BIM技术在既有高层建筑结构置换改建中的应用

王梅珍

上海建工四建集团有限公司 上海 201103

建成年代较早的既有高层建筑，经过数十年甚至上百年的使用之后，缺陷与不足日益凸显，主要表现在建筑功能转型困难、现代化功能缺失、结构老化等方面。针对这些问题，既有高层建筑置换型结构改建技术通过对原结构受力构件进行加固、拆除、置换，不仅可以实现结构受力体系的改善或转变，同时为建筑空间的重新布置、建筑功能的提升和改变创造条件，因此该技术成为既有高层建筑改扩建的重要手段，具有广泛的应用前景[1-4]。

既有高层建筑置换改建是一项复杂的系统性工程，在新老结构空间交错重叠条件下，如何实现拆建穿插实施，完成不同结构体系的逐步替换，对置换流程设计、工况模拟和验证以及施工风险控制提出了极高要求。针对上述问题，BIM技术凭借其模型立体化与可视化、信息精准统计与管理、工况模拟与分析等突出优势，在既有高层建筑改建工程中发挥着不可替代的重要作用[5-7]。

1 工程概况

上海某高层建筑改建工程是目前国内首例高层建筑结构置换实施案例，技术难度巨大。该项目位于南京西路，地理位置优越，毗邻地铁沿线，周边环境复杂。为满足新的业主需求，需对原建筑进行结构改扩建和功能化提升。改建前后，主楼结构总高度保持99.500 m不变，地上建筑面积由6万 m2扩容至约7.4万 m2，结构标准层高由3.2 m增至4.5 m，总层数由30层减少为共21层，结构体系由框架-核心筒转换为钢框架-核心筒，建筑功能由酒店转变为商业和办公（图1、图2）。

图1 项目位置示意

图2 改建前后情况对比

2 基于BIM的结构置换流程模拟分析

高层建筑结构置换是2个独立结构体系在同一空间条件下不断替换的过程。如何去分析和描述不同结构体系的空间位置关系是技术流程形成的前提条件，而三维空间的描述相比传统二维图纸校核必定事半功倍。为此，通过建立BIM模型，使图纸资料立体化，各个构件空间位置关系一目了然，不仅极大提升工作效率，同时为业主、设计、施工各方沟通交流提供便利。

以BIM模型为基础，对改建施工流程进行4D模拟。首先，从空间、场地、施工效率等方面综合分析总体置换流程的可实施性；其次，根据施工工况分别进行新老结构碰撞检测，分析新老结构构件相互冲突碰撞131处，通过对其优化，最终确定结构置换改建流程（图3～图5），主要包括5个阶段：

图3 基于BIM的结构置换改建流程

图4 基于BIM的结构置换4D工况模拟

图5 基于BIM的结构置换工况分析

1）老结构加固及角部结构拆除。

2）与新结构竖向构件重叠的老结构局部拆除。

3）新钢结构桁架建立。

4）剩余老结构拆除。

5）钢结构补全，至此完成结构体系的过度转换。

3 基于BIM的施工可操作性分析

置换型结构拆除过程中，最为主要的问题是不同专业、工况前后衔接矛盾而导致置换流程无法顺利推进。如本项目结构拆除过程中，钢结构、拆除、外围护3个专业各自诉求不同，当其中某一两个专业诉求发生冲突进行协调时，协调结果极有可能在某一个时间点对其他专业产生影响。针对类似情况，必须通过BIM模型对全专业进行全方位的施工模拟，以施工便捷、具可操作性、工况合理为原则，对每个施工节点进行“抽丝剥茧”，保证各施工工况合理有序（图6）。

图6 基于BIM的施工可操作性分析

4 基于BIM的结构置换精细化管理技术

采用基于信息模型的结构拆除精细化管理，通过现场管理人员旁站制度，信息模型与现场作业统计表单互通，总承包与监理复核现场与BIM模型一致的管理机制，确保现场管理与模型及方案完全一致，保证拆除施工安全有序、现场数据及时采集以及实际进度与计划进度匹配。

4.1 构件统计及复核

通过Revit软件明细表功能，提取拆分后模型所有构件的相关信息，包括编号、类型名称、截面尺寸，体积等信息，导出构件统计明细表txt格式，再转化成Excel表格形式，并通过体积参数，计算构件质量。通过此方法可以快捷准确地通过计算机自动得到所有构件相关参数的统计表，相比传统按图纸计算的方法更为有效且准确。特别对于异形、形状相对复杂的构件，采用BIM技术解决了人工计算方式困难的难题。

4.2 现场可视化交底

基于已拆分的BIM模型，采用Navisworks软件中Timeliner功能，对整个拆除流程进行4D模拟。通过模型拆除模拟，对业主、总承包、监理、专业拆除单位等各方的每一位管理人员进行现场交底，使得每个管理人员明确各阶段拆除工况、拆除内容、拆除方法、拆除顺序（图7）。

图7 现场可视化交底

4.3 现场精细化管理流程

以BIM深化模型为基础，制定成套的现场结构拆除、吊运、置换管理流程。施工过程中现场指派专人根据交底图纸及表单进行旁站指挥。记录每一吊吊装点位、钢丝绳情况、构件碎块清理情况、实际质量、吊装的开始和结束时间、旁站管理人员姓名等信息，填报并检查记录表。根据统计数据，对结构置换工效及成本进行有效跟踪。

5 基于BIM的远程自动化监测平台

为保证各参与单位人员对现场安全监测情况有全面直观的了解，本项目开发了基于BIM的自动化监测平台，该平台可以实现三维模型展示、监测数据自动上传、数据分析、结果展示、过程资料管理等功能，方便用户在手机、电脑等终端设备上随时查阅（图8）。

图8 基于BIM的自动化监测平台

6 结语

1）针对本次高层建筑整体结构置换改建技术难点，利用BIM技术建立了适用于不同类型高层建筑的置换型结构改造技术路线，主要包括逐层置换法、抽层置换法、分区翻交置换法、综合结构置换法等。

2）建立了考虑过程的整体结构置换改建不利工况甄别，及安全性与稳定性分析方法。

3）对工程中新、老结构在置换过程中的最不利工况进行仿真分析，从总体变形、结构承载力复核、构件稳定性分析等方面，综合评定上述2种结构体系的安全性与稳定性，计算结果表明，新、老结构体系在最不利工况条件下安全稳定，为该项目总体结构置换路线的实施提供了理论依据。最终本项目顺利改建完成。