BIM案例丨BIM技术在大型复杂交通建筑中的应用——以南京禄口机场二期航站楼项目为例

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摘要：

南京禄口国际机场二期工程为江苏省重点项目通过BIM技术的研究和实践，克服了技术阻碍，确保了项目的顺利进行，同时为以后同类项目的建设提供可借鉴的经验。

项目简介

南京禄口国际机场二期工程为江苏省重点项目，新建T2航站楼的建筑面积为26万m2，要求满足年处理旅客1800万人次规模，与原有T1航站楼共同承担3000万人次吞吐量。工程计划于2014年青奥会前投入使用，全面满足青奥会的运营需求，同时打造江苏省及南京市全新的门户形象(图1)。

南京是六朝古都、十朝都会，素有“虎踞龙盘”之称。T2航站楼以“风从虎。云从龙”为设计理念，形体轻盈通透，充满张力。飘逸舒展的复杂曲面顶盖，如行云流水，气势非凡，整体采用“大跨度、小曲率、多变化”的结构形式，属国内首创(图2)。

BIM技术在复杂屋盖设计中的应用

在南京禄口国际机场二期航站楼项目的BIM应用过程中。我们设定的实施目标是基于BIM技术的设计施工一体化，其中最具特色的是屋盖系统。该项目的屋盖曲面极为复杂，屋盖体系分为四个层次，从上至下分别为金属屋面、钢结构桁架、吊顶和下部支撑结构(图3)。

图3纬向剖面示意图

具体实施流程如下：

(a)利用参数化技术手段完成复杂屋盖形体的找形；

(b)在BIM模型中构建结构计算单线模型，并导入专业分析软件中进行演算。完成结构设计；

(c)将结构设计数据整合到BIM模型中进行设计校核，并进行三维协调、修改设计；

(d)利用确定设计的BIM模型直接导出屋盖部分施工图(图4，5)；

(e)将屋盖BIM模型提供给施工深化单位进行深化设计。并对其深化引M模型进行校核。施工单位依据BIM模型进行下料、加工、安装；

(f)当现场安装出现问题时，利用BIM模型比对现场照片，结合现场实地测量，找出问题责任方，快速解决现场问题(图6)。

在屋盖系统的设计流程中，BIM模型作为一个信息传递的统一载体贯穿了项目的全过程。各参与方通过这一载体完成了交互式协同，提高了工作效率，保证了项目高品质地顺利实施。

图4屋面部分建筑平立剖面图

图5屋盖部分大样及屋盖三维定位图

图6BIM模型与现场实际比对

基于BIM的参数化找形

屋盖造型如同一片云彩中变化出“龙的背脊”，为构建这一复杂的曲面造型，我们运用了Rhin05.0软件及其参数化插件Grasshopper，利用软件在曲面表达、参数化关联方面的优势，实现了建筑设计意图的完美表现。

首先我们确定“云彩”的边界条件，并绘制参数可调的简单曲线作为主楼屋盖的轮廓。“龙的背脊”可以用横波来描述，利用单弧线控制波峰、波谷高度，并将波峰、波谷的平面位置与轴线一一对应。通过横波线和轮廓线可以确定屋盖造型的经向控制线，从而生成屋盖的参数化三维模型(图7)。

图7主楼屋面几何形态构成图

对于复杂异形屋面，排水设计尤为关键。通过编写GH程序，我们可以在屋面Rhino模型中平均选取一些采样点进行排水坡度的分析，找出排水不利点，通过调整曲面造型或者增加排水设施等方法满足屋面排水设计的要求。同时，利用BIM模型可以快捷地统计出汇水面积，为排水设计提供准确的数据支撑(图8)。

图8屋面排水分析图        图9版块分析图

为实现屋面造型的完整性效果，在实际施工时需将屋面划分为条板，进行错缝平铺安装。通过GH参数化的控制手段，调整设定的板宽数据和板缝数据，可及时反映完工效果，方便设计人员判定是否达到预期。由于屋面造型极其复杂、板块单元超长等原因，会导致平板铺设时板缝不齐，因此在屋面条板安装时需对材料进行拉伸操作以调整间隙。而且，在设计过程中需考虑材料的延展性，对划分方案进行可实施性分析。运用参数化程序可获取空间板块问缝隙变化，计算出理论延展系数，将其与材料实际参数进行比对验证(图9)。

为保证完工效果，通过BIM模型出具屋面控制点定位图。从而指导施工方精确地完成屋面安装，体现设计意图。明确控制点采样方法和坐标系原点后，在BIM模型中利用参数化技术确定控制点坐标，并为其按一定逻辑进行编号，同时导出含有点编号和点坐标的Excel表格，完成屋面控制点定位图，连同BIM模型一起交付给施工方进行深化设计及安装。

基于BIM的结构设计

复杂屋面形态带来了结构局部跨度大，结构单元超大、超长。下部支撑结构受力不均等结构设计难点，使结构分析显得尤为重要。通过B|M构建的模型可以准确地反映了结构空间布置。精准的三维定位为结构分析打下了扎实的基础。T2航站楼主楼部分钢结构屋面为悬臂柱支承的大跨度空间曲面网格钢结构体系(图10)，其结构分析流程如下：

(a)构建上部结构中心线所在曲面的BIM模型(以下简称结构曲面模型)

上部结构中心线所在的曲面，由建筑完成面偏移而来。偏移距离为建筑构造最小厚度与最大结构杆件管径之和，前者由建筑设计构造方式决定，后者需要由结构估算、试算确定。

(b)确定结构平面网格

上部结构平面网格是指上部结构上、下弦杆以及腹杆在XY平面上的投影。在建筑完成面基础之上，依据给定的建筑轮廓，确定合理的结构单元尺寸和形式，利用参数化的手段依次绘制上、下弦杆和腹杆的平面网格，并将三者分图层、分颜色。

(C)完成钢结构单线模型

利用绘制好的结构平面网格投影到结构曲面模型上，形成上部钢结构空间模型，结合下部支撑结构单线模型，最终形成主楼部分钢结构单线模型。

(d)结构试算

将钢结构单线模型导出为dwg格式，与PKPM导出的混凝土单线dwg文件进行整合，完成主楼部分结构单线模型。用3D3S软件打开主楼部分结构单线模型，分图层赋予结构杆件相应的材性、属性。按导荷载的方法在上弦施加恒、活、风荷载，施加地震力与温度作用。最后在柱底施加相应的约束，进行结构试算(图11)。

(e)结构验算

3D3S软件试算完成并初步判断模型正确后，可将模型导出为S2K文件，同时用SAP2000软件读入S2K文件，在SAP文件中重新施加一下地震质量源、地震荷载、温度荷载，将计算结果与3D3S软件结果进行比对，如果相符则完成结构验算，结构分析结果可作为下一步结构设计依据。

2.3基于BIM的设计校核

在完成屋盖桁架设计模型并获得施工单位的深化设计模型后，为保证设计质量把控最终的施工效果。我们需要对模型进行校核。将模型以3dm或者dwg格式整合导入Rhino软件中，通过软件自带功能检测各专业模型是否发生碰撞，确定发生碰撞的位置和碰撞的程度，并及时反馈给设计人员，同时进行BIM模型的修改。

BIM技术在复杂空间协同设计中的应用

在机场设计中，行李分拣运输系统因其机械排布极为复杂，设计难度尤为突出。T2航站楼的行李系统设在特定的设备夹层内，同时机电管线也遍布其中，这就造成了小空间内多专业聚集的情况，给设计带来了极大的挑战。

行李系统有别于常规系统之处在于其对行李传送带和检修平台均有净空要求。利用行李系统设计单位的深化模型，我们进一步添加净空信息，完善行李系统模型。在设计过程中利用Revit系列软件构。

建土建、机电模型，整合行李系统模型，导出NWC格式文件。通过Navisworks软件进行漫游和碰撞检查，对不同专业的模型进行设计校核，对发现的问题进行标记，并提出修改意见。同时将碰撞报告反馈给各专业设计师及行李系统设计单位，利用BIM模型协调解决碰撞问题(图12)。行李系统大量的机械设备需要结构提供预埋连接件。通过BlM模型，结构专业可直观地发现行李系统的预埋需求。快速准确地完成结构预埋设计工作。

图12行李系统复杂空间协调

结语

南京禄口国际机场二期航站楼项目采用国内首创的“大跨度、小曲率、多变化”结构金属屋盖系统，在建设过程中遇到了许多新问题。通过BIM技术的研究和实践，我们克服了技术阻碍，确保了项目的顺利进行，同时为以后同类项目的建设提供可借鉴的经验。在复杂曲面设计、施工和协同工作方面，BIM技术展示出其强大的解决实际问题的能力。我们相信BIM技术是对整个工程建设行业技术的一次革命，是引领行业信息技术走向更高层次的一项创新，BIM技术势必将在不久的未来成为行业的主流设计力量。

项目概况

业主单位：南京禄1：3国际机场二期工程建设指挥部

建筑设计单位：华东建筑设计研究总院建筑设计

项目负责人：郭建祥

建筑设计团队成员：夏崴、付小飞、吕程、冯昕等

BIM设计负责人：李远晟

BIM设计团队成员：朱洲江、陈理明、陈顺、高鹏等

摄影，图片版权：华东建筑设计研究总院

来源：建筑技艺杂志