BIM技術(shù)在超高層建筑設(shè)計(jì)階段的應(yīng)用研究
——以?？谥薪粐H中心項(xiàng)目為例

于 靜，王俊峰，王麗娟，鐘顯彬，柳鵬鵬

1.?？谥薪粐d實(shí)業(yè)有限公司，海南 ?？?570100

2.中交武漢智行國際工程咨詢有限公司，湖北 武漢 430000

建筑行業(yè)是我國的排碳大戶，《中國建筑節(jié)能年度發(fā)展研究報告2020》[1]顯示，2018年全國建筑全過程的碳排放總量為49.3億t，占全國碳排放比重的51.3%。到2060年，全球的建筑面積預(yù)計(jì)將翻一番，我國對全球的承諾是力爭2030年實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，努力爭取2060年實(shí)現(xiàn)碳中和。低碳要求已迫在眉睫，對于建筑行業(yè)而言，一方面要采用低碳、環(huán)保的建筑材料，另一方面要運(yùn)用低碳的建造方式，通過利用建筑信息模型（BIM）技術(shù)智能與高效的建設(shè)方式來消除浪費(fèi)和避免不必要的碳排放，從而達(dá)到節(jié)省資金、能源、時間以及材料的目的。

張建偉[2]詳細(xì)分析了BIM技術(shù)在房建項(xiàng)目中的一些重要價值應(yīng)用，為后期BIM技術(shù)的實(shí)踐應(yīng)用打下了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。陶海波等[3]以重慶的寫字樓為實(shí)際工程案例，分析了BIM技術(shù)在該項(xiàng)目中體現(xiàn)的作用，指出未來建筑行業(yè)的新模式。廣聯(lián)達(dá)科技股份有限公司通過調(diào)查問卷形式對2020年建筑業(yè)應(yīng)用BIM技術(shù)的現(xiàn)狀進(jìn)行了分析，從應(yīng)用時間、項(xiàng)目個數(shù)、資金投入、成果等方面進(jìn)行了詳細(xì)調(diào)研，得出了具有行業(yè)參考的分析數(shù)據(jù)[4]。王婷婷[5]研究了BIM技術(shù)在房建工程計(jì)量中的應(yīng)用效果，提出行業(yè)應(yīng)主張使用BIM技術(shù)進(jìn)行項(xiàng)目全壽命周期的管理，用以進(jìn)一步提高項(xiàng)目管理質(zhì)量和計(jì)量精度。涂剛要等[6]以多個工程經(jīng)驗(yàn)總結(jié)了BIM技術(shù)在綜合體項(xiàng)目中管線綜合排布的應(yīng)用價值，詳細(xì)闡述了以三維指導(dǎo)二維施工的方法，有效減少了不必要的返工和資源浪費(fèi)。

1 項(xiàng)目概況

?？谥薪粐H中心項(xiàng)目位于海南省?？谑忻捞m區(qū)國興大道以東，是中國交通建設(shè)集團(tuán)有限公司傾力打造的集“商務(wù)辦公、活力商業(yè)”于一體的5A級超高層商務(wù)綜合體，總建筑面積約13.6萬m2，地上2棟單體南北布置，居中對齊。主塔樓布置南側(cè)靠近國興大道，建筑高度為211.6m（室外地坪至幕墻最高點(diǎn)），共計(jì)44層。地塊北側(cè)布置3層商業(yè)裙房，2棟單體之間依靠位于第3層的室外連廊聯(lián)系在一起。

項(xiàng)目涵蓋了超高層辦公建筑、商業(yè)、地下車庫、機(jī)房等多種功能建筑，機(jī)電管線系統(tǒng)極為復(fù)雜。塔樓為超高層鋼結(jié)構(gòu)體系且每層面積均不一致，塔樓裝配率達(dá)到76.6%，商業(yè)裙房外立面為曲面異形幕墻，傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)已不能滿足這種項(xiàng)目高質(zhì)量精細(xì)化施工建造，因此引入BIM技術(shù)，從施工圖設(shè)計(jì)階段開始進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)，通過管綜優(yōu)化、圖紙會審、孔洞預(yù)留、凈高分析等措施，保證出圖質(zhì)量和施工質(zhì)量。

2 BIM技術(shù)的具體應(yīng)用

該項(xiàng)目管線綜合排布采用伴隨式設(shè)計(jì)模式，這個模式的關(guān)鍵在于如何在設(shè)計(jì)過程中實(shí)時構(gòu)建三維BIM模型并驗(yàn)證設(shè)計(jì)問題，設(shè)計(jì)師與BIM工程師的高效協(xié)同模式能顯著提高工作效率和圖紙質(zhì)量，但這對BIM工程師的專業(yè)技術(shù)水平和設(shè)計(jì)意圖理解提出了新的挑戰(zhàn)。

2.1 管線綜合排布設(shè)計(jì)

針對超高層建筑的特點(diǎn)，在建模過程中通過結(jié)合項(xiàng)目特點(diǎn)的確定了管綜優(yōu)化重點(diǎn)應(yīng)用的位置，主要有地下室、3個樓層的避難層、避難層的下一層、標(biāo)準(zhǔn)層以及大堂層，如圖1所示。這些區(qū)域的管線密集且凈高要求不同，BIM單位與設(shè)計(jì)院的伴隨式協(xié)同方式，利用三維管線可視化設(shè)計(jì)，通過結(jié)合項(xiàng)目特征對各區(qū)域凈高進(jìn)行反復(fù)推敲校核，擬定相應(yīng)管線排布方案，完成了對各復(fù)雜區(qū)域的管綜設(shè)計(jì)，并結(jié)合排布方案制定了各專業(yè)施工工序，有效指導(dǎo)現(xiàn)場施工，避免交錯施工帶來的不利影響。

圖1 項(xiàng)目建模圖

地下空間管線如圖2所示，平面凈高布局如圖3所示。通過管綜排布后，檢查各安裝區(qū)域的凈高，尤其是特殊區(qū)域，如卸貨區(qū)、停車區(qū)域、柴油發(fā)電機(jī)房等，結(jié)合設(shè)計(jì)意見修訂風(fēng)管尺寸、管道布局后，達(dá)到凈高要求。

圖2 地下室機(jī)電模型圖

圖3 地下一層各區(qū)域凈高布局圖

23F避難層管線穿鋼結(jié)構(gòu)斜撐如圖4所示。避難層管線穿避難層鋼結(jié)構(gòu)斜撐，可利用空間有限，且管線眾多，利用三維可視化排布，合理利用三角區(qū)域穿插管線，解決了鋼結(jié)構(gòu)和管線碰撞問題，同時確保了避難區(qū)域凈高。

圖4 23F避難層管線穿鋼結(jié)構(gòu)斜撐

在管線全部排布完成后，利用模型進(jìn)行穿墻開孔和套管預(yù)埋定位，并利用BIM軟件出圖，復(fù)核原設(shè)計(jì)結(jié)果，規(guī)避傳統(tǒng)預(yù)留預(yù)埋的錯漏，尤其是對重力水管穿結(jié)構(gòu)墻的防水套管定位進(jìn)行了精準(zhǔn)核查，從而確保前期預(yù)埋孔洞的位置正確，管道排水順暢。

最終，基于BIM技術(shù)與項(xiàng)目設(shè)計(jì)單位協(xié)同完成了整棟建筑的管線綜合優(yōu)化，全過程提出了80余項(xiàng)管線布置方案和30余項(xiàng)審圖建議，擺脫了傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)方式的羈絆，減少了因技術(shù)錯誤或圖紙理解錯誤帶來的問題約25處，提高了設(shè)計(jì)圖紙質(zhì)量，預(yù)計(jì)可減少因圖紙錯誤導(dǎo)致變更及返工的工程成本約100萬元。

2.2 異形幕墻深化設(shè)計(jì)

主塔樓為超高層鋼結(jié)構(gòu)主體塔樓，商業(yè)裙樓為地上3層框剪結(jié)構(gòu)。主塔樓屋頂采用異型曲面鋼梁作為屋頂構(gòu)造，東西側(cè)保證了流線型弧度觀感，南北側(cè)采取整體漸變外形完成整個塔冠設(shè)計(jì)，裙樓整體外立面幕墻由四面不規(guī)則曲面幕墻構(gòu)成，裙樓屋頂采用曲線披風(fēng)的形式與主塔樓相連，極具現(xiàn)代感與科技感。為了達(dá)到異型塔冠建造深度，采用BIM技術(shù)助力塔冠整體設(shè)計(jì)，項(xiàng)目設(shè)計(jì)之初采用Rhino與Sketch up進(jìn)行外立面概念設(shè)計(jì)，確定幕墻整體外立面形式，如圖5所示。

圖5 異型幕墻概念設(shè)計(jì)圖

完成整體外立面概念設(shè)計(jì)后，運(yùn)用Tkela進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)幕墻支撐系統(tǒng)及幕墻龍骨設(shè)計(jì)，確定了幕墻鋼構(gòu)系統(tǒng)空間位置及尺寸信息，通過SPA 2000進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)支撐系統(tǒng)受力校核完成整個幕墻外立面設(shè)計(jì)。項(xiàng)目設(shè)計(jì)資料在Navisworks中進(jìn)行數(shù)據(jù)集成交付，整體設(shè)計(jì)意圖表達(dá)完整。

通過BIM技術(shù)的及時介入使復(fù)雜異型幕墻得到可視化表達(dá)，針對復(fù)雜外立面幕墻設(shè)計(jì)進(jìn)行專項(xiàng)出圖與方案比選，為設(shè)計(jì)階段幕墻專業(yè)解決方案提供新思路，使異型幕墻設(shè)計(jì)變得更加便捷高效。

2.3 應(yīng)急情況下的疏散通道設(shè)計(jì)

在超高層建筑中，火災(zāi)事故造成的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失十分巨大，研究超高層建筑緊急狀況下的人員安全疏散問題具有重要的意義。地下室處于地下，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜且相對狹窄，照明光線較暗，通風(fēng)排煙條件也較差，一旦發(fā)生火災(zāi)，內(nèi)部溫度會快速升高，煙氣較難排除，人員也不易找到疏散通道。該項(xiàng)目使用Pathfinder軟件與BIM模型相結(jié)合，重點(diǎn)對地下室中的商業(yè)餐廳（員工餐廳）和物業(yè)辦公房兩個人員密集的場所進(jìn)行人員疏散仿真，驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的合理性，對人員緊急疏散進(jìn)行評估。

仿真中，設(shè)定餐廳區(qū)域共200人，物業(yè)辦公房共8人，男女比例設(shè)置相同，人員結(jié)構(gòu)包括小孩、青年、中年以及老年人，同時對體型胖瘦也進(jìn)行區(qū)分。仿真結(jié)果表明，一共存在5條逃生路徑，所有人員疏散所耗總時間為66.28s，可為后期運(yùn)維制訂應(yīng)急方案提供有力支撐。疏散人數(shù)與疏散時間曲線如圖6所示。

圖6 疏散人數(shù)與疏散時間曲線圖

3 結(jié)論

該項(xiàng)目引入BIM技術(shù)在全專業(yè)輔助設(shè)計(jì)中產(chǎn)生了較大價值，前期的三維模型調(diào)整能預(yù)先虛擬一遍建筑，其內(nèi)部空間及安裝情況也能清晰表達(dá)，可以提前發(fā)現(xiàn)圖紙中的問題，減少后期設(shè)計(jì)變更，降低工程成本，探索了建筑高效建設(shè)的新模式。同時，該項(xiàng)目首次引入BIM技術(shù)與專業(yè)疏散工具進(jìn)行聯(lián)合仿真，針對建筑物特性模擬計(jì)算了疏散人數(shù)與疏散時間的關(guān)系，為后期運(yùn)維制訂應(yīng)急方案提供了有力支撐，實(shí)現(xiàn)了模型的多維度利用。

但同時此次BIM技術(shù)的伴隨式應(yīng)用也突顯出以下問題：（1）BIM工程師需要與設(shè)計(jì)師高度協(xié)調(diào)，并完全理解設(shè)計(jì)意圖，模型和圖審信息的傳遞滯后是工作量成倍增加的直接因素。（2）管線的接頭，尤其是風(fēng)管，其三維構(gòu)件往往很難滿足設(shè)計(jì)要求，需要不斷積累和投入大量精力去更新族庫，且需要設(shè)計(jì)、施工方進(jìn)行協(xié)調(diào)，定義安裝方式。

BIM的應(yīng)用遠(yuǎn)不止于此，相關(guān)人員需繼續(xù)探索新的使用模式，圍繞智能建造、綠色建造的理念，不斷總結(jié)和優(yōu)化，充分利用BIM技術(shù)的優(yōu)勢，提高建筑項(xiàng)目的質(zhì)量。