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大型公共展馆建筑具有大空间、大跨度、大层高等特点，使得建筑受力复杂，造型变化梯度大，连接节点深化难度大，施工建造技术复杂，对设计、施工建造环节提出了较高要求。本文以湖北省科技馆新馆为例，运用BIM技术解决设计过程中的大空间中声学问题，基于Tekla进行钢结构深化设计，结合BIM、二维码等技术数字化建造施工过程，施工组织过程可视化管理，极大提高了施工建造生产效率，降低了质量控制的风险，为大型展馆的建设提供经验借鉴。
图 1 项目钢结构整体概况图
1项目概况
湖北省科技馆新馆位于武汉市光谷五路以东、高新大道以北，建筑面积70300m2，项目由主展馆科技馆、球幕影院、动力中心三个部分组成，本工程地上四层，局部设夹层，建筑高度51.1m，最大层高17.5m。项目建成后将成为国内一流、中部领先的新一代现代化数字科技馆。
湖北省科技馆新馆项目，采用钢框架—支撑+跨层桁架+屋面桁架及单层网壳结构。建筑占地为158.4×150m，横向跨19轴(1－19轴)，纵向跨20轴(A－V轴)。湖北省科技馆新馆钢结构主要由五个部分组成：
(1)核心筒钢结构；
(2)二层以下钢框架；
(3)二层至三层间环形跨层主桁架+旋转悬挂
结构面；
(4)三、四层钢桁架；
(5)中庭沉浸影院网壳结构。
具体如下图1、图2所示。
图 2 项目层高示意图
2基于BIM协同化设计
2.1声学模拟
项目中庭沉浸式影院空间大，且四周围合，极易产生噪声与回声、混响时间长的声学问题。声学问题是困扰大型展馆建筑的最主要问题之一，此问题直接关系着建筑物使用舒适程度。
基于BIM的虚拟现实技术，在设计阶段，通过不断调整吊顶和墙面布置吸声材料的方式提高中庭的整体吸声量，使声能可以得到快速的衰减。针对影院设备噪声对中庭的干扰问题，通过调整吸声材料的类别、面积以及铺设方式，将逸散的声能吸收。同时有效解决了声聚焦的声缺陷。也能够通过降低中庭内部混响时间，提高语言清晰度。通过Revit不断调整材料的各项参数，精确设定各项指标控制值，通过模拟、对比分析、筛选，室内混响时间及其频率特征、语言传输参数以及背景噪声允许值均满足对应指标要求。如图3沉浸影院的混响时间缩短至原始状态的1/3，过长的混响时间得到明显改善。BIM这一关键技术的应用，不仅在声学方面，还能在光学、消防逃生等方面得到很好应用。
图 3 沉浸影院混响时间分布图
2.2钢结构深化设计
项目施工图设计阶段钢结构规模为2.5万t，深化完成后实际的钢结构规模为3.5万t，主要原因是深对节点的深化时，为确保受力与结构安全，节点间需增加大量的隔板与牛腿，导致节点构件异常复杂，由此也说明，深化设计的复杂程度与重要性。经过对比分析现阶段常见的钢结构深化设计软件PKPM、3D3S、MTS、Tekla等，结合项目BIM模型平台Revit的兼容与项目的复杂程度，本文选择基于BIM的Tekla深化设计。Tekla能方便、快捷地建出整体模型、能快速建立次梁连接节点、能准确快捷地导出深化图纸，由三维模型直接出图，自动生成材料明细表，全过程实现自动化，能最大程度地减少图纸错误。
图 4 钢结构深化设计流程
2.2.1深化设计流程
深化设计的节点构造、放样、工艺设计、制作、运输、吊装等过程在BIM模型文件中可以体现，BIM模型文件是指导工厂加工及现场安装的有效文件，可以快速导出预埋件构件平面布置图、构件立面布置图、零件图、构件清单、零件清单、螺栓清单等。具体流程如图4。
图 5 设计、加工与安装三维度协同
2.2.2设计加工安装协同化
基于BIM的建筑信息共享性，以Revit为平台，针对所有零构件均能在同一个界面实现设计、加工、施工信息的共享，为工程不同的管理人员提供了不同的查看方式———3D模型、二维图纸、物料清单表格、数控管理文件。实现工程数据多维度表达，多环节使用，如图5设计、加工与安装三维度协同。
图 6 碰撞检测校核模型
2.3设计错误识别
省科技馆新馆项目作为大空间公共建筑，涉及给排水、中水回收、通风、消防、空调机电等多种专业，项目的桥架、风管、支架、电缆、给排水管、消防管、空调管等设备管道众多，允许安装的空间有限，如何在有限的空间将不同专业的管道合理准确设计布置对传统二维设计难度较大。传统的二维图纸设计中，在结构、水暖电等专业图纸汇总后，由总图工程师人工发现和解决不协调问题，对设计人员的技术能力、专业水平提出较高要求，同时需要大量的时间与精力。采用二维图纸进行会审，人为的失误在所难免，使施工出现返工现象，给进度控制与投资控制带来极大挑战。应用BIM技术进行三维管线的碰撞检查，不但能够彻底消除硬碰撞、软碰撞，优化工程设计，减少在建筑施工阶段可能存在的错误和返工的可能性，对空间优化，管线、桥架合理排放布局也有很好的功效。工程师可以利用检测后的效果图与方案，组织施工交底、模拟施工，极大提高施工质量与业主沟通效率。省科技馆新馆项目在设计阶段，设计各专业基于Revit平台，共享项目所有信息，各专业设计完成后，统一集成在BIM模型中，对全部的构件单元进行碰撞冲突检测，对有冲突构建生成检测报告并标记，根据检测报告修改冲突设计，实现“零设计变更”，如图6碰撞检测后的设计模型。
本文作者：赵伟佳 刘成伟 明德刚 陈松清（武汉光谷地产有限公司）
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