疫情下的超高层建筑 BIM 技术深化设计分析与建造优化

沈夏磊

（厦门市建安集团有限公司，福建 厦门 361000）

0 引言

2019 年 12 月至今，新型冠状病毒 2019-nCoV 横扫世界，给人民的生活和社会生产带来前所未有的困难，工程建设领域亦深受影响。为了减轻疫情的影响，厦门国际悦海湾酒店项目技术组深入挖掘超高层建筑的技术特点，积极应用 BIM 技术进行设计分析，利用疫情的停工间歇，于现场施工前进行数字化模拟施工，进行建造优化，为后续施工的开展创造大量的实用数据和价值，对疫情下的复工复产作出有力贡献。

1 工程概况

厦门国际悦海湾酒店为厦门市重点项目，地点位于厦门市思明区演武大桥与演武路交叉口西北侧，总建筑面积 104 712.97 m2，地下 2 层，地上为裙楼和酒店单体，总建筑高度 202 m。上部结构型式为型钢混凝土柱-钢梁外框-混凝土核心筒带加强层结构组成的混合结构体系，地下室为框架结构体系，基础形式为冲孔灌注桩基础。疫情之前的工程进度为主楼主体一层、裙楼地下室底板及局部地下土方工程。

2 施工重、难点识别［1］

1）施工重点。基坑混凝土水平支撑拆除、大截面钢柱钢筋密集安装、高空大悬挑钢筋混凝土结构平台建造、管线综合布置及土建冲突处置技术、幕墙安装。

2）难点。在不发生疫情次生灾害的情况下高效组织复工复产，减少人员聚集，提高项目的质量、安全、进度、成本的管理水平，是本工程的难点。

3 深化设计分析

本项目在疫情的停工间歇期间，结合严峻的疫情形势与施工现场的实际情况，通过 BIM 技术和建筑信息网络管理平台信息化措施，积极运用新技术、新工艺、新材料等进行深化设计分析，以“无接触”的型式用虚拟建造优化过程技术，分析成果可用来及时调整、优化并分解各阶段和总进度计划，为后续施工的开展创造大量的实用数据和价值。

1）土方开挖分析［2］。基于 BIM 模型整合土方开挖方案，把地下室土方开挖分为 9 个区域（见图 1），以动态形式进行整体方案模拟，作为土方开挖工作部署的依据。

图1 地下室土方分区开挖

2）基坑支护分析。基坑支护工程中的底板高程点较多，施工难度大，结合 BIM 模型提前做好地下室支护体系的分析，确认竖向支撑格构柱与主体结构相互关系，优化建筑模型，发现 5 根格构柱位置需作微调，以便于后续施工。

3）大截面钢柱钢筋密集安装。本工程主楼部分每层设计 18 根 2.2 m×1.6 m 大截面型钢柱，结构节点区域钢筋密集、复杂，梁筋大面积地穿透钢柱，这需要在型钢柱上钻较多的孔眼，这不符合 JGJ 138－2016《组合结构设计规范》第 6.6.12 条中“柱内型钢的截面形式和纵向钢筋的配置，宜减少梁纵向钢筋穿过柱内型钢柱的数量，且不宜穿过型钢翼缘，也不应与柱内型钢直接焊接连接”的规定。经深化设计后，技术组将钢结构与钢筋的连接方式修改为套筒接驳器搭接，可满足规范要求；另外，为确保连接位置的准确性，避免现场开孔质量难以控制而对结构造成的损伤，减少疫情期间的工作量，技术组将钢结构与钢筋连接节点在深化模型中一体化建模［3］，建立虚拟样板（见图 2），全面反映连接节点构造、加固及钢筋下料方式，在确保钢筋数量、规格准确的同时，又能在钢筋与钢结构发生碰撞时进行微调，保证了节点精准度，且形成的模型可直接用于钢结构加工。

图2 大截面型钢柱结构节点区域钢筋安装分析

4）管线综合布置及土建冲突技术分析。在本企业近年来发布的省级工法 FJJSGF 45－2016《管线综合布置工法》的指导下，应用 BIM 技术对地下室和楼层的管线布置进行优化分析，提前发现各专业的设计与施工问题，提请在建各方确认和修改；在地下室和楼层的土建专业分析中，提前发现设计与施工问题，应用 BIM 技术进行分析、优化。

5）施工电梯和塔吊分析。结合地下室管综成果，确定施工电梯和塔吊位置，协调管线安装，减少后期因塔吊、施工电梯的拆除而影响管线。

6）楼层分析。分析后发现，虽然本项目各专业图纸比较完整，但还是在结构预留存在 24 处、综合碰撞 64 处、高低板 17 处、净高问题 21 处、设计矛盾 31 处、图纸出入 12 处问题。

7）幕墙安装分析。在深化设计幕墙方案过程中，发现原设计的构件式幕墙现场安装需要 10 个工序，而单元式幕墙只需要 5 个工序。若是能将构件式幕墙优化为单元式幕墙，将更能符合疫情下的施工管理形势，而且不改变建筑室内和室外的建筑效果，亦可提高幕墙系统的气密性、水密性、抗风压等性能，更好地适应主体结构变形，进而提升建筑工程品质，减少施工安全风险，节省施工周期和成本。

8）高空大悬挑钢筋混凝土结构平台建造分析。高空大跨度的悬挑平台结构位于 34 至 35 层（见图 3），下部离地 154.85 m，结构层高 4.5 m，最大悬挑为 9.6 m，悬挑面积 168 m2。以 SRC 结构为主，由两个斜撑桁架做加强结构。用 BIM 技术分析悬挑点位放样方法，提前确定测量放线方案，用引测法确定外围折角弧形钢筋混凝土梁的测量控制点，作为后续施工的依据。

图3 159 m 高空外悬挑 9.3 m 结构分析

4 BIM 技术建造优化措施

应用连接建设各方的 BIM 建筑信息网络管理平台，在实现虚拟建造的同时，可实现建造信息及时地互通互联，为建造的优化提供实际的解决方案。

4.1 虚拟建造

运用 BIM 技术进行虚拟建造，将 BIM 技术设计分析的结果和工程经验导入三维图纸，进行碰撞检测、能耗分析和成本预测等，过程中各个专业相互协同，虚拟模型可以在施工之前把施工方法、施工过程模拟和施工方案等关于工程的功能和建造性等潜在问题进行预测，这对疫情下的施工建造有着重要意义。

4.2 BIM 建筑信息网络管理平台（见图 4）

建立连接建设、设计、监理单位的BIM建筑信息网络管理平台，实现建筑信息的互联互通、数据应用、协同共享、综合展现，以“无接触”的型式，搭建一个以进度为主线，以项目为主体的多方协同、多级联动、管理预控、整合高效的智能化生产管控平台，对项目进度进行阶段性的分解、优化，将 BIM 模型与进度计划、材料供应计划、设备供应计划等结合起来，可以对项目进行虚拟建造，特别是关键部位，关键节点的施工，提前预知可能出现的问题，判断施工工艺是否合适，工序是否合理，材料设备供应是否充足，更加合理地配置劳动力计划、材料计划及设备计划，达到节省工期，节约成本的目的，提高项目管控水平，保障工程质量、安全、进度等建设目标的顺利实现。

图4 BIM 建筑信息模型多方协同管理平台

5 建造优化的效果

深化设计分析后，后续的建造过程技术得到了优化，能及时调整、分解各阶段和总进度计划，提升项目应对重大疫情条件下的施工管理水平，为制定详细的复工方案和应急预案提供了有力的保障。

5.1 基坑混凝土水平支撑拆除优化的效果

通过 BIM 模型对支撑拆除工序进行模拟，并对运输动线进行检讨，提前发现解决路线障碍问题 2 处，同时输出视频动画用于对班组的技术交底，生成二维码，便于班组学习，可较原定计划提前 4 d 完成拆撑工作。

1）工期优化。经初步测算，优化后可节约工期 4 d，可实现工期管理的优化。

2）成本和质量优化。工艺水平的提高，带来支撑拆除工序的优化，每天可减少用工 3 人，功效可提高 10 %，节约成本 12 万元，实现了成本和质量管理的优化。

3）安全管理优化。建立的支撑拆除 BIM 模型模拟技术，不但可以生成二维码用于对班组的技术交底，还降低了安全隐患，实现了安全管理的优化。

5.2 大截面型钢柱钢筋密集安装优化的效果

通过 BIM 模型对型钢柱节点建立虚拟样板，在工地建立 1∶1 实体样板，用于对班组的技术交底，明确施工要点、重点，提高班组的型钢梁柱的钢筋施工效率，人工功效提高 10 %，可节省工期 18 d，节约成本 12 万元。

5.3 159 m 高空外悬挑 9.3 m 钢筋混凝土结构平台［4］优化的效果

基于 BIM 模型分析的成果进行建造优化后，制定后续的模板支撑施工专项方案，悬挑施工平台的安装可借助塔吊吊装辅助完成，待 34 层梁板浇捣完成后，结构强度达到设计值后，模板支撑体系方可进行拆除。

另外，该平台的用途为观景平台，为便于疫情下的项目管理，已向甲方和设计提出优化方案，将钢混结构的悬挑平台修改为钢结构，可节约建设资金，降低施工风险，缩短工期。

5.4 管线综合布置及土建冲突处置技术应用优化效果

在本企业近年来发布的省级工法 FJJSGF 45－2016《管线综合布置工法》的指导下，应用 BIM 技术对地下室的管线布置进行优化，发现并解决了地下管线碰撞冲突约 1 万多处；另外，提前发现了土建 86 处、机电 113 处设计冲突及问题，绘制深化设计详图：预留洞口图 20 张、管线综合及单专业图 90 张、待确认出图 15 张。设计根据 BIM 意见修改联系单：建联 13 张、结联 17 张、水联 6 张、电联 4 张、暖联 5 张，共计 136 条。经测算，预计可节省工期 27 d，节约成本约 286 万元。

5.5 幕墙安装技术优化的效果

单元式幕墙安装工序较少，安全管理效率高，且工期较短，质量有保证，可大大降低综合成本。选用优化后的单元幕墙方案较原方案可节约工期 5 个月，缩短总工期 70 d，功效大幅提高，实现了质量、安全、成本和工期管理的优化。

6 经济和社会效益

在对施工图进行深化设计分析后，发现本项目在结构预留、综合碰撞、高低板、净高问题、设计矛盾、图纸出入等方面存在问题，技术组根据项目的实际工况进行建造优化，现已累计出图 100 余张，取得了良好的效果。

6.1 经济效益

在深化设计与建造优化后，项目的投资回收期、投资回报率等财务指标得到改善，节约了工期和成本，显示出降本增效的良好效果（见表 1），体现出 BIM 技术应用与虚拟建造的先天优势。

表1 经济效益合计汇总

6.2 社会效益

厦门国际悦海湾酒店是厦门市新的地标性超高层建筑，定位为超五星级酒店项目，与厦门大学、南普陀寺、世茂海峡大厦等著名景点相邻。疫情期间，项目积极应对，尽快恢复生产、抓紧复工，克服重重困难，实现了质量、安全、进度、成本的多重收益，获得各方的好评。

7 结语

BIM 技术对施工难度大、工序复杂的超高层建筑有先天优势，可引领整个建造过程。本项目在疫情的停工间歇期间，项目技术团队积极应用 BIM 技术进行施工前的设计分析，深化设计与施工方案，于现场施工前进行数字化模拟施工，进行建造优化，为后续施工积累了大量的实用数据，为疫情下的复工复产作出有力贡献，可为后续超高层建筑的建设提供更多的启发和参考。