海外超高層建筑基于BIM技術的數(shù)字化施工和智能控制

曹昌權，劉佳迪，何紅勤

(1.中交第三公路工程局第五工程分公司，北京 100084； 2.天津大學，天津 300072；3.北京思建新創(chuàng)工程質(zhì)量檢測有限公司，北京 100025)

0 引言

為響應“一帶一路”倡議，我國越來越多的企業(yè)參與海外項目建設[1-3]。由于國外法律政策、施工規(guī)范等標準和技術水平要求不同，使海外項目施工管理需要更有效的施工管控和流程控制，以滿足工期和質(zhì)量要求[4-5]。

在BIM技術支持下，操作人員通過電子模型完整儲存建筑信息，為該設施從概念到拆除的全生命周期決策提供可靠依據(jù)。通過建立BIM模型，實時對超高層建筑工程建設進行三維立體模擬，規(guī)范超高層建筑工程建設人員的操作行為，更好地控制建設進度和風險，及時發(fā)現(xiàn)并解決潛在問題。通過可視化三維視圖指導施工，降低工程建設難度，達到專業(yè)化施工水平，全面管控超高層建筑施工過程[6]。最初的BIM技術主要局限于建筑翻模展示或碰撞檢查，近年來在施工深化、模型輸出出圖、數(shù)字化施工模擬、施工進度跟蹤和智能化調(diào)度方面均發(fā)揮重要作用[7]。

1 工程概況

Havelock City商業(yè)發(fā)展項目位于斯里蘭卡首都科倫坡六區(qū)，地理位置優(yōu)越，占地約19 872m2， 總建筑高度為203.05m，總建筑面積141 092m2， 其中裙樓及地下室建筑面積約63 738m2， 塔樓建筑面積約77 354m2，包括地下2層停車場和地上49層鋼筋混凝土框架-核心筒結構。標準層大跨度梁板采用后張預應力結構(見圖1)。地上6層裙樓(3層為夾層結構)為購物商場和電影院，施工中涉及大體量的玻璃幕墻安裝和機電安裝工作。基坑開挖深度為9m，局部開挖深度為12m，為樁筏復合基礎。

圖1 項目效果

該項目總工期僅36個月，工期較緊張。項目建設涉及斯里蘭卡政府及相關職能部門，對外協(xié)調(diào)復雜。施工場地受限，且施工中包括大體量土方開挖、深基坑支護、基礎大體積混凝土施工、大體量幕墻施工、高支模施工、多標準機電系統(tǒng)安裝等施工流程，多方面因素導致該項目對施工效率和多專業(yè)穿插調(diào)度控制要求極高。

2 基于BIM的數(shù)字化施工

施工初期，在統(tǒng)一的坐標體系和建模標準下搭建完整的BIM信息模型，并在此基礎上進行施工深化設計。施工前可在BIM系統(tǒng)中進行數(shù)字化施工模擬，以實現(xiàn)多技術方案的對比和經(jīng)濟性比選。同時通過施工深化和施工方案演練查找施工關鍵技術問題，并提前予以解決。

2.1 基坑支護方案比選演練

該項目原設計基坑支護方案為型鋼內(nèi)支撐方式，由于工期緊張，施工深化設計時改為預應力錨桿支護方案，并在基坑支護前對錨桿支護進行數(shù)字化演練，以確定方案可行性。

基坑支護施工模型如圖2所示。通過建立基坑支護施工模型并進行施工進度預演，確定施工流程和進度，有效避免鋼支撐與土方開挖交叉施工。同時通過BIM模型對錨桿位置與周邊地下管線進行沖突檢查，以調(diào)整錨索標高、角度等。結合支護受力驗算，避免錨索與周邊建筑物基礎、市政管線發(fā)生沖突。BIM模型能夠可視化地展示地下錨桿施工過程，打消業(yè)主、周邊居民、當?shù)匦姓芾聿块T對地下空間侵占和基坑支護安全性方面的質(zhì)疑。

圖2 基坑支護施工模型

2.2 場地布置方案優(yōu)化

該項目占地面積較小，場地可利用空間有限，總建筑面積大，施工區(qū)域劃分較多，且存在交叉施工現(xiàn)象。在施工平面布置中使用BIM技術模擬現(xiàn)場施工環(huán)境，結合不同施工階段、工況先后開展臨時建筑物、臨時道路、施工機械設備、塔式起重機、加工棚與材料堆場等布置。對臨時設施、生產(chǎn)操作區(qū)域、大型設備安裝進行3D 模型構建，以動態(tài)方式進行合理化布局，優(yōu)化施工場地布置方案，同時提高機械設備的覆蓋率，降低運輸費用及材料二次搬運成本。對不同施工流程方案進行演練后，最終確定使用4臺TC6015塔式起重機，實現(xiàn)施工現(xiàn)場全覆蓋(見圖3)。

圖3 塔式起重機布置

施工過程中應實時監(jiān)控場地使用和調(diào)度情況。借助BIM 技術布置施工場地后，通過協(xié)同平臺，掃描二維碼管理機械設備，可隨時查看機械設備停放、調(diào)配及使用情況，并對下一步施工流程進行動態(tài)模擬和調(diào)整，以保障施工有序進行。

2.3 3D打印的應用及可視化

該項目施工人員技術水平參差不齊，因此BIM模型的可視化作用尤為重要。塔樓大廳和裙樓中庭涉及2處高支模施工，塔樓大廳除核心筒外均為高支模，其中梁底最大支撐高度為13.1m，邊梁梁底支撐高度為11.8m，樓板厚180mm，板底支撐高度為13.6m。商業(yè)裙樓板底支撐高度達15.8m，梁底支撐高度為14.6m。為保證高支架搭建質(zhì)量和安全，以及工人操作的正確性，施工前基于BIM模型模擬高支架搭建。構件建模及搭建過程的模擬完全按實際規(guī)范進行，可清晰完整地實現(xiàn)高支架整體搭建過程的可視化，指導實際施工。

為便于施工人員理解復雜結構的組成，基于BIM模型，對較復雜的結構部位提供3D打印(見圖4)。利用BIM模型各項數(shù)據(jù)，打印等比例縮小的塔樓核心筒、標準層實體模型。通過提供可視化的模型指導施工，同時對比模型與實物，可實現(xiàn)數(shù)字化驗收與施工質(zhì)量的事后控制。

圖4 3D打印結構模型

2.4 碰撞檢查輔助設計優(yōu)化

該項目建筑、結構及機電設計單位不同，設計布局并未相互協(xié)調(diào)，因此需進行大量施工深化設計。應用BIM碰撞檢查功能可在深化階段發(fā)現(xiàn)問題，并及時與設計相協(xié)調(diào)，反饋給業(yè)主提出解決方案，減少因設計沖突導致的工期延誤。

3 基于BIM的施工智能控制

該項目施工存在工作面交叉現(xiàn)象，結構施工中交叉點較多，涉及多專業(yè)且存在移交工作面協(xié)調(diào)問題。

3.1 移動終端與二維碼信息管理

該項目施工人員外語能力參差不齊，且場地狹窄，為方便人員間的準確交流，合理安排和利用有限空間，在BIM建模過程中結合二維碼信息技術，將材料信息、施工場地布置、機械設備保養(yǎng)記錄、檢修記錄、技術指標等信息進行關聯(lián)，再通過二維碼系統(tǒng)管理施工。另外可在手機端查看技術交底、技術方案、操作規(guī)程等。本工程中的鋁模板從深化設計到生產(chǎn)加工、運輸管理、現(xiàn)場拼裝，通過BIM與二維碼管理技術進行管理與指導，從而避免無序堆積、安裝錯誤等問題。

采用BIM5D搭建三端平臺，實現(xiàn)現(xiàn)場技術人員直接通過數(shù)字化終端內(nèi)的三維模型指導構件安裝、模板加工、機電管線綜合排布等，大大提高工作效率，實現(xiàn)無紙化辦公。同時數(shù)字化終端直接連接集成化BIM信息平臺，使模型及圖紙變更及時反饋到施工技術人員，實現(xiàn)構件、模板等實時跟蹤及信息查詢。

3.2 施工進度管理中的無人機應用

該項目與市政外圍標段的垂直交叉作業(yè)繁多，在圖紙上很難實質(zhì)性把控施工進度和流程。通過虛擬優(yōu)化進度計劃，將BIM技術關聯(lián)進度計劃與三維模型，可提前模擬施工場景。將Revit所建模型導入TFAS中，關聯(lián)BIM模型與工程進度表，使用TFAS實現(xiàn)工程進度統(tǒng)計和展示。通過模型與對應日期，可直觀查看工程進展。

為方便了解塔樓施工進度，實時跟進工程整體情況，應用BIM平臺結合無人機拍攝技術進行定期航拍，根據(jù)全景圖了解施工進度及臨時設施使用狀況。將現(xiàn)場情況與BIM模型進度計劃進行對比，以優(yōu)化施工進度及方案。

3.3 資源核算與造價管理

傳統(tǒng)造價管理無法與項目施工過程進行實時鏈接，造價管理時效性較差。總承包建設方在造價管理中利用BIM模型快速提取工程量，以輔助商務部門進行結算。

如在鋼筋算量方面，在BIM模型中確定鋼筋配置后，可通過軟件計算鋼筋設計用量，同時預估鋼筋實際用量。同時，施工過程中也可對比實際鋼筋用量，從而得知模型計算結果與實際的關系，分析現(xiàn)場鋼筋損耗狀況，以控制分包鋼筋使用，避免浪費及虛報。在混凝土算量方面，通過混凝土模型可知混凝土設計需求量，再對比工程師的現(xiàn)場計算量及混凝土最終澆筑量，可分析是否存在分包浪費混凝土或混凝土供應商偷方的現(xiàn)象。

造價管理中結合造價信息和BIM模型，可實現(xiàn)模型與工程量同步變化。用BIM模型統(tǒng)計實物量時，可即刻自動統(tǒng)計和獲取所需的模型實物量，并縮短結算時間。

3.4 危險源與安全管理

當各標段對各施工區(qū)域的危險源較模糊時，通過BIM技術可及時輔助發(fā)現(xiàn)危險源。基于集成BIM模型，總承包建設方可協(xié)助各標段分析安全死角，對局部存在較大安全隱患的部位、臨時配電點配置完善的消防措施。在BIM系統(tǒng)中根據(jù)建筑模型開展火災逃生仿真，從而在火災逃生路線上針對性地布置臨時消防裝置，保證人員安全撤離現(xiàn)場，減少材料損失和人員傷亡。

總承包建設方在BIM模型中配合安全管理與進度控制，在動火作業(yè)前明確當日動火作業(yè)的層面，把握實時狀態(tài)下各工作接口動火作業(yè)點的分布，并嚴格管控施工現(xiàn)場動火證開具的數(shù)目、期限等。

基于BIM模型，對管理人員進行防護設施模型布置可視化交底，確保管理人員理解布置內(nèi)容。利用模型三維標準化設計及可視化布置，提高對勞務人員的交底質(zhì)量及效率，保證現(xiàn)場布置與設計方案一致。

4 結語

在項目管理環(huán)節(jié)，施工企業(yè)往往難以有效應對各項管理工作，尤其是海外超高層項目，施工交接面多、施工進程易受不同地域文化和技術水平影響。在BIM技術的支持下，模型可相互關聯(lián)和識別，通過多維度信息模型實現(xiàn)整個施工進程的智能化調(diào)度與控制。BIM模型通過結合二維碼管理技術、無人機拍攝技術，實現(xiàn)施工進度及信息管理的實時更新及快速傳遞。通過引入3D打印及數(shù)字化建造技術使業(yè)主及各專業(yè)施工管理人員進行快速溝通。基于BIM平臺的虛擬演練及智能化設計和出圖等功能，可輔助優(yōu)化施工方案，實現(xiàn)整個施工流程的高效控制和合理調(diào)度。