BIM技術(shù)在超高層建筑施工管理中的應(yīng)用研究

摘要：為解決人地沖突問題，超高層建筑得到了人們廣泛關(guān)注，已經(jīng)成為未來房建工程的發(fā)展趨勢。但是，超高層建筑的設(shè)計和建造十分困難，以前的施工管理技術(shù)難以應(yīng)用于當(dāng)前的超高層建筑設(shè)計管理標(biāo)準(zhǔn)。在超高層建筑施工中，引入BIM技術(shù)可以對超高層建筑工程進(jìn)行3D可視化模擬，對項目施工建設(shè)流程進(jìn)行優(yōu)化，一定程度上降低施工過程中潛在的風(fēng)險，提升超高層建筑施工安全性。對BIM技術(shù)的模擬、協(xié)調(diào)和優(yōu)化，可以有效保證工程質(zhì)量，節(jié)約成本，減少工期。

關(guān)鍵詞：超高層建筑;BIM技術(shù);施工流程;施工管理

0" "引言

BIM技術(shù)是Building Information Modeling的簡稱，最早由Chuck Eastman等人提出，其主要工作思路是基于3D數(shù)字化建筑結(jié)構(gòu)模型，提升項目設(shè)計、施工和后期運營等各階段管理水平。

部分學(xué)者對BIM技術(shù)在超高層建筑中的應(yīng)用展開了相關(guān)研究。任兵[1]研究了BIM技術(shù)在超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的價值，明確了BIM系統(tǒng)在工程項目中的具體實施步驟。楊濤[2]等將BIM技術(shù)應(yīng)用于蕪湖僑鴻超高層建筑施工中，并從各施工階段施工現(xiàn)場的整體情況、工程量計算、重難點施工部位交底、鋼結(jié)構(gòu)的深化設(shè)計以及方案評選等角度，闡明了BIM技術(shù)的作用，為解決超高層項目的設(shè)計和施工一體化等問題提供了一定思路。趙英猛等[3]通過BIM技術(shù)對超高層施工所面臨就的重難點問題進(jìn)行相關(guān)討論，并利用BIM技術(shù)對超高層施工方案進(jìn)行了一定優(yōu)化。黃偉[4]研究了BIM技術(shù)的應(yīng)用效果，并重點論述了BIM技術(shù)在超高層復(fù)雜結(jié)構(gòu)中的節(jié)點優(yōu)化設(shè)計中的應(yīng)用。周赤晨等[5]通過BIM技術(shù)對杭州奧克斯項目施工過程進(jìn)行了精細(xì)化管理，并對項目施工過程進(jìn)行了模擬，有效改善了項目施工中出現(xiàn)的技術(shù)、生產(chǎn)以及成本等諸多問題。楊春林[6]研究發(fā)現(xiàn)，BIM技術(shù)可有效提升超高層建筑施工的效率。由此可見，在超高層建筑施工管理中引入BIM技術(shù)，可有效優(yōu)化建設(shè)流程，準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)施工過程中的潛在風(fēng)險，提升工程安全性。

1" "工程概況

1.1" "工程背景

擬建項目為該市重點建設(shè)項目，總建筑面積達(dá)152891m2左右，其中地面以上建筑面積129540m2，地面以下建筑面積23351m2。該項目建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計使用年限為50年。建筑總高度為260m（屬于超高層建筑），總層數(shù)58層，地上54層，地下4層。

本項目的主要功能為購物、辦公及五星級酒店。1～6層為大型購物商場，7～47層為商務(wù)辦公，48～54為五星級酒店。建筑整體采框-筒結(jié)構(gòu)，外框架用鋼骨混凝土柱結(jié)構(gòu)。本項目是一個集商業(yè)、酒店、辦公為一體的多元化超高層建筑結(jié)構(gòu)，計劃25個月完成主體結(jié)構(gòu)，施工過程中需要同時保障質(zhì)量、工期和安全等。

1.2" "工程重點難點分析

項目對工期要求嚴(yán)格，近50家分包單位，上百家材料供應(yīng)商，涉及多種專業(yè)和施工工藝的交叉，施工難度巨大。再加上施工場地空間限制，對不同材料和機(jī)械的調(diào)度難度增大，嚴(yán)重影響施工進(jìn)度，導(dǎo)致工期延長。

超高層結(jié)構(gòu)建筑的高空作業(yè)帶來的不安全因素，是施工過程中必須充分考慮的問題。超高層建筑的高空作業(yè)與普通建筑的作業(yè)有著本質(zhì)區(qū)別，由于其大量的施工作業(yè)都是在高空中進(jìn)行，導(dǎo)致預(yù)留洞墜人事件時有發(fā)生。

由于施工場地有限，項目周邊環(huán)境十分復(fù)雜，再加上工期等因素的影響，上下同時施工的情況增加，立體交叉作業(yè)導(dǎo)致的傷亡事故時有發(fā)生。為此協(xié)調(diào)組織各專業(yè)、各工序之間的前后置關(guān)系，是項目面臨的重要挑戰(zhàn)。

項目工期在2年左右，由此造成許多設(shè)施可能放置較長時間再使用。這期間由于人為因素、環(huán)境因素的影響，可能會使部分設(shè)備由正常使用狀態(tài)轉(zhuǎn)為危險狀態(tài)，稍有不慎，就容易發(fā)生重大事故。鑒于此，必須將時間和環(huán)境導(dǎo)致的危險因素考慮全面。

超高層建筑施工時一般需要多塔作業(yè)、群塔作業(yè)及塔吊臨街作業(yè)，再加上施工電梯運行高度高，風(fēng)荷載影響大，導(dǎo)致超高層對設(shè)備自身安全性要求很高。

2" "BIM技術(shù)在超高層建筑施工中的應(yīng)用

2.1" "BIM技術(shù)深化模型建立

通過BIM模型進(jìn)行動態(tài)模擬展示本項目的關(guān)鍵工序和施工工藝做法，進(jìn)而指導(dǎo)項目現(xiàn)場施工。BIM建模時，需根據(jù)施工圖紙建立專業(yè)模型，協(xié)調(diào)各個相關(guān)專業(yè)完成模型深化。然后進(jìn)行模型的沖突檢測，根據(jù)沖突檢查結(jié)果反復(fù)進(jìn)行模型優(yōu)化。沖突檢測通過后生成施工作業(yè)模型，按照深化圖紙指導(dǎo)現(xiàn)場施工。深化模型建立流程如圖1所示。

2.2" "BIM技術(shù)協(xié)同現(xiàn)場質(zhì)量、安全管理

基于BIM技術(shù)的協(xié)同管理平臺可以達(dá)到協(xié)同作業(yè)的目的，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)、云計算等手段，建立以業(yè)主為核心，圍繞安全、質(zhì)量、進(jìn)度等控制點，通過BIM技術(shù)保障項目高效推進(jìn)。當(dāng)施工現(xiàn)場出現(xiàn)工程質(zhì)量、人員安全等問題時，相關(guān)負(fù)責(zé)人應(yīng)第一時間在BIM平臺中上傳相關(guān)問題，并督促施工方團(tuán)隊及時整改。整改過后，應(yīng)該在第一時間將結(jié)果反饋會BIM平臺，由相關(guān)負(fù)責(zé)人進(jìn)行驗收。通過對質(zhì)量、安全等問題的統(tǒng)計分析，進(jìn)而監(jiān)督整個項目。

2.3" "基于BIM技術(shù)的施工圖深化設(shè)計

基于BIM技術(shù)的施工圖深化設(shè)計，主要包含機(jī)電施工深化設(shè)計、鋼結(jié)構(gòu)施工深化設(shè)計、三維算量、碰撞研究等。將多專業(yè)的三維模型進(jìn)行匯總、疊加和集成，可在BIM平臺上實現(xiàn)三維可視化。

2.4" "碰撞研究

碰撞研究是BIM應(yīng)用的技術(shù)難點，同時也是BIM技術(shù)應(yīng)用初期最易實現(xiàn)、最直觀、最易產(chǎn)生價值的功能之一。根據(jù)美國建筑行業(yè)研究院2007頒布美國國家BIM標(biāo)準(zhǔn)，建筑業(yè)無效工作高達(dá)57%。斯坦福大學(xué)在總結(jié)BIM技術(shù)價值時發(fā)現(xiàn)，使用BIM技術(shù)可以消除40%的預(yù)算外變更，通過及早發(fā)現(xiàn)和解決沖突可降低10%合同價。

工程中將實體相交定義為碰撞，當(dāng)實體間的距離小于設(shè)定公差時為硬碰撞，影響施工或不能滿足特定要求時為間隙碰撞。在本項目中，對建立的BIM模型進(jìn)行碰撞檢測，專業(yè)之間沖突、高度方向上碰撞是考察的重點。根據(jù)BIM模型提供的碰撞檢測報告，可將一些看上去沒問題，而實際上卻存在的深層次問題暴露出來。

針對目標(biāo)問題對模型進(jìn)行進(jìn)一步修正，并按方案要求對設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化變更，有效地避免了施工中的返工、停止施工等情況發(fā)生，很大程度上降低了設(shè)計變更，保障了工程進(jìn)度按時完成。管線碰撞檢查如圖2所示。

2.5" "機(jī)房優(yōu)化設(shè)計

鑒于本項目的規(guī)模大、場景復(fù)雜，在進(jìn)行管線綜合規(guī)劃時，需要對機(jī)房進(jìn)出口和管道井等區(qū)域進(jìn)行深層優(yōu)化。基于BIM技術(shù)對機(jī)房中各個重點施工部位進(jìn)行針對性優(yōu)化，可幫助機(jī)房施工人員及時發(fā)現(xiàn)問題，保證管線排布美觀、合理。運用BIM進(jìn)行管井管線布設(shè)時，應(yīng)保證管井與結(jié)構(gòu)之間無碰撞，水平管道進(jìn)出管井時做好管井墻體的留洞，避免后期開鑿。

在保證管井內(nèi)管線的立管定位與管井水平進(jìn)出管無交叉的同時，要保證施工操作空間。如有必要，需要考慮管井墻體后砌筑。各類閥門、壓力表等管道附件均占用管道以外的空間，在保證安裝空間充足的同時，要考慮其后期檢修維護(hù)空間，因此在做綜合排布時應(yīng)盡量將其布置在外面。通過BIM技術(shù)的機(jī)房優(yōu)化設(shè)計，可以有效縮短工期，降低施工成本。

2.6" "鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計

以設(shè)計方出具的鋼結(jié)構(gòu)施工圖為依據(jù)，通過應(yīng)用Tekla Structures軟件創(chuàng)建BIM模型，進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)詳圖的設(shè)計及智能節(jié)點設(shè)計。而后根據(jù)施工圖提供的構(gòu)件布置、構(gòu)件截面、主要節(jié)點構(gòu)造及各種有關(guān)數(shù)據(jù)和技術(shù)要求，嚴(yán)格按照鋼結(jié)構(gòu)相關(guān)設(shè)計規(guī)范和圖紙規(guī)定，對構(gòu)件構(gòu)造予以完善。根據(jù)工廠制造條件、現(xiàn)場施工條件，并考慮運輸要求、吊裝能力和安裝因素等，確定合理的構(gòu)件單元。鋼結(jié)構(gòu)深化交底流程如圖3所示。

針對復(fù)雜連接結(jié)點，利用BIM分析大型鋼筋和墻體之間的連接結(jié)點及各個結(jié)點之間鋼筋的排布規(guī)律，可有效減少鋼筋和墻體結(jié)構(gòu)之間的相互碰撞，降低現(xiàn)場的返工率。復(fù)雜連接節(jié)點如圖4所示。

2.7" nbsp;BIM技術(shù)對現(xiàn)場施工工序管理的應(yīng)用

超高建筑工程規(guī)模大、建設(shè)周期長，涉及多種專業(yè)和施工工藝的交叉，且運用到的施工技術(shù)繁雜，由此導(dǎo)致整個項目面臨諸多挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)的工序管理方式難以適應(yīng)需求。而通過采用BIM技術(shù)，則可對施工現(xiàn)場總平面圖布置、施工電梯運力分析、塔吊運力分析、多專業(yè)協(xié)調(diào)、技術(shù)交底等進(jìn)行實時模擬，它通過一種直觀的方式，讓所有工程人員深入的了解現(xiàn)場情況。

實時分析整個施工現(xiàn)場的整體平面組織布局以及示意圖，有利于及時提出修改意見，有效解決所面臨的現(xiàn)場施工場地不足以及運輸困難等諸多難題。BIM技術(shù)可實現(xiàn)虛擬施工，它將空間數(shù)據(jù)信息與時間數(shù)據(jù)信息相互集成到一個完全可視化的建筑物模型中，直觀、準(zhǔn)確地反映建筑各個部位的施工工序流程，可對實際施工進(jìn)度與進(jìn)度計劃進(jìn)行動態(tài)管理，有效協(xié)調(diào)各專業(yè)的交叉施工，確保工程順利展開。

2.8" "BIM對安全管理的應(yīng)用

通過可視化的BIM模型，可以使項目管理人員在施工前，就可以清楚下一步要施工的所有內(nèi)容以及明白自己的工作職能，確保安全管理有序進(jìn)行。按照施工方案有組織管理，及時了解現(xiàn)場的資源使用情況，能夠使管理者全面把控施工現(xiàn)場的安全管理環(huán)境，增加過程管理的可預(yù)見性。同時能夠促進(jìn)施工工程中的有效溝通，及時發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，從而提高工程的安全管控能力。

3" "應(yīng)用效果和效益分析

利用BIM技術(shù)提前進(jìn)行設(shè)計階段的方案選型，從根本上解決設(shè)計缺陷。利用BIM技術(shù)歷史模型數(shù)據(jù)可進(jìn)行限額設(shè)計，限額設(shè)計指標(biāo)提出后參考類似工程項目計算造價數(shù)據(jù)，一方面提升了測算深度與準(zhǔn)確度，另一方面也可減少計算量，降低了人力與物力成本。經(jīng)過綜合估算，本工程應(yīng)用BIM技術(shù)至少可縮短工期26d。

BIM技術(shù)不僅可快速完成模型概算，并核對其是否滿足要求，還能進(jìn)一步對施工工藝和方法進(jìn)行模擬，確保施工方案的可行性，有效避免了返工和浪費。通過BIM技術(shù)的碰撞檢查，可發(fā)現(xiàn)設(shè)計與實際施工的矛盾，減少變更與返工情況的發(fā)生。

4" "結(jié)語

BIM技術(shù)在超高層建筑施工管理方面發(fā)揮著巨大作用，利用BIM技術(shù)可以實現(xiàn)項目施工過程的精細(xì)化管理及施工過程模擬，同時可以優(yōu)化提升現(xiàn)場管理，使得各分包之間溝通更加順暢。基于BIM技術(shù)構(gòu)建的數(shù)字化平臺，不僅可以實現(xiàn)多公司之間信息共享，優(yōu)化計算效率和運算精度，還可降低人為因素的干擾，提升整個項目團(tuán)隊的效率，從而保證工程按計劃完成。

參考文獻(xiàn)

[1] 任兵.基于BIM的可視化技術(shù)在超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用"[J].智能建筑與城市信息，2018， 10（10）：85-86.

[2] 楊濤，李蕾，王廣濤，等. BIM 技術(shù)在超高層建筑施工中的應(yīng)用"[J].建筑施工， 2015， 21（2）：237-239.

[3] 趙英猛， 時春震， 徐歆焱， 等. BIM 技術(shù)在超高層施工中的探索與應(yīng)用[C].中國建筑施工學(xué)術(shù)年會. 2016.

[4] 黃偉. BIM技術(shù)在超高層復(fù)雜外框巨柱鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點優(yōu)化設(shè)計中的應(yīng)用[J]. 智能城市，2020， 6（8）：216-217.

[5] 周赤晨，周錚，白金鑫. BIM 技術(shù)在超高層建筑施工中的應(yīng)用——以杭州奧克斯項目為例[J].土木建筑工程信息技術(shù)， 2019，3（8）：180-180.

[6] 楊春林. BIM技術(shù)在超高層建筑施工中的應(yīng)用研究[J].四川建材， 2020，46（5）：79-80.