上海图书馆东馆BIM全生命周期应用实践_叶子青.pdf

建筑施工第45卷第1期177上海图书馆东馆BIM全生命周期应用实践叶子青上海建工四建集团有限公司 上海 201103摘要：上海图书馆东馆功能空间布局复杂，体验要求高，设计难度大，其结构形式为大跨悬挑钢结构，施工难度大，精度要求高。为了打造世界级一流图书馆的目标，上海图书馆东馆进行了BIM全生命周期的应用实践，包括设计模型智能审核、建筑性能分析等设计BIM应用，数字测绘施工监测、多专业协同建造等施工BIM应用，数字化接管验收、工程文档自动关联等竣工BIM应用，以及图书分拣系统智能运维、机电设备主动式运维和运行碳排放计算等运维BIM应用。总结的经验可供类似工程参考。关键词：BIM全生命周期；数据融合；数字建造；智能检测；智慧运维中图分类号：TU17 文献标志码：A 文章编号：1004-1001(2023)01-0177-05 DOI：10.14144/ki.jzsg.2023.01.045BIM Full Life Cycle Application Practice in East Hall of Shanghai LibraryYE ZiqingShanghai Construction No.4(Group)Co.,Ltd.,Shanghai 201103,ChinaAbstract:The functional space layout of the East Hall of Shanghai Library is complex,with high experience requirements and design difficulties.Its structural form is long-span cantilever steel structure,which is difficult to construct and requires high precision.In order to build a world-class first-class library,the East Hall of Shanghai Library has carried out the application practice of BIM in the full life cycle,including intelligent review of design models,building performance analysis and other design BIM applications,digital surveying and mapping construction monitoring,multi discipline collaborative construction and other construction BIM applications,digital takeover acceptance,automatic association of engineering documents and other completion BIM applications,as well as intelligent operation and maintenance of book sorting systems operation and maintenance BIM applications such as active operation and maintenance of electromechanical equipment and carbon emission calculation.The summarized experience can be used as reference for similar projects.Keywords:BIM full life cycle;data fusion;digital construction;intelligent detection;intelligent operation and maintenance维管理模式。上海图书馆东馆（以下简称上图东馆）是实现建筑全生命期BIM应用的成功案例，包括设计模型智能审核、建筑性能分析等设计BIM应用，数字测绘施工监测、多专业协同建造等施工BIM应用，数字化接管验收、工程文档自动关联等竣工BIM应用，以及图书分拣系统智能运维、机电设备主动式运维和运行碳排放计算等运维BIM应用。1 项目概况1.1 项目简介上海图书馆东馆是“十三五”时期上海文化设施建设的重点项目。项目占地面积3.95万 m2，建筑总高度50 m。新建总建筑面积11.4万 m2，由1座7层主楼和1层裙楼组成。建筑外形采用“全玻璃幕墙水平遮阳百叶”展现立面玉石效果，犹如在森林中镶嵌了一块玉石（图1）。建成后将提供读者图书阅览座席近6 000个，全开架藏书约480万册。图书馆将满足每年200余场讲座、上千场各类学术活动的读者需近年来，随着BIM（建筑信息模型）技术的快速发展，应用范围逐渐广泛，应用BIM的项目也越来越多，同时结合一些AI分析，混合现实的新技术，也使BIM应用更落地1-6。但研究表明，目前BIM在设计、施工阶段应用较多，但是在跨阶段应用时还是存在许多问题，跨阶段应用的成功案例仍较少见。特别是运维阶段，BIM的应用价值不显著。针对以上问题，项目参建方积极探索BIM的全生命周期应用，解决设计、施工、运维跨阶段模型数据传导和异构建筑数据融合等问题，探索数据驱动的智能化建造和运基金项目：上海市“科技创新行动计划”社会发展科技攻关项目（20dz1202000）；上海市“科技创新行动计划”社会发展科技攻关项目（20dz1201901）。作者简介：叶子青（1990），男，本科，工程师。通信地址：上海市闵行区桂林路928号（201103）。电子邮箱：收稿日期：2022-09-07数字建造DIGITAL CONSTRUCTION20231Building Construction178求，读者年接待量预计可达400万人次。图1 上海图书馆东馆1.2 项目重难点上图东馆工程重难点主要有下列3个方面：1）上图东馆建筑空间复杂，设计新颖，中庭为镂空区域，围绕中庭设置包括阅读区、借书区、展成区等开放式区域，以及藏书区、行政区、设备区等内部区域，对使用体验要求高，设计难度大。2）项目结构形式采用大跨悬挑钢结构，施工过程变形控制精度要求高，施工难度大。3）上图东馆有大量专业性强能耗高的系统，运营期间读者年接待量大，系统需常年开启，运维难度高。因此，上图东馆筹建办在建设初期就认识到传统建设运维模式已难以满足需求，提出了以BIM为基础建设智慧型图书馆的目标。1.3 基于BIM的全生命周期管理技术路线上图东馆由于设计BIM介入较晚，设计院未使用BIM正向设计，设计阶段主要用建筑信息模型进行建筑性能分析，由设计单位进行逆向建模，在施工阶段前进行自动图模一致性审查后，进入深化设计阶段进行多专业协调深化及施工模拟，施工时应用MR、双目相机等智能设备辅助施工，同时通过自主研发的智慧建造平台来进行施工过程管理，竣工交付之后将数字化模型传递至运维阶段进行基于BIM的智慧运维（图2）。BIM模型图纸工单数据其他资料运行监测数据技术路线基于BIM的设计阶段应用建筑性能分析设计模型与图 纸一致性智能 审核基于BIM的施工阶段应用基于BIM的施 工深化设计BIM数字测 绘的施工监测BIM混合现 实的质量验收全过程数字化 管理系统基于BIM的验收接管应用基于ipad的数 字化验收基于MR的现场 核验基于BIM的运维阶段应用机电设备运行 监测主动式集成化 运维图书分拣系统 智能控制图2 BIM全生命周期管理技术路线2 基于BIM的设计阶段应用2.1 建筑性能分析上图东馆在设计阶段通过建筑信息模型进行了多种建筑性能分析，利用风计算软件Vent2016进行风环境分析，将夏季通风良好、冬季风速较小的区域设为主要活动场地，充分保证了活动人员的舒适度。中庭区域设计是本项目的亮点，为此专门对中庭进行了详细的日照分析，保证中庭日照条件。根据日照情况划分适宜阅读区及不适宜阅读区，同时在光源欠缺区域安装调光系统（图3）。由于图书是大客流的公共建筑，为了应对一些突发状况，基于BIM模型用Pathfinder人员疏散分析，保证突发情况下人员的安全撤离。图3 建筑风环境、日照分析2.2 设计模型与图纸一致性智能审核（设计到施工）逆向建模可能存在模型与图纸不一致的问题，为了BIM模型的跨阶段传递应用，需要对设计模型的图模一致性进行深化，为了提高模型审查效率，开发了一套设计模型与图纸一致性审核AI算法，该算法能根据楼层的各专业平面图，采用语义分析技术从CAD图纸中提取门窗、结构构件和机电设备的编号文本及其坐标信息；接着根据编号在BIM中检索对应的模型元素的平面坐标；然后根据二者坐标值的差异计算图模一致性指标，并标记出差异较大的构件或设备，如图4所示。该算法可以减少50%以上的模型审核时间。模型多了小房间和门图4 图纸和模型一致性审查实例3 基于BIM的施工阶段应用3.1 基于BIM的施工深化设计在保证图纸与模型的一致性后，就可以用BIM模型进行二结构、机电、钢结构、幕墙等专业的深化设计。以二结构阶段为例，应用自主研发基于Revit软件的二结构数字化深化插件，研发以最省砖为目标的排砖解析算法，实现叶子青:上海图书馆东馆BIM全生命周期应用实践建筑施工第45卷第1期179不同墙边界的水平、竖向排砖。在砖块族里建4个变量驱动矩形豁口的大小位置，对于和洞口边界有碰撞的砖，程序会修改4个变量挖出正确的豁口，一键生成排砖模型（图5）。研发基于图论算法的构造柱检查工具，可检查模型中自动布置的构造柱间距过密、过长、构造柱缺失等多种情况。构造柱检查3万 m2地下室仅需18 s，提升深化效率及质量。在上图东馆项目中运用数字化的砌筑解决方案，提供完整的深化建议、图纸、用量统计以指导项目砌筑施工，增强项目砌筑管理水平。图5 一键生成的排砖模型3.2 BIM数字测绘的施工监测上图东馆结构形式为悬挑钢结构，先安装临时拉撑后进行吊柱施工，吊柱施工完成后拆除临时拉撑，因此钢结构在各个阶段的形变控制是确保工程质量、安全的关键（图6）。临时支撑吊柱临时拉撑临时拉撑临时拉撑临时拉撑临时拉撑图6 悬挑钢结构形式目前，一些第三方机构对悬挑结构的变形监测基本不考虑悬挑构件本身的非线性变形（如横向扭转、纵向弯曲等），而直接对悬挑构件的外围端点（理论情况下的变形最大点）进行监测，以此监测结果服务于施工过程中的安全监测。而实际上，对于较大的悬挑构件（如钢结构、混凝土结构等）在施工过程中荷载变化情况下是否存在非线性变形，至今没有较好的手段能够探测，对其真实变形情况并不清楚，这也给悬挑结构施工的安全运行带来不确定性。因此，上图东馆采用三维激光扫描技术进行外业扫描、点云配准、坐标系转换、标靶识别，最终将处理完成的点云模型与BIM模型对比，进行结构形变分析以及色谱分析判定施工中的（非线性）变形情况，保证现场施工满足设计要求（图7）。对比分析北面西面点云模型钢结构BIM模型蓝色为沉降红色为上升图7 钢结构形变色谱分析3.3 BIM混合现实的质量验收为解决传统BIM模式下模型与现场脱离的问题，上图东馆在隐蔽工程验收、机电验收等环节增设基于MR的验收流程。采用了混合现实设备，将BIM模型带到现场进行11的投射，根据模型和现场的对比进行质量验收，避免因竣工复杂机电设备验收检测不直观，保障模型与现场一致性。并将验收结果标记在模型中，直观展示验收情况（图8）。3.4 基于BIM的施工全过程数字化管理系统3.4.1 部品化构件施工进度管理上图东馆钢结构及幕墙构件数量多，部品化构件的运输及安装是影响整个项目进度的关键路线。传统的报表方式下很难直观反映出施工进度及可能存在的进度问题。为解决这一问题，利用自主研发的Revit插件对钢结构、幕墙构件模型进行编