基于超高層建筑復(fù)雜結(jié)構(gòu)設(shè)計的BIM 技術(shù)應(yīng)用

周垚臣，王漢偉，劉 碩，張 羽，李 響，梁 宇

中國建筑第八工程局有限公司東北分公司，遼寧 大連 116021

1 項目概況

歐力士中國總部大廈是由世界著名的日本歐力士集團與大連金融產(chǎn)業(yè)投資集團有限公司合作開發(fā)的高檔寫字樓項目。結(jié)構(gòu)形式為型鋼混凝土外框、鋼筋混凝土核心筒混合結(jié)構(gòu)，總建筑面積24.6 萬m2，地下4 層、地上41 層，建筑高度為202.8m，由裙樓、地下室及塔樓（A、B 兩棟）構(gòu)成。歐力士中國總部大廈項目自成立以來，積極開展BIM 技術(shù)應(yīng)用，定期組織BIM 團隊及項目成員開展交流與培訓(xùn)會，通過交流與培訓(xùn)加強項目團隊對BIM 的認識，用更直觀的方式找出了圖紙與實際施工中產(chǎn)生的問題及原因并加以解決。

2 項目管理重難點

（1）項目施工工期緊。在工期緊張的前提下如何保障現(xiàn)場管理井然有序，對管理者提出了較高的要求。（2）項目管理模式較特殊。A、B 兩棟塔樓分屬日方、中方兩個業(yè)主下轄管理公司；日方業(yè)主對于工程品質(zhì)要求嚴苛，凡事考慮十分細致，精益求精，對施工單位管理能力也提出了更高的要求；中方業(yè)主對于進度把控力度更大。日方管理思路與中方管理思路的不同，要求項目部精細化管理、加強策劃，提高工程品質(zhì)的同時，也要求在項目綠色施工及項目安全管控方面取得優(yōu)秀成果。（3）項目體量大，專業(yè)分包數(shù)量多，且專業(yè)性較強。如何履行總包義務(wù)、對業(yè)主負責(zé)的同時提高分包管理質(zhì)量是管理的重點。運用BIM 管理模式，在項目管理團隊與日方業(yè)主包括各分包單位之間建立一座溝通的橋梁，促進雙方的有效溝通，使項目平穩(wěn)推進，不但能解決不同國家理念的沖突，而且能突破專業(yè)技術(shù)的限制。

3 BIM 技術(shù)在超高層建筑復(fù)雜結(jié)構(gòu)中的具體應(yīng)用

3.1 伸臂桁架優(yōu)化設(shè)計

為提高抗剪切能力，分別在14 層、28 層設(shè)置兩道伸臂桁架，根據(jù)結(jié)構(gòu)形式和受力要求，選用80mm 厚的鋼板，三曲面造型，在核心筒內(nèi)共設(shè)置5 道。施工前對伸臂桁架進行LOD400 深度建模，從連接形式、彎轉(zhuǎn)角度以及施工節(jié)點等方面出圖指導(dǎo)現(xiàn)場鋼結(jié)構(gòu)施工，施工流程包括下發(fā)鋼結(jié)構(gòu)車間、工廠數(shù)字化放樣、機械化折彎、工廠預(yù)拼裝、鋼構(gòu)件運輸?shù)綀觥＝㈣旒軐优c爬模架體的可視化模型，進行施工模擬爬升及爬模改造過程。在模擬的過程中，發(fā)現(xiàn)桁架牛腿伸出長度過長，導(dǎo)致爬模需要大面積改造，這樣不僅會延誤生產(chǎn)工期，增加施工難度，還會給施工單位造成安全隱患?；谝陨铣晒?，與業(yè)主及設(shè)計院協(xié)調(diào)，研究決定在不影響受力前提下，減小牛腿處圓弧半徑，合理優(yōu)化連接位置，進而達到減少牛腿伸出長度、降低高空爬模改造難度的目的，如圖1 所示。

圖1 牛腿優(yōu)化前后與爬模架體位置關(guān)系

3.2 鋼筋預(yù)制施工

根據(jù)型鋼結(jié)構(gòu)形式特點，外框梁采用型鋼混凝土梁，通過BIM 技術(shù)協(xié)同設(shè)計，深化鋼筋下料長度，策劃節(jié)點區(qū)連接方式，實現(xiàn)預(yù)制鋼筋地面綁扎后吊裝技術(shù)的同時，設(shè)計鋼梁鋼筋空間定位裝置，保證上皮鋼筋的空間定位，與型鋼混凝土柱穿孔位置精確對應(yīng)。

3.3 幕墻設(shè)計

對專業(yè)分包模型及結(jié)構(gòu)模型進行整合設(shè)計，通過對幕墻埋件和鋼梁、土建鋼筋節(jié)點綜合優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)碰撞點75 處，通過調(diào)整幕墻埋件位置，鋼骨梁開洞位置和鋼筋施工前畫線定位，已將75 處碰撞位置全部解決，通過跨專業(yè)的協(xié)同設(shè)計，及時發(fā)現(xiàn)了問題，更改了相應(yīng)位置的圖紙，避免造成二次施工的情況，節(jié)約了大量資源。利用Dynamo 三維可視化編程和Revit 自適應(yīng)族可實現(xiàn)不規(guī)則曲面BIM 建模，通過圖紙的精確創(chuàng)建，提取對應(yīng)規(guī)格、定位、工程量等數(shù)據(jù)并用于采購、施工，最終實現(xiàn)曲面異型幕墻的深化設(shè)計工作。

3.4 景觀設(shè)計

該工程業(yè)主方為日本歐力士集團，旨在打造日式精品工程；裙房大屋面為日式種植屋面，許多綠植、花草均為日式特色。國內(nèi)深化難度較大，項目采用BIM 技術(shù)對業(yè)主的需求進行可視化建模，經(jīng)過多次方案調(diào)整及改進，最終形成對屋面景觀設(shè)計的確認、出圖。

3.5 機電專業(yè)優(yōu)化設(shè)計

現(xiàn)場機電專業(yè)較為復(fù)雜且涉及全面，深化設(shè)計難度大。在屋面策劃中，經(jīng)過與業(yè)主溝通，提前確定了裙房屋面設(shè)備參數(shù)，繼而確定土建基礎(chǔ)墩位置及高度，進行深化設(shè)計出圖指導(dǎo)現(xiàn)場施工；計劃待機電設(shè)備安裝完成后，再進行屋面鋼結(jié)構(gòu)施工，調(diào)整屋面鋼結(jié)構(gòu)屋頂主次梁布局，提前解決了設(shè)備高度與結(jié)構(gòu)碰撞的問題。針對給水泵房水箱和管道井空間狹小的問題進行設(shè)計優(yōu)化，將水箱尺寸由14m×5m×3m 改為12m×6m×3m；同時優(yōu)化管井間隔墻，將相鄰兩處管井合并為一處管井，滿足通往換熱站的管道有足夠空間，便于安裝支吊架及運行維修。根據(jù)抗震及承載力要求，對管井進行重力計算，并對主要構(gòu)件立柱和橫擔(dān)進行驗算。根據(jù)槽鋼安裝系統(tǒng)和槽鋼物理特性技術(shù)數(shù)據(jù)，工字鋼承受彎矩計算公式如下：

式中：M 為工字鋼承受的彎矩，kN·m；G 為均布荷載，kN/m2；L 為工字鋼跨度，m；g 為單位長度自重，kN/m。

根據(jù)式（1）求出集中荷載能力，重力將集中于地下室最低層管道彎頭，計算出滿水后管道的靜荷載及動荷載，設(shè)計出滿足要求的龍門支架。針對走廊間空間狹小、多處管線與管線碰撞及管線與結(jié)構(gòu)碰撞的問題，根據(jù)“同一系統(tǒng)，同一標(biāo)高”的優(yōu)化理念，設(shè)計綜合支架，避免管線碰撞，實現(xiàn)消防系統(tǒng)和其他系統(tǒng)同時施工。通過管綜排布，完成尺寸標(biāo)注后導(dǎo)出CAD 圖紙；交付設(shè)計院審核下發(fā)施工圖；現(xiàn)場交底并按照施工圖及BIM 模型組織砌筑留洞，避免二次開洞造成的成本增加。設(shè)備供應(yīng)商提供的優(yōu)化后的設(shè)備參數(shù)，組織設(shè)備建模工作，對每一個元件進行外形族文件創(chuàng)建，同時進行設(shè)備參數(shù)錄入，形成BIM 設(shè)備族庫，方便后期業(yè)主查詢追溯。利用BIM 技術(shù)的模擬化、可視化，對建筑的空間布局進行優(yōu)化分析，對于空間不合理之處，通過調(diào)整管線路由及設(shè)備位置，達到最佳空間利用效果。

3.6 三維激光掃描輔助工廠預(yù)制交底

對深化后的BIM 模型進行模塊劃分及深化設(shè)計；組織加工廠預(yù)制交底，通過機器人焊接，提高效率及品質(zhì)；通過放樣機器人定位，使用三維激光掃描儀，確保模塊精準(zhǔn)就位。

3.7 輔助生產(chǎn)管理

（1）平面布置設(shè)計。前期人員進場時，運用BIM 技術(shù)進行施工現(xiàn)場各階段總平面布置，優(yōu)化場地空間、料具擺放，確保施工現(xiàn)場井然有序，同時根據(jù)施工進展開展動態(tài)化調(diào)整，提高場地利用效率。（2）虛擬樣板應(yīng)用。建立數(shù)字模擬樣板體驗區(qū)代替實體樣板展示，配合使用簡易VR 光學(xué)眼鏡，即可以查看各類虛擬樣板VR 場景，這種身臨其境的方式簡單有效。（3）BIM 可視化交底。運用BIM 技術(shù)模擬核心筒伸臂桁架安裝過程，制作施工交底二維碼，讓施工人員了解工序的整個施工流程。（4）BIM 鋁模設(shè)計。根據(jù)外框18 根型鋼混凝土柱，運用BIM 技術(shù)進行施工模擬。根據(jù)不同型號的鋁模、族、構(gòu)件、緊固件等充分考慮鋼柱與鋼模的位置關(guān)系，最終確定鋁模深化設(shè)計圖紙。（5）BIM工況模擬。通過BIM 技術(shù)對外框及核心筒液壓爬升防護屏、液壓爬模進行爬升工況模擬，對工期及分段進行施工過程模擬，分區(qū)安裝，節(jié)約外防護腳手架搭設(shè)量，提高施工效率。同時，還應(yīng)考慮核心筒伸臂桁架以及外框鋼骨梁、幕墻埋件碰撞的影響，精細策劃，減少爬模架體高空改造工作量。（6）物資及商務(wù)應(yīng)用。運用BIM 可統(tǒng)計工程量這一特性，對商務(wù)及物資進場進行管控及統(tǒng)計。在建立模型前，預(yù)先為模型建立屬性，為確保后期交付，創(chuàng)建明細表，進行工程量統(tǒng)計。在項目策劃前期，通過建立BIM 土建模型，導(dǎo)出混凝土工程量，與現(xiàn)場實際澆筑方量進行對比，控制耗材用量。項目精裝修期間，通過導(dǎo)出門窗明細表，便于采購管理?，F(xiàn)場采用智能驗筋系統(tǒng)，可顯著增加鋼筋進場效率。（7）應(yīng)急疏散管理。運用BIM 技術(shù)模擬塔樓精裝修與機電交叉作業(yè)施工工況，巔峰期樓層內(nèi)施工人員可達600人，發(fā)生緊急情況時疏散時間僅需2min24s。

4 結(jié)束語

高層建筑引入服務(wù)理念貫穿整個項目周期的BIM 技術(shù)后，使建筑系統(tǒng)的布置緊湊且不煩瑣，高度可視化。通過對BIM 技術(shù)進行不斷深入研究，完善了整個建筑行業(yè)的模型信息化平臺，使BIM 技術(shù)更好地服務(wù)于城市建筑的運維管理。