BIM技術在既有高層建筑結構置換改建中的應用

王梅珍

上海建工四建集團有限公司 上海 201103

建成年代較早的既有高層建筑，經過數十年甚至上百年的使用之后，缺陷與不足日益凸顯，主要表現在建筑功能轉型困難、現代化功能缺失、結構老化等方面。針對這些問題，既有高層建筑置換型結構改建技術通過對原結構受力構件進行加固、拆除、置換，不僅可以實現結構受力體系的改善或轉變，同時為建筑空間的重新布置、建筑功能的提升和改變創造條件，因此該技術成為既有高層建筑改擴建的重要手段，具有廣泛的應用前景[1-4]。

既有高層建筑置換改建是一項復雜的系統性工程，在新老結構空間交錯重疊條件下，如何實現拆建穿插實施，完成不同結構體系的逐步替換，對置換流程設計、工況模擬和驗證以及施工風險控制提出了極高要求。針對上述問題，BIM技術憑借其模型立體化與可視化、信息精準統計與管理、工況模擬與分析等突出優勢，在既有高層建筑改建工程中發揮著不可替代的重要作用[5-7]。

1 工程概況

上海某高層建筑改建工程是目前國內首例高層建筑結構置換實施案例，技術難度巨大。該項目位于南京西路，地理位置優越，毗鄰地鐵沿線，周邊環境復雜。為滿足新的業主需求，需對原建筑進行結構改擴建和功能化提升。改建前后，主樓結構總高度保持99.500 m不變，地上建筑面積由6萬 m2擴容至約7.4萬 m2，結構標準層高由3.2 m增至4.5 m，總層數由30層減少為共21層，結構體系由框架-核心筒轉換為鋼框架-核心筒，建筑功能由酒店轉變為商業和辦公（圖1、圖2）。

圖1 項目位置示意

圖2 改建前后情況對比

2 基于BIM的結構置換流程模擬分析

高層建筑結構置換是2個獨立結構體系在同一空間條件下不斷替換的過程。如何去分析和描述不同結構體系的空間位置關系是技術流程形成的前提條件，而三維空間的描述相比傳統二維圖紙校核必定事半功倍。為此，通過建立BIM模型，使圖紙資料立體化，各個構件空間位置關系一目了然，不僅極大提升工作效率，同時為業主、設計、施工各方溝通交流提供便利。

以BIM模型為基礎，對改建施工流程進行4D模擬。首先，從空間、場地、施工效率等方面綜合分析總體置換流程的可實施性；其次，根據施工工況分別進行新老結構碰撞檢測，分析新老結構構件相互沖突碰撞131處，通過對其優化，最終確定結構置換改建流程（圖3～圖5），主要包括5個階段：

圖3 基于BIM的結構置換改建流程

圖4 基于BIM的結構置換4D工況模擬

圖5 基于BIM的結構置換工況分析

1）老結構加固及角部結構拆除。

2）與新結構豎向構件重疊的老結構局部拆除。

3）新鋼結構桁架建立。

4）剩余老結構拆除。

5）鋼結構補全，至此完成結構體系的過度轉換。

3 基于BIM的施工可操作性分析

置換型結構拆除過程中，最為主要的問題是不同專業、工況前后銜接矛盾而導致置換流程無法順利推進。如本項目結構拆除過程中，鋼結構、拆除、外圍護3個專業各自訴求不同，當其中某一兩個專業訴求發生沖突進行協調時，協調結果極有可能在某一個時間點對其他專業產生影響。針對類似情況，必須通過BIM模型對全專業進行全方位的施工模擬，以施工便捷、具可操作性、工況合理為原則，對每個施工節點進行“抽絲剝繭”，保證各施工工況合理有序（圖6）。

圖6 基于BIM的施工可操作性分析

4 基于BIM的結構置換精細化管理技術

采用基于信息模型的結構拆除精細化管理，通過現場管理人員旁站制度，信息模型與現場作業統計表單互通，總承包與監理復核現場與BIM模型一致的管理機制，確?，F場管理與模型及方案完全一致，保證拆除施工安全有序、現場數據及時采集以及實際進度與計劃進度匹配。

4.1 構件統計及復核

通過Revit軟件明細表功能，提取拆分后模型所有構件的相關信息，包括編號、類型名稱、截面尺寸，體積等信息，導出構件統計明細表txt格式，再轉化成Excel表格形式，并通過體積參數，計算構件質量。通過此方法可以快捷準確地通過計算機自動得到所有構件相關參數的統計表，相比傳統按圖紙計算的方法更為有效且準確。特別對于異形、形狀相對復雜的構件，采用BIM技術解決了人工計算方式困難的難題。

4.2 現場可視化交底

基于已拆分的BIM模型，采用Navisworks軟件中Timeliner功能，對整個拆除流程進行4D模擬。通過模型拆除模擬，對業主、總承包、監理、專業拆除單位等各方的每一位管理人員進行現場交底，使得每個管理人員明確各階段拆除工況、拆除內容、拆除方法、拆除順序（圖7）。

圖7 現場可視化交底

4.3 現場精細化管理流程

以BIM深化模型為基礎，制定成套的現場結構拆除、吊運、置換管理流程。施工過程中現場指派專人根據交底圖紙及表單進行旁站指揮。記錄每一吊吊裝點位、鋼絲繩情況、構件碎塊清理情況、實際質量、吊裝的開始和結束時間、旁站管理人員姓名等信息，填報并檢查記錄表。根據統計數據，對結構置換工效及成本進行有效跟蹤。

5 基于BIM的遠程自動化監測平臺

為保證各參與單位人員對現場安全監測情況有全面直觀的了解，本項目開發了基于BIM的自動化監測平臺，該平臺可以實現三維模型展示、監測數據自動上傳、數據分析、結果展示、過程資料管理等功能，方便用戶在手機、電腦等終端設備上隨時查閱（圖8）。

圖8 基于BIM的自動化監測平臺

6 結語

1）針對本次高層建筑整體結構置換改建技術難點，利用BIM技術建立了適用于不同類型高層建筑的置換型結構改造技術路線，主要包括逐層置換法、抽層置換法、分區翻交置換法、綜合結構置換法等。

2）建立了考慮過程的整體結構置換改建不利工況甄別，及安全性與穩定性分析方法。

3）對工程中新、老結構在置換過程中的最不利工況進行仿真分析，從總體變形、結構承載力復核、構件穩定性分析等方面，綜合評定上述2種結構體系的安全性與穩定性，計算結果表明，新、老結構體系在最不利工況條件下安全穩定，為該項目總體結構置換路線的實施提供了理論依據。最終本項目順利改建完成。