基于BIM的狹小施工場(chǎng)地超高層建筑施工部署

胡 亮 祖公博 曾小輝

中國(guó)建筑第二工程局有限公司華南分公司 廣東 深圳 518048

建筑施工部署是決定工程建設(shè)綜合水準(zhǔn)的重要環(huán)節(jié)之一，在施工場(chǎng)地內(nèi)的人工、材料和設(shè)備的周轉(zhuǎn)利用水平，直接決定了工程項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)性和安全性[1]。近年來(lái)，隨著國(guó)內(nèi)城市化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，大中型城市的城區(qū)土地使用愈發(fā)緊張，新建建筑容積率不斷提升，除了宏觀上帶來(lái)了城市土地規(guī)劃使用的一系列問(wèn)題外，高容積率的狹小場(chǎng)地也對(duì)工程建設(shè)的施工部署和場(chǎng)地利用提出了更高的要求。

這一工程問(wèn)題受到了學(xué)者和技術(shù)人員的關(guān)注，開(kāi)展了對(duì)狹小場(chǎng)地內(nèi)施工部署的研究[2-4]。通過(guò)結(jié)合項(xiàng)目案例，對(duì)狹小場(chǎng)地的施工部署進(jìn)行了應(yīng)用報(bào)道，但是研究大多是基于經(jīng)驗(yàn)和施工過(guò)程中的探索完成的，系統(tǒng)性的研究和解決方案欠缺。

隨著B(niǎo)IM技術(shù)應(yīng)用的逐漸普及，技術(shù)人員在基于BIM的逆向建模、異形設(shè)計(jì)、材料下單等方面開(kāi)展了大量的研究[5-6]。BIM給工程技術(shù)人員提供的可視化施工模擬手段為工程策劃提供了便利，但是在狹小場(chǎng)地施工部署中的BIM應(yīng)用報(bào)道還未在可獲得的文獻(xiàn)中檢索到。因此，本文以深圳市超高層建筑城建大廈為例，通過(guò)應(yīng)用BIM技術(shù)輔助策劃和施工技術(shù)創(chuàng)新應(yīng)用，對(duì)狹小場(chǎng)地內(nèi)超高層建設(shè)的施工部署進(jìn)行了研究和探索。

1 工程概況

深圳城建大廈項(xiàng)目總高度333 m，是深圳市羅湖區(qū)地標(biāo)性建筑，也是深圳市重點(diǎn)項(xiàng)目。該項(xiàng)目位于深圳市中心羅湖區(qū)紅嶺南路與金華街交會(huì)處，四周被主干道和民用建筑環(huán)繞，地鐵9號(hào)線自西側(cè)基坑下部南北方向穿過(guò)。工程總建筑面積逾19萬(wàn) m2，由1棟72層塔樓、5層地下室與6層裙房組成。由于該項(xiàng)目位于深圳市中心區(qū)，場(chǎng)地面積僅9 950.67 m2，其中東側(cè)深基坑占地面積達(dá)到5 581 m2，西側(cè)淺基坑面積1 300 m2。該超高層建筑在有限的場(chǎng)地內(nèi)開(kāi)工建設(shè)，對(duì)施工平面布置及場(chǎng)地面積利用要求極高。

2 BIM輔助施工部署流程

針對(duì)狹小場(chǎng)地的超高層建設(shè)，本文提出一種基于BIM的綜合施工進(jìn)度模擬和空間運(yùn)輸模擬的施工平面布置輔助決策方法，其框架如圖1所示。

圖1 BIM工作流程示意

1）本項(xiàng)目的施工根據(jù)施工對(duì)象不同，可劃分為筏板施工階段、地下室施工階段、主體施工階段和裝修施工階段。類似項(xiàng)目實(shí)施中可根據(jù)項(xiàng)目類型和進(jìn)場(chǎng)階段不同進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。

2）對(duì)建筑和場(chǎng)地進(jìn)行BIM建模。本文基于Autodesk Revit 2019進(jìn)行了建模（圖2）。在構(gòu)件族建立過(guò)程中，須對(duì)不同構(gòu)件類型，比如混凝土梁、混凝土柱、桁架樓承板、混凝土樓板、鋼結(jié)構(gòu)梁、鋼結(jié)構(gòu)柱等進(jìn)行分屬性建模，便于工程量清單分類和數(shù)量提取。

圖2 Revit逆向建模

3）使用Revit對(duì)施工進(jìn)度進(jìn)行模擬和糾偏，優(yōu)化關(guān)鍵路線，使得總工期和里程碑事件符合進(jìn)度要求。

4）根據(jù)施工進(jìn)度計(jì)劃，對(duì)不同階段分別提取筏板施工階段、地下室施工階段、主體施工階段和裝修施工階段的工程量清單，計(jì)算各個(gè)材料的堆場(chǎng)和加工場(chǎng)面積。

5）通過(guò)水平和垂直運(yùn)輸分析對(duì)各場(chǎng)地布置位置和相對(duì)距離進(jìn)行優(yōu)化，完成各個(gè)階段的平面布置和優(yōu)化。

通過(guò)該過(guò)程分析，發(fā)現(xiàn)某些階段的平面可布置面積無(wú)法滿足場(chǎng)地需要。針對(duì)這些階段的布置需要，對(duì)施工工序和場(chǎng)地利用通過(guò)工序調(diào)整和永臨結(jié)合等手段進(jìn)行優(yōu)化。

3 地下階段施工部署

本項(xiàng)目有塔樓深基坑和裙樓淺基坑這2處基坑。深基坑面積5 581 m2，深度25.85 m；淺基坑上跨深圳地鐵9號(hào)線，基坑面積1 300 m2，深度6.8 m（圖3）。通過(guò)BIM模擬發(fā)現(xiàn)，2處基坑若同時(shí)施工，場(chǎng)地內(nèi)空間不能滿足交通、臨建及材料堆場(chǎng)加工需要，而且淺基坑施工不是項(xiàng)目的關(guān)鍵線路，因此采用“先深基坑，后淺基坑”的施工順序，保證項(xiàng)目施工的場(chǎng)地需要。

圖3 深淺基坑示意

3.1 筏板施工階段

根據(jù)換填范圍面積及深度，由淺至深臺(tái)階式直接開(kāi)挖至換填底面標(biāo)高，過(guò)程中將開(kāi)挖出的土石方進(jìn)行外運(yùn)。清理完換填區(qū)域后，澆筑C20混凝土至底板底標(biāo)高。澆筑完成后進(jìn)行靜載試驗(yàn)，后續(xù)進(jìn)行底板施工。在換填施工的同時(shí)，坑內(nèi)進(jìn)行錨桿試驗(yàn)工作，試驗(yàn)完成后，開(kāi)始大面積的錨桿施工。錨桿施工完成后，進(jìn)行底板施工。本工程筏板施工屬于大體積混凝土澆筑，施工過(guò)程中對(duì)大體積混凝土澆筑的質(zhì)量控制是此階段的重點(diǎn)，本階段配置了2臺(tái)地泵與2臺(tái)天泵配合完成澆筑工作。

針對(duì)該階段場(chǎng)地緊張的情況，在基坑頂部搭設(shè)3塊棧橋板，如圖4所示。1號(hào)棧橋板緊鄰場(chǎng)地大門，作為挖方出土點(diǎn)，后續(xù)作為材料堆放場(chǎng)地；2號(hào)棧橋板作為材料堆場(chǎng)使用；3號(hào)棧橋板作為模板堆場(chǎng)。利用這3塊棧橋板解決了該階段材料堆放和出土的難點(diǎn)。

圖4 棧橋板示意

3.2 地下室施工階段

地下室施工的策略是采用核心筒先行的方式為后續(xù)爬模安裝提供作業(yè)面，如圖5所示。地下室施工階段1-1區(qū)與1-2、1-3區(qū)平行施工，1-2、1-3區(qū)流水施工，從而實(shí)現(xiàn)1-1、1-2、1-3區(qū)不等高錯(cuò)層流水施工，1-1區(qū)領(lǐng)先1-2區(qū)1層，1-2區(qū)領(lǐng)先1-3區(qū)1層，達(dá)到核心筒先行的目的，保證了后續(xù)爬模安裝的順利展開(kāi)。

圖5 地下階段施工平面及流水段劃分

3.3 地下室出±0 m

此階段在南側(cè)及東南側(cè)增加58間集裝箱房屋（圖6），作為工人宿舍和智慧標(biāo)養(yǎng)室等工作用房，可滿足現(xiàn)場(chǎng)高峰作業(yè)需求；并將原支撐板上的相關(guān)堆場(chǎng)轉(zhuǎn)移至西側(cè)辦公室旁；增加2處地泵點(diǎn)及1處鋼構(gòu)件堆場(chǎng)；待場(chǎng)地北側(cè)、東側(cè)及南側(cè)室外管線、化糞池及室外道路基層施工完成后，再進(jìn)行堆場(chǎng)及道路轉(zhuǎn)移。

圖6 地下室出±0 m平面布置示意

4 地上階段施工部署

4.1 地下室頂板利用

地下室頂板施工完成后，立即回填肥槽平整場(chǎng)地。在地下室頂板上沿建筑物四周設(shè)材料堆放、加工場(chǎng)地，以及臨時(shí)消防通道以滿足消防和場(chǎng)內(nèi)運(yùn)輸要求，平時(shí)安排專人維護(hù)清理，保證消防通道暢通（圖7）。為確保地下室頂板滿足消防車及施工車輛的荷載要求，通過(guò)荷載驗(yàn)算，由設(shè)計(jì)方變更方案，加強(qiáng)了頂板的混凝土配筋，確保地下室頂板結(jié)構(gòu)安全，從而啟用正式消防通道作為場(chǎng)內(nèi)道路。

圖7 主體施工階段平面布置示意

4.2 塔樓流水穿插施工

在塔樓施工階段，核心筒和外框架采用“錯(cuò)層同步施工”策略，如圖8所示。核心筒領(lǐng)先外框鋼柱4層，外框鋼柱領(lǐng)先外框鋼梁2層，外框鋼梁領(lǐng)先外框混凝土結(jié)構(gòu)2個(gè)作業(yè)層，在立面上各作業(yè)層形成不等高同步施工流水。核心筒施工采用電動(dòng)液壓爬升模板體系，水平構(gòu)件為桁架樓承板。外框施工防護(hù)采用電動(dòng)自爬升防護(hù)架體。由于核心筒的剪力墻、結(jié)構(gòu)柱和樓板采用整層同時(shí)澆筑，若按傳統(tǒng)施工方式，鋼筋工人在支模過(guò)程中存在流水中斷窩工的情況。因此，本項(xiàng)目創(chuàng)新采用了超層綁扎技術(shù)，通過(guò)受力復(fù)核，核心筒爬模增加1層架體高度，使得架體覆蓋3層作業(yè)面，在下層支模過(guò)程的同時(shí)，鋼筋工人在上一層進(jìn)行墻柱鋼筋綁扎，保證了核心筒的流水施工作業(yè)，提高了施工效率。

圖8 主體施工模擬示意

5 永臨結(jié)合優(yōu)化空間利用

通過(guò)BIM施工模擬發(fā)現(xiàn)，本項(xiàng)目在裝飾裝修和幕墻安裝階段，由于工期緊張，一次裝修和幕墻施工需在項(xiàng)目完全封頂前提前插入。幕墻和裝修工程材料種類多、數(shù)量大，并且封頂前主體結(jié)構(gòu)的鋼筋、模板、鋼結(jié)構(gòu)等的堆場(chǎng)及加工場(chǎng)仍需保持使用，地上空間不足以滿足場(chǎng)地布置的需要。為了緩解地上結(jié)構(gòu)施工場(chǎng)地狹小的問(wèn)題，采用地下空間提前投入使用的方案保證場(chǎng)地需要。

地下室提前啟用需滿足通風(fēng)次數(shù)、相對(duì)濕度、地下室排水和燈光照度等條件。在排風(fēng)系統(tǒng)、照明系統(tǒng)和排水系統(tǒng)搭設(shè)中，采用正式或是臨時(shí)管路和設(shè)備是必須面臨的問(wèn)題，通過(guò)策劃分析，鎖定了3種備選方案擇優(yōu)選擇，如表1所示。

表1 地下室提前使用方案比選

第1種方案：全部設(shè)備管路臨時(shí)安裝，正式線路按正常施工次序安裝，待正式機(jī)電安裝后再將臨時(shí)系統(tǒng)轉(zhuǎn)為正式系統(tǒng)，該方案策劃難度最小，地下室投入使用最快，但措施費(fèi)用最高。

第2種方案：全部設(shè)備管路提前進(jìn)行施工，并且所有風(fēng)機(jī)盤管、照明和排水設(shè)施均采用正式設(shè)備。該方案不需要采購(gòu)臨時(shí)設(shè)備，建設(shè)費(fèi)用最低，但涉及正式風(fēng)機(jī)和水泵的保修開(kāi)始日期提前，正式照明存在破壞風(fēng)險(xiǎn)，維修保養(yǎng)費(fèi)用相對(duì)提高，成品保護(hù)壓力大，并且存在采購(gòu)周期等影響因素可能導(dǎo)致完工時(shí)間推遲，不確定因素大。

第3種方案：采用永臨結(jié)合的方法，風(fēng)管、照明線路和排水管路等提前敷設(shè)，風(fēng)機(jī)、照明燈具和水泵等價(jià)值高且難于維護(hù)的設(shè)備采用臨時(shí)設(shè)備。該方案建設(shè)費(fèi)用適中，工期相對(duì)可控，維護(hù)難度小，綜合考慮，該方案為最優(yōu)方案。作為本項(xiàng)目的最終采用方案，具體內(nèi)容如下：

1）在保證地下室照明和其他用電設(shè)備正常工作的同時(shí)，避免臨時(shí)線路對(duì)地下室堆放和裝修的影響，優(yōu)先完成強(qiáng)弱電橋架及正式線路敷設(shè)，臨時(shí)照明燈具與正式電路相連，為地下室提供照明。

2）地下室環(huán)境密閉、潮濕，從安全衛(wèi)生和設(shè)備養(yǎng)護(hù)角度考慮，需要安裝排風(fēng)系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)施工優(yōu)化，通風(fēng)管道采用正式風(fēng)管，并租用臨時(shí)風(fēng)機(jī)，滿足地下室通風(fēng)次數(shù)要求。綜合分析，該方法節(jié)約了未來(lái)的避讓、拆改，以及臨時(shí)材料的采購(gòu)和安裝費(fèi)用。

3）地下室排水同樣采用正式排水管道，由于市政排水接駁條件尚不滿足，采用優(yōu)先完成正式地下室排水管路安裝，租用臨時(shí)水泵抽水的方式，通過(guò)正式排水管道，將地下室積水排入集水井，保證地下室干燥、潔凈。

通過(guò)以上照明、通風(fēng)和排水的永臨結(jié)合措施，地下室空間提前投入使用（圖9）。在地下2層布置了機(jī)電堆場(chǎng)和加工場(chǎng)，地下3層設(shè)置了裝修等材料的材料堆場(chǎng)，地下4層作為臨時(shí)停車場(chǎng)地。同時(shí)，堆場(chǎng)設(shè)置考慮了材料運(yùn)輸?shù)谋憷?，全部沿車道布置，采用了材料運(yùn)輸距離最優(yōu)方案，實(shí)現(xiàn)了狹小施工空間的高效利用，保證了項(xiàng)目的順利實(shí)施。

圖9 地下室空間利用

除此之外，施工消防系統(tǒng)和施工水箱作為項(xiàng)目必備設(shè)備，通過(guò)預(yù)先策劃，也采用了永臨結(jié)合的方式進(jìn)行施工。塔樓消防系統(tǒng)采用正式消防立管及生活水箱、消防水箱，可減少臨時(shí)消防立管及臨時(shí)消防水箱的材料投入、安裝和拆改人工費(fèi)用。塔樓40層以下提前插入正式消防栓安裝，可將40層以下的臨時(shí)消防栓轉(zhuǎn)至40層以上使用，減少了材料投入、安裝和拆改人工費(fèi)用。

6 結(jié)語(yǔ)

為了解決大型城市在場(chǎng)地狹小的施工條件下建設(shè)超高層項(xiàng)目的工程部署難題，提出了一種基于BIM的狹小施工場(chǎng)地超高層建設(shè)輔助策劃流程和方法，同時(shí)結(jié)合項(xiàng)目案例，介紹了一系列適合狹小場(chǎng)地超高層施工的非關(guān)鍵路線工序調(diào)整、超層綁扎、地下空間永臨結(jié)合等管理和技術(shù)措施。在該方法中，BIM模型能夠客觀、定量地反映項(xiàng)目實(shí)施中可能遇到的問(wèn)題，通過(guò)施工模擬和工程量統(tǒng)計(jì)，提前預(yù)知項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中場(chǎng)地壓力較大的環(huán)節(jié)，使場(chǎng)地分析和工序協(xié)調(diào)更為直觀。針對(duì)困難環(huán)節(jié)和階段，本文提出的針對(duì)性管理和技術(shù)解決方案，在保證項(xiàng)目順利實(shí)施的前提下，兼顧了經(jīng)濟(jì)和效率。該方案為工程界在狹小場(chǎng)地超高層建筑的施工部署提供了新思路，可供類似項(xiàng)目參考。