国家体育场也被称为鸟巢，是2008年北京奥运会的主要场馆。这个体育馆由两个独立的结构组成，一个七层的混凝土结构，最多可容纳91000名观众，座位围墙与外围钢框架结构的距离为50英尺，是一座重达42000吨的鞍形椭圆钢结构。钢结构以数千个钢构件构成，形成鞍形屋顶，并结合形成鸟巢的形状而闻名。体育场总容积三百万立方米，被认为是世界上最大的封闭空间。

这个独特的结构由由瑞士赫尔佐格和德梅隆设计事务所以及中国建筑设计研究集团共同设计。主要建筑承包商为中信国际承包公司，北京机械工程公司进行土方和基础处理工作。奥雅纳工程顾问公司负责结构工程，机电工程，消防安全工程和声学设计。

由于结构的特殊性，该项目在建设时面临许多困难：

（1）工程组织难度大

在进行体育馆主结构吊装时，基层土建施工还未结束，现场组装正在大面积解展，故存在多方施工交叉作业现象。加之现场场地狭小，施工场地布置、构件运输及大型吊机行走路线等受到很大限制。同时，本工程结构复杂，各吊装分段之间相互关联，必须按一定顺序进行组装、吊装，否则将出现窝工现象。各施工方需合理协调、统筹管理，工程组织难度大。

（2）结构安全问题

由于设计复杂，整个施工过程中结构的安全问题需要慎重考虑。主体结构主要由24个主柱支撑，每个主柱重达1000吨，比其他场馆常规使用的主柱重了很多。由于起重机没有足够的力量来提升它们，这些主柱是以部件的形式运输并组装在一起的，在安装的过程中需考虑三向受力。

（3）协调问题

由于该项目涉及世界各地的众多参与者，对协调与合作的要求很高。每个设计部门之间应合作进行协同设计，以确认是否存在设计冲突。设计和要求应准确地交付给承包商，由于建设该项目的承包商众多，现场协调尤其重要。在这种情况下，3D模型和4D施工模拟是使业主、承包商和工人了解独特设计和施工过程的最佳工具。

（4）有限的时间

虽然项目施工解始于2002年初，由于天气条件恶劣以及一些限制因素,施工日程安排仍然很紧凑。钢结构单元要精确组装，任何计算错误都会造成巨大的经济损失和严重的时间延误。进度管理是一项具有挑战性的工作。为了解决.上述问题，该项目利用了4D模型系统，通过施工过程模拟，协助结构安全分析，检测施工或进度冲突，并加强了不同参与者之间的协作与沟通。

实施过程：

包括立柱、横梁、平板和电梯墙在内的三维混凝土框架模型首先由国际金融公司与中国建筑科学研究院以IFC文件格式建立，3D建模主要基于建筑师提交的二维设计图，时间进度方面根据承包商提供的进度计划建立了包含2459个节点的工作分解结构(WBS)。此后通过4D建模系统将3D模型中的构件与WBS中的节点相连接。资源、材料和施工荷载等信息也纳入了4D结构模型中。

4D模型生成后，项目团队进行了施工模拟以计算特定时期的资源需求。每个当前正处于施工状态的组件都可以在3D环境中由可视化控制器进行着色，用户可以通过模拟了解施工过程和进度。建筑工人、承包商和管理人员能够明确工作任务，增进对工作的了解并提高效率。

4D模型的另一个用途是分析结构安全性。根据相关结构理论，在4D模型中创建了包含单位类型，关键点，元素，网格强度，边界条件和载荷条件信息的APDL文本文件。安全分析由ANSYS软件进行。该结果显示，在五楼的建设过程中混凝土板的荷载量达到最大值。

因此，项目经理及施工方进一步进行了对材料强度和结构稳定性的分析，并提出了加强结构安全的措施。

案例研究结果表明，4D模型显着提高了对复杂结构的安全分析效率，并实现了结构的实时分析。此外，4D施工模拟过程大大提高了工人、承包商和管理人员之间的沟通效率，任何由进度计划或设计变更引起的重新计算都可以高效准确地进行处理。

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