶段的深化设计与优化对高质量建造作用巨大，需全专业协同，一次成优。

综上，运用BIM技术与激光扫描、AI技术、3D打印和无人机等前沿技术的创新结合能为项目提质增效，是未来较优的发展方向。