BIM 在高層建筑改造施工中的應用研究
——以錦滄文華廣場項目為例

丁杰DING Jie

（無錫拈花灣文化旅游發展有限公司，上海 200040）

1 背景

2021 年3 月《中華人民共和國國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和2035 年遠景目標綱要》中提出將“城市更新”目標，“推進城市生態修復、功能完善工程，統籌城市規劃、建設、管理，合理確定城市規模、人口密度、空間結構，促進大中小城市和小城鎮協調發展。”

據統計，截至2022 年底，我國城鎮化率達到65.22%，有9.2 億人生活在城鎮，城鎮化快速推進過程中積累了一些矛盾和問題，城市的整體性、系統性、宜居性、包容性逐步和生長性不足，大城市的“城市病”問題突出，不少城市老舊房屋和市政管線存在安全隱患，城市發展和功能受限制。

“城市更新”勢必會帶來城市建筑群的新建與改造，特別是高層建筑的新建。

上海市錦滄文華酒店位于南京西路，經過30 年的發展，逐漸地不適應地理區位的風貌和建筑設計要求，因此采用結構拓換的城市更新方式，進行全方位的功能改造和性能提升，建筑功能由酒店轉變為商業和辦公（如圖1）。原建筑包括主樓和裙房，主樓建筑面積約6 萬平方米，地上30 層，地下一層，屋面高度為99.500m；裙房地上四層。改建過程保持主樓結構總高度不變，建筑結構層高由3.2m 改建為4.5m，共22 層，結構體系由框架-核心筒結構拓換為鋼框架-核心筒，由地下室一層增至四層。

圖1 錦滄文華酒店改造項目

2 高層建筑改造施工現狀與問題

高層建筑與普通工程不同，施工過程有很多挑戰。特別是改造項目，往往具有以下施工難點：①施工規模大，施工周期長。高層建筑改造周期通常需要2 到3 年甚至更久。因為改造方案的不確定性，往往給施工管理帶來時間和成本壓力。②結構復雜，改造施工難度大。高層建筑的基礎工程因為需要支撐上層建筑，基坑通常較大且深。在改造過程中，施工復雜程度提升。高層建筑一般外觀形式非常奇特，在改造過程中局限性較大，也為改造方案設計與施工帶來難度。③建筑高度大，材料吊裝風險高。高層建筑體量大，在改造過程中施工材料和設備多且雜，垂直運輸的工作量大，由于場地狹小，吊裝風險較高。④高層建功能復雜，改造安裝難度大。高層建筑通常集辦公室、酒店、休閑、娛樂和購物功能為一體，大型而復雜。系統不僅包括給排水、暖通、電氣結構，往往涉及智能建筑等現代化系統。新技術、新設備的采用和安裝，給項目改造過程帶來難度。⑤邊設計邊施工，不確定性高。高層建筑因涉及的改造范圍較大，往往設計方案不確定，可能存在分步設計和施工的情況，給管理和施工帶來難度，往往出現問題后，由于工期緊急，只能針對問題做相應的調整，靈活性低。

3 BIM 在高層建筑改造施工中的應用內容設計

本項目建筑高度99.5m，接近超高層建筑，施工過程復雜且難度大。在本項目改造施工過程中，在結構施工、安裝施工和數字化應用中進行BIM 應用設計，可以對重難點設計施工方案模擬應用，合理判斷方案的可行性，輔助決策，確保施工有序進行。

3.1 基于BIM 的高層建筑改造結構施工應用

高層建筑通常為鋼結構設計，鋼結構占地少、強度高、拆卸方便，具有較多優點，實用性較強。涉及主要鋼結構形式為鋼板墻，截面形式包括H 形、箱形、十字形、圓形等。在本項目的改造目標中，要求改變結構層高，減少層數，施工難度較大，要重新進行結構設計。由于項目改造施工工期緊，原有結構和新結構方案的施工方案銜接，如何確保施工安全和設計合理，極其重要。通過BIM 構建原結構，再構建新的結構方案，模擬拆除方案，鋼結構施工方案，并對結構方案進行合理性驗證，可確保項目設計方案可靠，施工方案合理可行。

3.2 基于BIM 的高層建筑改造安裝施工應用

高層建筑的系統較一般建筑多且復雜，且安裝需要滿足造型設計。本項目為酒店功能轉變為商業和辦公功能，系統多且安裝繁雜。商業和辦公的使用體驗注重感官視覺，凈高及視線比較重要。通過BIM 的可視化特性，在安裝施工前進行管線綜合，應用BIM 模型出具二維圖紙，指導安裝，精確控制凈高。同時，在1:1 的BIM 環境下，進行安裝后的視線漫游模擬分析，有助于提前發現問題，確保最佳的使用體驗。本項目具有裙房，且地理位置處于繁華地段，對屋面、電梯等空間的視線模擬分析，對于項目方案的優越性具有重要的作用。更加符合“城市更新”的目標。

3.3 基于BIM 的高層建筑改造數字化應用

BIM 在城市數字化中的應用在不斷發展。在本項目的改造施工過程中，構建數字化管理和應用方案，對后續的運維階段應用，城市的數字化建設，具有很高的意義。在項目設計方案和施工過程中，通過數字化掃描技術，構建原建筑的3D 模型，在BIM 模型中輸入數據信息，構建監測模型，對施工過程進行數字化管控，實現數字化監控與管理。

4 BIM 在高層建筑施工中的應用

4.1 BIM 在高層建筑結構施工中的應用

4.1.1 基于BIM 的高層建筑結構拓換技術

既有高層建筑結構拓換的技術特點為老結構的拆除與新結構的建立穿插實施，新老結構體系通過構件置換完成過渡轉換。錦滄文華酒店新老結構體系特定的空間關系，提出了基于半永久過渡體系的結構置換技術體系，其結構改造的核心方案：先將原建筑部分構件拆除，為新結構豎向構件和部分水平結構的施工創造條件，施工新結構的豎向構件和部分水平樓層形成過渡體系，并與原剩余結構空間并存；而后再將剩余老結構拆除；最后施工的新建筑結構部分從而形成新結構體系的整體轉換（如圖2）。

圖2 錦滄文華酒店結構拓換體系示意圖

高層建筑結構改造是一項復雜的系統性工程，尤其在結構改動較大的情況下，技術路線的確定具有相當的復雜性。改造過程和施工必須經過論證與評估的兩方面綜合考慮。

4.1.2 基于BIM 模型的受力分析及穩定性驗算

與新建工程不同，既有高層建筑結構改造過程中新、老建筑受力特點均屬于瞬變結構，結構體系的最薄弱環節往往發生在拆除過程中而不是新建中，拆除路線的設計不僅時刻關注改造完成狀態時的結構安全，更加要注重過程中過渡結構體系的安全元素。在將第一階段拆除和加固過程中，塔樓拆除過程屬于邊拆邊加固的過程，施工過程中隨著結構的拆除造成老結構混凝土建筑逐漸薄弱起來。此同時還需要在相應的位置固定臨時鋼結構構件，從而容易造成結構失穩。利用計算機系統中BIM 模型及動態仿真將從頂層至基礎拆除過程中每一個構件的受力分析及余留結構的穩定性進行模擬，往往在實際施工過程中，拆除過程與加固過程同步進行（如圖3）。

圖3 結構拆除過程中的結構穩定性分析

4.1.3 基于BIM 模型的施工技術可行性分析

建筑改造有各種各樣的客觀因素和限制條件，方案的落地必須充分考慮其現場可操作性，場地條件、操作界面、技術工藝、安全措施、設備資源等因素都會成為影響施工技術路線實現的因素。項目結構拓換及加固采用鋼結構形式，鋼結構施工始終貫穿于混凝土結構拆除過程中，如何確保鋼梁、鋼柱以及鋼支撐的順利吊裝是施工過程中面臨的重大難點。

第一階段鋼結構加固過程中每層新增鋼柱36 根（主樓22 根，三角區1414 根），截面最大尺寸□1250*700*70*70，重量重達G=12.7t。在“滿目瘡痍”的混凝土結構與腳手架之間吊裝鋼柱、鋼支撐經過嚴格的工序模擬。利用于BIM 模型的可視化特點，首先進行拆除與加固模型碰撞檢查（如圖4）進行驗算加固模型的調整，然后模擬實際工況將混凝土結構中拆除洞口、腳手架敷設可視化在模型中并進行虛擬吊裝模擬驗證可行性（如圖5）。

圖4 拆除結構與結構結構模型碰撞檢查

圖5 工況吊裝模擬及影響分析

4.2 BIM 在高層建筑施工安裝中的應用

4.2.1 基于BIM 技術的管線深化及視線分析

城市更新目的就是針對城市建成區城市空間形態和功能進行整治、優化、改善，實現房屋使用、市政設施、公共建設配套等完善。錦滄文華酒店從原有標準層高3.2m 改造的新標準層高4.5m，改造的目的就是取得更好地舒適體驗，為了更有效的、更節約的利用空間管線，利用BIM技術針對內部建筑綜合管線深化設計進行合理設置。

4.2.2 基于BIM 的綜合管線深化設計

結構拓換后的建筑為鋼結構工程比混凝土結構有比較多的支撐構件，而傳統的該項目加第二次加固過程中因部分受力鋼構重復利用未進行拆除，從而導致管線深化設計過程中綜合區域無法進行排布管線，利用BIM 模型將風口、燈槽、風機末端設置于鋼梁縫隙（如圖6），從而有效的合理的避開鋼結構進而控制凈高。

圖6 裙房商業1-4F 綜合管線深化模型

4.2.3 基于BIM 的典型位置視線分析

項目位于上海市南京西路，周邊依舊是大量的城市綜合體及文物風貌建筑，錦滄文華酒店改造過程同時應注重裙房屋面設備及電梯井道的高度及視線分析情況。依據項目設計部關于視線討論分析（如圖7），確定約20 個視線分析點和4 個總鳥瞰點，用于分析裙房商業屋面層設備突起情況，其中最遠距離到達南京東路與銅仁路路口，裙房設備層施工方案符合視線要求。

圖7 南京西路屋面設備柵欄視角分析

4.2.4 基于BIM 的地下室停車位漫游分析

南京西路隸屬于繁華地段，地下室建筑空間緊張造成項目設計本身停車位方案不足，利用BIM 模型將管線深化及完成面可視化的漫游展示（如圖8），經過多次與設計院討論修改，增加車位達到約20 輛。

圖8 地下室停車方案漫游分析

4.3 BIM 在高層建筑施工中的數字化動態應用

錦滄文華酒店改造工程作為典型的城市更新項目，和新建工程具有“設計信息完備、材料檢測充足”的條件并不一致，30 年前的手繪圖紙見證了時代的發展。結合現代化、數字化的技術在建筑數據復原、既有結構受力分析、精細化材料管理等多方面的工具更大化的滿足項目。

4.3.1 BIM+3D 掃描技術

項目改造過程中既時刻進行地下室范圍糾偏調整，又要確保地上、地下合理的同時施工。采樣傳統建筑數據重建分析方法人工采用水準儀、全站儀等工具進行實測實量法具造成工作量大、效率較低。基于三維掃描與BIM 的地下連續墻與結構外墻碰撞分析技術，通過3D 掃描技術獲取施工現場初始實際三維信息數據，將三維點云模型與BIM 設計模型高精度拼接，通過偏差色譜分析判別地下連續墻與結構外墻碰撞情況，并將分析結果反饋給施工現場指導后續施工（如圖9）。提供高精度、高效率的數據模型重建與校核。

圖9 地下連續墻與外墻偏差色譜分析圖

4.3.2 BIM+信息監測平臺

該項目共有兩個拆除階段和兩個加固階段，每一個階段都有混凝土結構和鋼結構穿插，設計過程的模擬與分析僅是在實際結構簡化基礎上進行分析計算，分析結果與實際情況往往存在一定程度的差異。因此，應在施工過程模擬分析的基礎上，重視施工過程的監測，通過監測數據反饋和預警，為設計過程中的數據進行驗算，為項目技術和措施的調整提供決策依據。在基坑工程與結構置換改造過程利用基于BIM 與信息化監測平臺的結合，實現了模型終端展示、監測數據自動上傳、預警提升、過程資料管理管控（如圖10）。

圖10 BIM+信息監測平臺中監測點位與終端顯示

5 結語

既有建筑的改造復雜且難度大，特別是高層建筑的改造，更加提升了施工管理的難度。基于BIM 的研究基礎，在結構施工、安裝施工和數字化應用過程中，設計應用內容并進行實踐，在結構拆除和受力分析、安裝可視化應用、視線分析、數字化應用等方面，取得了良好的應用效果。

未來在高層建筑的改造施工過程中，可進一步研究BIM 的應用，如在一些深化設計和施工方案中，進行模擬和應用，如高層建筑的幕墻改造、內部裝飾改造、進度管理等方面，可為施工進度和質量管理提供更多的優化方案。