BIM技術在超高層建筑中的應用

吳京戎，閆艷偉，楊 娜

（湖北工業大學土木建筑與環境學院，湖北武漢430068）

0 引言

超高層建筑是一種地標性建筑，也是每個城市的夢想。它不僅是城市的標簽，也是國家基建能力實力的象征。從中國踏上基建的列車，從未停止過對科學、技術的探索，經過數十年的發展，建筑領域出現了一些新技術，如BIM（建筑信息模型）、RFID（無線射頻技術）、裝配式建筑，這些新技術的出現使得傳統建筑行業發生了翻天覆地的變化。從二維圖紙到三維模型再到4D和5D，新技術的出現突破了傳統技術無法攻克的難關，超高層建筑一向以難度大、技術要求高、施工復雜而著稱，BIM技術的出現使這些難點迎刃而解。BIM技術貫穿于建筑的全壽命周期，從設計到施工、運營，BIM技術都可以體現它獨有的優勢，建設者不再靠圖紙去想象建造過程而是可以利用BIM 技術模擬整個施工過程，這樣的改變無疑是為超高層建筑打開了一片新的天地。國內學者王雙元［1］認為BIM技術讓建筑結構更加直觀、清晰，對建筑工程管理決策、制定施工方案有重要作用。牛鵬等［2］論述了BIM技術在超高層建筑施工中的整合應用。李海龍［3］系統論述了BIM 技術在超高層建筑裝飾裝修中的應用優勢，從項目規劃、設計、施工全過程出發探索BIM技術的應用策略。范傳祺等［4］將通過BIM 技術在特定超高層建筑中的應用，研究BIM 信息化平臺、BIM 深化設計、三維可視化指導建設、BIM 工程項目管理等內容。以BIM應用為載體確立項目信息化管理，實現項目的優化設計和綜合管理，縮短工期，降低成本。通過閱讀相關文獻發現BIM技術在施工進度編制、施工進度管理等方面的應用還有待完善，這也是本文基于工程實例所要研究的重點。

1 工程概況及難點分析

1.1 工程概況

上海中心大廈位于上海浦東新區陸家嘴金融中心Z3-1地塊，和金茂大廈、環球金融中心相鄰。項目包括1 棟5 層地下室，1 棟121 層綜合樓（含辦公及酒店），1棟5層商業裙樓，總建面約574 058 m2，其中地上建筑面積約410 139 m2，地下建筑面積約163 919 m2。裙樓高32 m，塔樓結構的高度是580 m，塔的最高點是632 m。

1.2 工程難點分析

超高層建筑具有以下問題：結構復雜、涉及專業廣、部分節點施工難度大、工期緊等。具體表現如下。

（1）項目參與方多，工期緊。本工程位于市中心，施工場地狹小，政府及相關監管部門部分考慮到噪聲、建材污染、交通疏導等問題，要求本工程在規定時間內完工，因此本工程工期十分緊張。上海中心大廈從決策、設計、建設、運營整個全壽命周期參與方多達30 多家。建造現代的超高層建筑會涉及很多領域，對施工技術和組織協調能力的要求比較高，對于超高層建筑的管理者來說，無形之中帶來了很大的挑戰。如果在施工進度編制的過程中只考慮本專業的要求，而不考慮其他專業的要求，那么其他專業的施工就會受到影響。傳統粗略估計的方法已經無法滿足此項目的進度計劃編制。

（2）施工進度無法保證。本項目分支系統復雜，包括8個建筑功能綜合體、7個結構體系、30個機電子系統。在超高層建筑施工過程中，傳統的施工設備和施工工藝已不能滿足業主的要求。由于超高層建筑的復雜性，即使施工企業采用國內外最先進的生產設備和施工技術，也有可能由于施工管理人員的專業水平低、施工工人的工作質量低，而無法按照規定的進度計劃完成施工進度。

（3）施工質量難以控制。本工程信息量較大，包括施工圖3 700多張，鋼結構深化圖8 000多張。信息難以有效傳遞、施工工藝復雜等因素，增加了控制施工質量的難度。現階段存在一些建設項目過分追求進度，忽視質量安全，這種情況往往會造成返工、停工，甚至嚴重的安全事故，對施工進度造成很大的影響，也給建設工程的質量留下隱患，不僅給自身造成經濟損失，也給名譽帶來損失。

2 BIM技術在超高層建筑中的應用優勢

通過建立BIM 模型可以實時模擬超高層建筑項目的建設，在這個過程中規范超高層建筑項目施工人員的操作行為，更好地規劃項目實際進程，準確和及時發現施工過程中潛在的問題和風險，大大提高超高層建筑的安全。

通過BIM 技術進行模擬、調整和優化，可以得到建筑、結構、鋼結構、裝飾綜合圖等施工圖，為現場施工的可視化提供依據。并快速準確地記錄和備案所有施工行為，這將有利于施工和管理人員的核查和后續作業［5］。

超高層建筑工程施工人員根據BIM 技術提供的施工圖，可以更好地了解施工過程，熟悉施工過程中需要注意的問題，在提高現場施工人員工作效率的同時也保證了工程施工質量。確保施工現場的每個工作環節都能順利進行，避免施工現場發生事故。對于重要的施工方案和重點施工工藝，通過對BIM 技術的仿真，可以發現潛在的不足，并做出及時修改。

3 BIM技術在上海中心大廈的應用

3.1 基于BIM技術深化的項目協同管理模式

由于該工程體量大，參建方極多，深化設計需要綜合考慮各方面的因素，并非某個單位獨立就可完成的工作。這樣做出的深化設計方案既不會閉門造車，也不會在實際施工中產生許多問題。因此，與項目參與者的協調和溝通將被視為BIM 技術深化設計的一項重要工作，優化后的協同管理模式如圖1所示。

圖1 項目協同管理平臺

3.2 采用多維功能的BIM技術安排施工進度

該項目的機電安裝工程分為4個區間進行，分別是地下室、裙樓、低區、高區，總工期約1 279天。

對于一些工程量大、工期長的項目，施工進度計劃編制通常采用傳統的粗估法。結合該項目特點，在本工程中采用模型統計與模擬的方法進行施工進度編排。在工程總量與施工總工期沒有重大變化的前提下，首先在深化設計階段模型的基礎上將工程統計的相關參數（例如各種設備、管道、配件的外觀參數和性能參數等數據）添加到BIM模型中。

將參數化模型內包含的各分區、各系統工程量進行分類統計后獲得工程量分析，并分別提取設備、材料、勞動力需求等數據。最后，利用上述數據在工作面交付、設備材料供應、勞動力資源、垂直運輸能力和臨時設施使用等因素中找到平衡點，并綜合考慮統籌安排施工進度。通過運用BIM 模型4D、5D 的統計和仿真功能，不僅能夠改變以往粗放型以及經驗型的管理模式，還可以使進度編排方法朝著更加科學、精細、均衡的方向發展，更加有利于解決施工高峰期所產生的施工管理混亂、臨時設施匱乏、垂直運輸不力、勞動力資源緊缺的矛盾，同時也避免了施工低谷期而造成的勞動力及設備設施閑置等資源浪費現象［6］。

3.3 基于BIM技術的施工進度管理

對于施工管理團隊來說，把握施工進度的能力是一項綜合能力，包括施工技術、方案規劃、材料供應、人力配置等方面。該工程體量大，周期長，在施工過程中的各種變化因素都會對施工進度產生影響。利用NavisWork對施工過程進行模擬，如圖2所示，同時對施工進度計劃中的關鍵節點鋼平臺爬升過程模擬，如圖3、圖4、圖5所示。因此，在施工計劃、材料供應、勞動力配置等方面可以利用BIM 的4D、5D 功能為管理人員提供決策依據。

3.4 利用模擬對施工質量進行管控

利用BIM 技術對整個項目進行施工模擬（見圖6），有利于管理人員對未知風險的把控，達到提升施工質量的效果。由于在模型的管線綜合階段（見圖7），已找到并解決所有碰撞點，通過對現場信息的及時反饋可以對模型進行實時調整。因此，BIM三維模型作為衡量按圖施工的檢驗標準是最合適的。

根據監理部門的需要，項目部需把機電各專業完成后的工程影像資料導入BIM 模型進行對照。另外，通過對結果進行分析比較并提交“差異狀況分析報告”。此報告將系統運行、吊裝和后續工序的施工以三維示意圖的形式記錄下來。為監理單位后期整改處置提供依據，確保施工質量達到深化設計的要求。

圖2 NavisWork下的施工虛擬預演

圖4 施工進度計劃分析二

圖3 施工進度計劃分析一

圖5 施工進度計劃分析三

圖6 BIM施工模擬

圖7 管線綜合模擬

4 結語

對于超高建筑工程建設來說，合理應用BIM技術不僅可以制定出可視化的預演方案，也能夠為管理人員提供良好的參考價值。通過BIM 技術在超高層建筑中深化項目協同管理模式、施工進度編排、施工進度管理、施工質量管控等方面的研究，有效地解決了由于參與方眾多引起的組織協調無法達到項目要求的問題，為施工方案的優化提供了重要的決策依據。另外，通過在三維模型中加入時間維度，實現向4D 模型的變換，根據4D模型模擬施工過程。為現場施工人員更好地掌握施工難點提供可視化參考，從而保證施工的質量、安全、效率、成本，提高工程的整體效益。