疫情下的超高層建筑 BIM 技術深化設計分析與建造優(yōu)化

沈夏磊

（廈門市建安集團有限公司，福建 廈門 361000）

0 引言

2019 年 12 月至今，新型冠狀病毒 2019-nCoV 橫掃世界，給人民的生活和社會生產帶來前所未有的困難，工程建設領域亦深受影響。為了減輕疫情的影響，廈門國際悅海灣酒店項目技術組深入挖掘超高層建筑的技術特點，積極應用 BIM 技術進行設計分析，利用疫情的停工間歇，于現場施工前進行數字化模擬施工，進行建造優(yōu)化，為后續(xù)施工的開展創(chuàng)造大量的實用數據和價值，對疫情下的復工復產作出有力貢獻。

1 工程概況

廈門國際悅海灣酒店為廈門市重點項目，地點位于廈門市思明區(qū)演武大橋與演武路交叉口西北側，總建筑面積 104 712.97 m2，地下 2 層，地上為裙樓和酒店單體，總建筑高度 202 m。上部結構型式為型鋼混凝土柱-鋼梁外框-混凝土核心筒帶加強層結構組成的混合結構體系，地下室為框架結構體系，基礎形式為沖孔灌注樁基礎。疫情之前的工程進度為主樓主體一層、裙樓地下室底板及局部地下土方工程。

2 施工重、難點識別［1］

1）施工重點。基坑混凝土水平支撐拆除、大截面鋼柱鋼筋密集安裝、高空大懸挑鋼筋混凝土結構平臺建造、管線綜合布置及土建沖突處置技術、幕墻安裝。

2）難點。在不發(fā)生疫情次生災害的情況下高效組織復工復產，減少人員聚集，提高項目的質量、安全、進度、成本的管理水平，是本工程的難點。

3 深化設計分析

本項目在疫情的停工間歇期間，結合嚴峻的疫情形勢與施工現場的實際情況，通過 BIM 技術和建筑信息網絡管理平臺信息化措施，積極運用新技術、新工藝、新材料等進行深化設計分析，以“無接觸”的型式用虛擬建造優(yōu)化過程技術，分析成果可用來及時調整、優(yōu)化并分解各階段和總進度計劃，為后續(xù)施工的開展創(chuàng)造大量的實用數據和價值。

1）土方開挖分析［2］。基于 BIM 模型整合土方開挖方案，把地下室土方開挖分為 9 個區(qū)域（見圖 1），以動態(tài)形式進行整體方案模擬，作為土方開挖工作部署的依據。

圖1 地下室土方分區(qū)開挖

2）基坑支護分析?；又ёo工程中的底板高程點較多，施工難度大，結合 BIM 模型提前做好地下室支護體系的分析，確認豎向支撐格構柱與主體結構相互關系，優(yōu)化建筑模型，發(fā)現 5 根格構柱位置需作微調，以便于后續(xù)施工。

3）大截面鋼柱鋼筋密集安裝。本工程主樓部分每層設計 18 根 2.2 m×1.6 m 大截面型鋼柱，結構節(jié)點區(qū)域鋼筋密集、復雜，梁筋大面積地穿透鋼柱，這需要在型鋼柱上鉆較多的孔眼，這不符合 JGJ 138－2016《組合結構設計規(guī)范》第 6.6.12 條中“柱內型鋼的截面形式和縱向鋼筋的配置，宜減少梁縱向鋼筋穿過柱內型鋼柱的數量，且不宜穿過型鋼翼緣，也不應與柱內型鋼直接焊接連接”的規(guī)定。經深化設計后，技術組將鋼結構與鋼筋的連接方式修改為套筒接駁器搭接，可滿足規(guī)范要求；另外，為確保連接位置的準確性，避免現場開孔質量難以控制而對結構造成的損傷，減少疫情期間的工作量，技術組將鋼結構與鋼筋連接節(jié)點在深化模型中一體化建模［3］，建立虛擬樣板（見圖 2），全面反映連接節(jié)點構造、加固及鋼筋下料方式，在確保鋼筋數量、規(guī)格準確的同時，又能在鋼筋與鋼結構發(fā)生碰撞時進行微調，保證了節(jié)點精準度，且形成的模型可直接用于鋼結構加工。

圖2 大截面型鋼柱結構節(jié)點區(qū)域鋼筋安裝分析

4）管線綜合布置及土建沖突技術分析。在本企業(yè)近年來發(fā)布的省級工法 FJJSGF 45－2016《管線綜合布置工法》的指導下，應用 BIM 技術對地下室和樓層的管線布置進行優(yōu)化分析，提前發(fā)現各專業(yè)的設計與施工問題，提請在建各方確認和修改；在地下室和樓層的土建專業(yè)分析中，提前發(fā)現設計與施工問題，應用 BIM 技術進行分析、優(yōu)化。

5）施工電梯和塔吊分析。結合地下室管綜成果，確定施工電梯和塔吊位置，協調管線安裝，減少后期因塔吊、施工電梯的拆除而影響管線。

6）樓層分析。分析后發(fā)現，雖然本項目各專業(yè)圖紙比較完整，但還是在結構預留存在 24 處、綜合碰撞 64 處、高低板 17 處、凈高問題 21 處、設計矛盾 31 處、圖紙出入 12 處問題。

7）幕墻安裝分析。在深化設計幕墻方案過程中，發(fā)現原設計的構件式幕墻現場安裝需要 10 個工序，而單元式幕墻只需要 5 個工序。若是能將構件式幕墻優(yōu)化為單元式幕墻，將更能符合疫情下的施工管理形勢，而且不改變建筑室內和室外的建筑效果，亦可提高幕墻系統的氣密性、水密性、抗風壓等性能，更好地適應主體結構變形，進而提升建筑工程品質，減少施工安全風險，節(jié)省施工周期和成本。

8）高空大懸挑鋼筋混凝土結構平臺建造分析。高空大跨度的懸挑平臺結構位于 34 至 35 層（見圖 3），下部離地 154.85 m，結構層高 4.5 m，最大懸挑為 9.6 m，懸挑面積 168 m2。以 SRC 結構為主，由兩個斜撐桁架做加強結構。用 BIM 技術分析懸挑點位放樣方法，提前確定測量放線方案，用引測法確定外圍折角弧形鋼筋混凝土梁的測量控制點，作為后續(xù)施工的依據。

圖3 159 m 高空外懸挑 9.3 m 結構分析

4 BIM 技術建造優(yōu)化措施

應用連接建設各方的 BIM 建筑信息網絡管理平臺，在實現虛擬建造的同時，可實現建造信息及時地互通互聯，為建造的優(yōu)化提供實際的解決方案。

4.1 虛擬建造

運用 BIM 技術進行虛擬建造，將 BIM 技術設計分析的結果和工程經驗導入三維圖紙，進行碰撞檢測、能耗分析和成本預測等，過程中各個專業(yè)相互協同，虛擬模型可以在施工之前把施工方法、施工過程模擬和施工方案等關于工程的功能和建造性等潛在問題進行預測，這對疫情下的施工建造有著重要意義。

4.2 BIM 建筑信息網絡管理平臺（見圖 4）

建立連接建設、設計、監(jiān)理單位的BIM建筑信息網絡管理平臺，實現建筑信息的互聯互通、數據應用、協同共享、綜合展現，以“無接觸”的型式，搭建一個以進度為主線，以項目為主體的多方協同、多級聯動、管理預控、整合高效的智能化生產管控平臺，對項目進度進行階段性的分解、優(yōu)化，將 BIM 模型與進度計劃、材料供應計劃、設備供應計劃等結合起來，可以對項目進行虛擬建造，特別是關鍵部位，關鍵節(jié)點的施工，提前預知可能出現的問題，判斷施工工藝是否合適，工序是否合理，材料設備供應是否充足，更加合理地配置勞動力計劃、材料計劃及設備計劃，達到節(jié)省工期，節(jié)約成本的目的，提高項目管控水平，保障工程質量、安全、進度等建設目標的順利實現。

圖4 BIM 建筑信息模型多方協同管理平臺

5 建造優(yōu)化的效果

深化設計分析后，后續(xù)的建造過程技術得到了優(yōu)化，能及時調整、分解各階段和總進度計劃，提升項目應對重大疫情條件下的施工管理水平，為制定詳細的復工方案和應急預案提供了有力的保障。

5.1 基坑混凝土水平支撐拆除優(yōu)化的效果

通過 BIM 模型對支撐拆除工序進行模擬，并對運輸動線進行檢討，提前發(fā)現解決路線障礙問題 2 處，同時輸出視頻動畫用于對班組的技術交底，生成二維碼，便于班組學習，可較原定計劃提前 4 d 完成拆撐工作。

1）工期優(yōu)化。經初步測算，優(yōu)化后可節(jié)約工期 4 d，可實現工期管理的優(yōu)化。

2）成本和質量優(yōu)化。工藝水平的提高，帶來支撐拆除工序的優(yōu)化，每天可減少用工 3 人，功效可提高 10 %，節(jié)約成本 12 萬元，實現了成本和質量管理的優(yōu)化。

3）安全管理優(yōu)化。建立的支撐拆除 BIM 模型模擬技術，不但可以生成二維碼用于對班組的技術交底，還降低了安全隱患，實現了安全管理的優(yōu)化。

5.2 大截面型鋼柱鋼筋密集安裝優(yōu)化的效果

通過 BIM 模型對型鋼柱節(jié)點建立虛擬樣板，在工地建立 1∶1 實體樣板，用于對班組的技術交底，明確施工要點、重點，提高班組的型鋼梁柱的鋼筋施工效率，人工功效提高 10 %，可節(jié)省工期 18 d，節(jié)約成本 12 萬元。

5.3 159 m 高空外懸挑 9.3 m 鋼筋混凝土結構平臺［4］優(yōu)化的效果

基于 BIM 模型分析的成果進行建造優(yōu)化后，制定后續(xù)的模板支撐施工專項方案，懸挑施工平臺的安裝可借助塔吊吊裝輔助完成，待 34 層梁板澆搗完成后，結構強度達到設計值后，模板支撐體系方可進行拆除。

另外，該平臺的用途為觀景平臺，為便于疫情下的項目管理，已向甲方和設計提出優(yōu)化方案，將鋼混結構的懸挑平臺修改為鋼結構，可節(jié)約建設資金，降低施工風險，縮短工期。

5.4 管線綜合布置及土建沖突處置技術應用優(yōu)化效果

在本企業(yè)近年來發(fā)布的省級工法 FJJSGF 45－2016《管線綜合布置工法》的指導下，應用 BIM 技術對地下室的管線布置進行優(yōu)化，發(fā)現并解決了地下管線碰撞沖突約 1 萬多處；另外，提前發(fā)現了土建 86 處、機電 113 處設計沖突及問題，繪制深化設計詳圖：預留洞口圖 20 張、管線綜合及單專業(yè)圖 90 張、待確認出圖 15 張。設計根據 BIM 意見修改聯系單：建聯 13 張、結聯 17 張、水聯 6 張、電聯 4 張、暖聯 5 張，共計 136 條。經測算，預計可節(jié)省工期 27 d，節(jié)約成本約 286 萬元。

5.5 幕墻安裝技術優(yōu)化的效果

單元式幕墻安裝工序較少，安全管理效率高，且工期較短，質量有保證，可大大降低綜合成本。選用優(yōu)化后的單元幕墻方案較原方案可節(jié)約工期 5 個月，縮短總工期 70 d，功效大幅提高，實現了質量、安全、成本和工期管理的優(yōu)化。

6 經濟和社會效益

在對施工圖進行深化設計分析后，發(fā)現本項目在結構預留、綜合碰撞、高低板、凈高問題、設計矛盾、圖紙出入等方面存在問題，技術組根據項目的實際工況進行建造優(yōu)化，現已累計出圖 100 余張，取得了良好的效果。

6.1 經濟效益

在深化設計與建造優(yōu)化后，項目的投資回收期、投資回報率等財務指標得到改善，節(jié)約了工期和成本，顯示出降本增效的良好效果（見表 1），體現出 BIM 技術應用與虛擬建造的先天優(yōu)勢。

表1 經濟效益合計匯總

6.2 社會效益

廈門國際悅海灣酒店是廈門市新的地標性超高層建筑，定位為超五星級酒店項目，與廈門大學、南普陀寺、世茂海峽大廈等著名景點相鄰。疫情期間，項目積極應對，盡快恢復生產、抓緊復工，克服重重困難，實現了質量、安全、進度、成本的多重收益，獲得各方的好評。

7 結語

BIM 技術對施工難度大、工序復雜的超高層建筑有先天優(yōu)勢，可引領整個建造過程。本項目在疫情的停工間歇期間，項目技術團隊積極應用 BIM 技術進行施工前的設計分析，深化設計與施工方案，于現場施工前進行數字化模擬施工，進行建造優(yōu)化，為后續(xù)施工積累了大量的實用數據，為疫情下的復工復產作出有力貢獻，可為后續(xù)超高層建筑的建設提供更多的啟發(fā)和參考。