疫情下的超高層建筑 BIM 技術(shù)深化設(shè)計分析與建造優(yōu)化

沈夏磊

（廈門市建安集團(tuán)有限公司，福建 廈門 361000）

0 引言

2019 年 12 月至今，新型冠狀病毒 2019-nCoV 橫掃世界，給人民的生活和社會生產(chǎn)帶來前所未有的困難，工程建設(shè)領(lǐng)域亦深受影響。為了減輕疫情的影響，廈門國際悅海灣酒店項目技術(shù)組深入挖掘超高層建筑的技術(shù)特點，積極應(yīng)用 BIM 技術(shù)進(jìn)行設(shè)計分析，利用疫情的停工間歇，于現(xiàn)場施工前進(jìn)行數(shù)字化模擬施工，進(jìn)行建造優(yōu)化，為后續(xù)施工的開展創(chuàng)造大量的實用數(shù)據(jù)和價值，對疫情下的復(fù)工復(fù)產(chǎn)作出有力貢獻(xiàn)。

1 工程概況

廈門國際悅海灣酒店為廈門市重點項目，地點位于廈門市思明區(qū)演武大橋與演武路交叉口西北側(cè)，總建筑面積 104 712.97 m2，地下 2 層，地上為裙樓和酒店單體，總建筑高度 202 m。上部結(jié)構(gòu)型式為型鋼混凝土柱-鋼梁外框-混凝土核心筒帶加強層結(jié)構(gòu)組成的混合結(jié)構(gòu)體系，地下室為框架結(jié)構(gòu)體系，基礎(chǔ)形式為沖孔灌注樁基礎(chǔ)。疫情之前的工程進(jìn)度為主樓主體一層、裙樓地下室底板及局部地下土方工程。

2 施工重、難點識別［1］

1）施工重點?；踊炷了街尾鸪⒋蠼孛驿撝摻蠲芗惭b、高空大懸挑鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)平臺建造、管線綜合布置及土建沖突處置技術(shù)、幕墻安裝。

2）難點。在不發(fā)生疫情次生災(zāi)害的情況下高效組織復(fù)工復(fù)產(chǎn)，減少人員聚集，提高項目的質(zhì)量、安全、進(jìn)度、成本的管理水平，是本工程的難點。

3 深化設(shè)計分析

本項目在疫情的停工間歇期間，結(jié)合嚴(yán)峻的疫情形勢與施工現(xiàn)場的實際情況，通過 BIM 技術(shù)和建筑信息網(wǎng)絡(luò)管理平臺信息化措施，積極運用新技術(shù)、新工藝、新材料等進(jìn)行深化設(shè)計分析，以“無接觸”的型式用虛擬建造優(yōu)化過程技術(shù)，分析成果可用來及時調(diào)整、優(yōu)化并分解各階段和總進(jìn)度計劃，為后續(xù)施工的開展創(chuàng)造大量的實用數(shù)據(jù)和價值。

1）土方開挖分析［2］?；?BIM 模型整合土方開挖方案，把地下室土方開挖分為 9 個區(qū)域（見圖 1），以動態(tài)形式進(jìn)行整體方案模擬，作為土方開挖工作部署的依據(jù)。

圖1 地下室土方分區(qū)開挖

2）基坑支護(hù)分析。基坑支護(hù)工程中的底板高程點較多，施工難度大，結(jié)合 BIM 模型提前做好地下室支護(hù)體系的分析，確認(rèn)豎向支撐格構(gòu)柱與主體結(jié)構(gòu)相互關(guān)系，優(yōu)化建筑模型，發(fā)現(xiàn) 5 根格構(gòu)柱位置需作微調(diào)，以便于后續(xù)施工。

3）大截面鋼柱鋼筋密集安裝。本工程主樓部分每層設(shè)計 18 根 2.2 m×1.6 m 大截面型鋼柱，結(jié)構(gòu)節(jié)點區(qū)域鋼筋密集、復(fù)雜，梁筋大面積地穿透鋼柱，這需要在型鋼柱上鉆較多的孔眼，這不符合 JGJ 138－2016《組合結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》第 6.6.12 條中“柱內(nèi)型鋼的截面形式和縱向鋼筋的配置，宜減少梁縱向鋼筋穿過柱內(nèi)型鋼柱的數(shù)量，且不宜穿過型鋼翼緣，也不應(yīng)與柱內(nèi)型鋼直接焊接連接”的規(guī)定。經(jīng)深化設(shè)計后，技術(shù)組將鋼結(jié)構(gòu)與鋼筋的連接方式修改為套筒接駁器搭接，可滿足規(guī)范要求；另外，為確保連接位置的準(zhǔn)確性，避免現(xiàn)場開孔質(zhì)量難以控制而對結(jié)構(gòu)造成的損傷，減少疫情期間的工作量，技術(shù)組將鋼結(jié)構(gòu)與鋼筋連接節(jié)點在深化模型中一體化建模［3］，建立虛擬樣板（見圖 2），全面反映連接節(jié)點構(gòu)造、加固及鋼筋下料方式，在確保鋼筋數(shù)量、規(guī)格準(zhǔn)確的同時，又能在鋼筋與鋼結(jié)構(gòu)發(fā)生碰撞時進(jìn)行微調(diào)，保證了節(jié)點精準(zhǔn)度，且形成的模型可直接用于鋼結(jié)構(gòu)加工。

圖2 大截面型鋼柱結(jié)構(gòu)節(jié)點區(qū)域鋼筋安裝分析

4）管線綜合布置及土建沖突技術(shù)分析。在本企業(yè)近年來發(fā)布的省級工法 FJJSGF 45－2016《管線綜合布置工法》的指導(dǎo)下，應(yīng)用 BIM 技術(shù)對地下室和樓層的管線布置進(jìn)行優(yōu)化分析，提前發(fā)現(xiàn)各專業(yè)的設(shè)計與施工問題，提請在建各方確認(rèn)和修改；在地下室和樓層的土建專業(yè)分析中，提前發(fā)現(xiàn)設(shè)計與施工問題，應(yīng)用 BIM 技術(shù)進(jìn)行分析、優(yōu)化。

5）施工電梯和塔吊分析。結(jié)合地下室管綜成果，確定施工電梯和塔吊位置，協(xié)調(diào)管線安裝，減少后期因塔吊、施工電梯的拆除而影響管線。

6）樓層分析。分析后發(fā)現(xiàn)，雖然本項目各專業(yè)圖紙比較完整，但還是在結(jié)構(gòu)預(yù)留存在 24 處、綜合碰撞 64 處、高低板 17 處、凈高問題 21 處、設(shè)計矛盾 31 處、圖紙出入 12 處問題。

7）幕墻安裝分析。在深化設(shè)計幕墻方案過程中，發(fā)現(xiàn)原設(shè)計的構(gòu)件式幕墻現(xiàn)場安裝需要 10 個工序，而單元式幕墻只需要 5 個工序。若是能將構(gòu)件式幕墻優(yōu)化為單元式幕墻，將更能符合疫情下的施工管理形勢，而且不改變建筑室內(nèi)和室外的建筑效果，亦可提高幕墻系統(tǒng)的氣密性、水密性、抗風(fēng)壓等性能，更好地適應(yīng)主體結(jié)構(gòu)變形，進(jìn)而提升建筑工程品質(zhì)，減少施工安全風(fēng)險，節(jié)省施工周期和成本。

8）高空大懸挑鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)平臺建造分析。高空大跨度的懸挑平臺結(jié)構(gòu)位于 34 至 35 層（見圖 3），下部離地 154.85 m，結(jié)構(gòu)層高 4.5 m，最大懸挑為 9.6 m，懸挑面積 168 m2。以 SRC 結(jié)構(gòu)為主，由兩個斜撐桁架做加強結(jié)構(gòu)。用 BIM 技術(shù)分析懸挑點位放樣方法，提前確定測量放線方案，用引測法確定外圍折角弧形鋼筋混凝土梁的測量控制點，作為后續(xù)施工的依據(jù)。

圖3 159 m 高空外懸挑 9.3 m 結(jié)構(gòu)分析

4 BIM 技術(shù)建造優(yōu)化措施

應(yīng)用連接建設(shè)各方的 BIM 建筑信息網(wǎng)絡(luò)管理平臺，在實現(xiàn)虛擬建造的同時，可實現(xiàn)建造信息及時地互通互聯(lián)，為建造的優(yōu)化提供實際的解決方案。

4.1 虛擬建造

運用 BIM 技術(shù)進(jìn)行虛擬建造，將 BIM 技術(shù)設(shè)計分析的結(jié)果和工程經(jīng)驗導(dǎo)入三維圖紙，進(jìn)行碰撞檢測、能耗分析和成本預(yù)測等，過程中各個專業(yè)相互協(xié)同，虛擬模型可以在施工之前把施工方法、施工過程模擬和施工方案等關(guān)于工程的功能和建造性等潛在問題進(jìn)行預(yù)測，這對疫情下的施工建造有著重要意義。

4.2 BIM 建筑信息網(wǎng)絡(luò)管理平臺（見圖 4）

建立連接建設(shè)、設(shè)計、監(jiān)理單位的BIM建筑信息網(wǎng)絡(luò)管理平臺，實現(xiàn)建筑信息的互聯(lián)互通、數(shù)據(jù)應(yīng)用、協(xié)同共享、綜合展現(xiàn)，以“無接觸”的型式，搭建一個以進(jìn)度為主線，以項目為主體的多方協(xié)同、多級聯(lián)動、管理預(yù)控、整合高效的智能化生產(chǎn)管控平臺，對項目進(jìn)度進(jìn)行階段性的分解、優(yōu)化，將 BIM 模型與進(jìn)度計劃、材料供應(yīng)計劃、設(shè)備供應(yīng)計劃等結(jié)合起來，可以對項目進(jìn)行虛擬建造，特別是關(guān)鍵部位，關(guān)鍵節(jié)點的施工，提前預(yù)知可能出現(xiàn)的問題，判斷施工工藝是否合適，工序是否合理，材料設(shè)備供應(yīng)是否充足，更加合理地配置勞動力計劃、材料計劃及設(shè)備計劃，達(dá)到節(jié)省工期，節(jié)約成本的目的，提高項目管控水平，保障工程質(zhì)量、安全、進(jìn)度等建設(shè)目標(biāo)的順利實現(xiàn)。

圖4 BIM 建筑信息模型多方協(xié)同管理平臺

5 建造優(yōu)化的效果

深化設(shè)計分析后，后續(xù)的建造過程技術(shù)得到了優(yōu)化，能及時調(diào)整、分解各階段和總進(jìn)度計劃，提升項目應(yīng)對重大疫情條件下的施工管理水平，為制定詳細(xì)的復(fù)工方案和應(yīng)急預(yù)案提供了有力的保障。

5.1 基坑混凝土水平支撐拆除優(yōu)化的效果

通過 BIM 模型對支撐拆除工序進(jìn)行模擬，并對運輸動線進(jìn)行檢討，提前發(fā)現(xiàn)解決路線障礙問題 2 處，同時輸出視頻動畫用于對班組的技術(shù)交底，生成二維碼，便于班組學(xué)習(xí)，可較原定計劃提前 4 d 完成拆撐工作。

1）工期優(yōu)化。經(jīng)初步測算，優(yōu)化后可節(jié)約工期 4 d，可實現(xiàn)工期管理的優(yōu)化。

2）成本和質(zhì)量優(yōu)化。工藝水平的提高，帶來支撐拆除工序的優(yōu)化，每天可減少用工 3 人，功效可提高 10 %，節(jié)約成本 12 萬元，實現(xiàn)了成本和質(zhì)量管理的優(yōu)化。

3）安全管理優(yōu)化。建立的支撐拆除 BIM 模型模擬技術(shù)，不但可以生成二維碼用于對班組的技術(shù)交底，還降低了安全隱患，實現(xiàn)了安全管理的優(yōu)化。

5.2 大截面型鋼柱鋼筋密集安裝優(yōu)化的效果

通過 BIM 模型對型鋼柱節(jié)點建立虛擬樣板，在工地建立 1∶1 實體樣板，用于對班組的技術(shù)交底，明確施工要點、重點，提高班組的型鋼梁柱的鋼筋施工效率，人工功效提高 10 %，可節(jié)省工期 18 d，節(jié)約成本 12 萬元。

5.3 159 m 高空外懸挑 9.3 m 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)平臺［4］優(yōu)化的效果

基于 BIM 模型分析的成果進(jìn)行建造優(yōu)化后，制定后續(xù)的模板支撐施工專項方案，懸挑施工平臺的安裝可借助塔吊吊裝輔助完成，待 34 層梁板澆搗完成后，結(jié)構(gòu)強度達(dá)到設(shè)計值后，模板支撐體系方可進(jìn)行拆除。

另外，該平臺的用途為觀景平臺，為便于疫情下的項目管理，已向甲方和設(shè)計提出優(yōu)化方案，將鋼混結(jié)構(gòu)的懸挑平臺修改為鋼結(jié)構(gòu)，可節(jié)約建設(shè)資金，降低施工風(fēng)險，縮短工期。

5.4 管線綜合布置及土建沖突處置技術(shù)應(yīng)用優(yōu)化效果

在本企業(yè)近年來發(fā)布的省級工法 FJJSGF 45－2016《管線綜合布置工法》的指導(dǎo)下，應(yīng)用 BIM 技術(shù)對地下室的管線布置進(jìn)行優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)并解決了地下管線碰撞沖突約 1 萬多處；另外，提前發(fā)現(xiàn)了土建 86 處、機電 113 處設(shè)計沖突及問題，繪制深化設(shè)計詳圖：預(yù)留洞口圖 20 張、管線綜合及單專業(yè)圖 90 張、待確認(rèn)出圖 15 張。設(shè)計根據(jù) BIM 意見修改聯(lián)系單：建聯(lián) 13 張、結(jié)聯(lián) 17 張、水聯(lián) 6 張、電聯(lián) 4 張、暖聯(lián) 5 張，共計 136 條。經(jīng)測算，預(yù)計可節(jié)省工期 27 d，節(jié)約成本約 286 萬元。

5.5 幕墻安裝技術(shù)優(yōu)化的效果

單元式幕墻安裝工序較少，安全管理效率高，且工期較短，質(zhì)量有保證，可大大降低綜合成本。選用優(yōu)化后的單元幕墻方案較原方案可節(jié)約工期 5 個月，縮短總工期 70 d，功效大幅提高，實現(xiàn)了質(zhì)量、安全、成本和工期管理的優(yōu)化。

6 經(jīng)濟(jì)和社會效益

在對施工圖進(jìn)行深化設(shè)計分析后，發(fā)現(xiàn)本項目在結(jié)構(gòu)預(yù)留、綜合碰撞、高低板、凈高問題、設(shè)計矛盾、圖紙出入等方面存在問題，技術(shù)組根據(jù)項目的實際工況進(jìn)行建造優(yōu)化，現(xiàn)已累計出圖 100 余張，取得了良好的效果。

6.1 經(jīng)濟(jì)效益

在深化設(shè)計與建造優(yōu)化后，項目的投資回收期、投資回報率等財務(wù)指標(biāo)得到改善，節(jié)約了工期和成本，顯示出降本增效的良好效果（見表 1），體現(xiàn)出 BIM 技術(shù)應(yīng)用與虛擬建造的先天優(yōu)勢。

表1 經(jīng)濟(jì)效益合計匯總

6.2 社會效益

廈門國際悅海灣酒店是廈門市新的地標(biāo)性超高層建筑，定位為超五星級酒店項目，與廈門大學(xué)、南普陀寺、世茂海峽大廈等著名景點相鄰。疫情期間，項目積極應(yīng)對，盡快恢復(fù)生產(chǎn)、抓緊復(fù)工，克服重重困難，實現(xiàn)了質(zhì)量、安全、進(jìn)度、成本的多重收益，獲得各方的好評。

7 結(jié)語

BIM 技術(shù)對施工難度大、工序復(fù)雜的超高層建筑有先天優(yōu)勢，可引領(lǐng)整個建造過程。本項目在疫情的停工間歇期間，項目技術(shù)團(tuán)隊積極應(yīng)用 BIM 技術(shù)進(jìn)行施工前的設(shè)計分析，深化設(shè)計與施工方案，于現(xiàn)場施工前進(jìn)行數(shù)字化模擬施工，進(jìn)行建造優(yōu)化，為后續(xù)施工積累了大量的實用數(shù)據(jù)，為疫情下的復(fù)工復(fù)產(chǎn)作出有力貢獻(xiàn)，可為后續(xù)超高層建筑的建設(shè)提供更多的啟發(fā)和參考。