BIM 在高层建筑改造施工中的应用研究——以锦沧文华广场项目为例

丁杰DING Jie

（无锡拈花湾文化旅游发展有限公司，上海 200040）

1 背景

2021 年3 月《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035 年远景目标纲要》中提出将“城市更新”目标，“推进城市生态修复、功能完善工程，统筹城市规划、建设、管理，合理确定城市规模、人口密度、空间结构，促进大中小城市和小城镇协调发展。”

据统计，截至2022 年底，我国城镇化率达到65.22%，有9.2 亿人生活在城镇，城镇化快速推进过程中积累了一些矛盾和问题，城市的整体性、系统性、宜居性、包容性逐步和生长性不足，大城市的“城市病”问题突出，不少城市老旧房屋和市政管线存在安全隐患，城市发展和功能受限制。

“城市更新”势必会带来城市建筑群的新建与改造，特别是高层建筑的新建。

上海市锦沧文华酒店位于南京西路，经过30 年的发展，逐渐地不适应地理区位的风貌和建筑设计要求，因此采用结构拓换的城市更新方式，进行全方位的功能改造和性能提升，建筑功能由酒店转变为商业和办公（如图1）。原建筑包括主楼和裙房，主楼建筑面积约6 万平方米，地上30 层，地下一层，屋面高度为99.500m；裙房地上四层。改建过程保持主楼结构总高度不变，建筑结构层高由3.2m 改建为4.5m，共22 层，结构体系由框架-核心筒结构拓换为钢框架-核心筒，由地下室一层增至四层。

图1 锦沧文华酒店改造项目

2 高层建筑改造施工现状与问题

高层建筑与普通工程不同，施工过程有很多挑战。特别是改造项目，往往具有以下施工难点：①施工规模大，施工周期长。高层建筑改造周期通常需要2 到3 年甚至更久。因为改造方案的不确定性，往往给施工管理带来时间和成本压力。②结构复杂，改造施工难度大。高层建筑的基础工程因为需要支撑上层建筑，基坑通常较大且深。在改造过程中，施工复杂程度提升。高层建筑一般外观形式非常奇特，在改造过程中局限性较大，也为改造方案设计与施工带来难度。③建筑高度大，材料吊装风险高。高层建筑体量大，在改造过程中施工材料和设备多且杂，垂直运输的工作量大，由于场地狭小，吊装风险较高。④高层建功能复杂，改造安装难度大。高层建筑通常集办公室、酒店、休闲、娱乐和购物功能为一体，大型而复杂。系统不仅包括给排水、暖通、电气结构，往往涉及智能建筑等现代化系统。新技术、新设备的采用和安装，给项目改造过程带来难度。⑤边设计边施工，不确定性高。高层建筑因涉及的改造范围较大，往往设计方案不确定，可能存在分步设计和施工的情况，给管理和施工带来难度，往往出现问题后，由于工期紧急，只能针对问题做相应的调整，灵活性低。

3 BIM 在高层建筑改造施工中的应用内容设计

本项目建筑高度99.5m，接近超高层建筑，施工过程复杂且难度大。在本项目改造施工过程中，在结构施工、安装施工和数字化应用中进行BIM 应用设计，可以对重难点设计施工方案模拟应用，合理判断方案的可行性，辅助决策，确保施工有序进行。

3.1 基于BIM 的高层建筑改造结构施工应用

高层建筑通常为钢结构设计，钢结构占地少、强度高、拆卸方便，具有较多优点，实用性较强。涉及主要钢结构形式为钢板墙，截面形式包括H 形、箱形、十字形、圆形等。在本项目的改造目标中，要求改变结构层高，减少层数，施工难度较大，要重新进行结构设计。由于项目改造施工工期紧，原有结构和新结构方案的施工方案衔接，如何确保施工安全和设计合理，极其重要。通过BIM 构建原结构，再构建新的结构方案，模拟拆除方案，钢结构施工方案，并对结构方案进行合理性验证，可确保项目设计方案可靠，施工方案合理可行。

3.2 基于BIM 的高层建筑改造安装施工应用

高层建筑的系统较一般建筑多且复杂，且安装需要满足造型设计。本项目为酒店功能转变为商业和办公功能，系统多且安装繁杂。商业和办公的使用体验注重感官视觉，净高及视线比较重要。通过BIM 的可视化特性，在安装施工前进行管线综合，应用BIM 模型出具二维图纸，指导安装，精确控制净高。同时，在1:1 的BIM 环境下，进行安装后的视线漫游模拟分析，有助于提前发现问题，确保最佳的使用体验。本项目具有裙房，且地理位置处于繁华地段，对屋面、电梯等空间的视线模拟分析，对于项目方案的优越性具有重要的作用。更加符合“城市更新”的目标。

3.3 基于BIM 的高层建筑改造数字化应用

BIM 在城市数字化中的应用在不断发展。在本项目的改造施工过程中，构建数字化管理和应用方案，对后续的运维阶段应用，城市的数字化建设，具有很高的意义。在项目设计方案和施工过程中，通过数字化扫描技术，构建原建筑的3D 模型，在BIM 模型中输入数据信息，构建监测模型，对施工过程进行数字化管控，实现数字化监控与管理。

4 BIM 在高层建筑施工中的应用

4.1 BIM 在高层建筑结构施工中的应用

4.1.1 基于BIM 的高层建筑结构拓换技术

既有高层建筑结构拓换的技术特点为老结构的拆除与新结构的建立穿插实施，新老结构体系通过构件置换完成过渡转换。锦沧文华酒店新老结构体系特定的空间关系，提出了基于半永久过渡体系的结构置换技术体系，其结构改造的核心方案：先将原建筑部分构件拆除，为新结构竖向构件和部分水平结构的施工创造条件，施工新结构的竖向构件和部分水平楼层形成过渡体系，并与原剩余结构空间并存；而后再将剩余老结构拆除；最后施工的新建筑结构部分从而形成新结构体系的整体转换（如图2）。

图2 锦沧文华酒店结构拓换体系示意图

高层建筑结构改造是一项复杂的系统性工程，尤其在结构改动较大的情况下，技术路线的确定具有相当的复杂性。改造过程和施工必须经过论证与评估的两方面综合考虑。

4.1.2 基于BIM 模型的受力分析及稳定性验算

与新建工程不同，既有高层建筑结构改造过程中新、老建筑受力特点均属于瞬变结构，结构体系的最薄弱环节往往发生在拆除过程中而不是新建中，拆除路线的设计不仅时刻关注改造完成状态时的结构安全，更加要注重过程中过渡结构体系的安全元素。在将第一阶段拆除和加固过程中，塔楼拆除过程属于边拆边加固的过程，施工过程中随着结构的拆除造成老结构混凝土建筑逐渐薄弱起来。此同时还需要在相应的位置固定临时钢结构构件，从而容易造成结构失稳。利用计算机系统中BIM 模型及动态仿真将从顶层至基础拆除过程中每一个构件的受力分析及余留结构的稳定性进行模拟，往往在实际施工过程中，拆除过程与加固过程同步进行（如图3）。

图3 结构拆除过程中的结构稳定性分析

4.1.3 基于BIM 模型的施工技术可行性分析

建筑改造有各种各样的客观因素和限制条件，方案的落地必须充分考虑其现场可操作性，场地条件、操作界面、技术工艺、安全措施、设备资源等因素都会成为影响施工技术路线实现的因素。项目结构拓换及加固采用钢结构形式，钢结构施工始终贯穿于混凝土结构拆除过程中，如何确保钢梁、钢柱以及钢支撑的顺利吊装是施工过程中面临的重大难点。

第一阶段钢结构加固过程中每层新增钢柱36 根（主楼22 根，三角区1414 根），截面最大尺寸□1250*700*70*70，重量重达G=12.7t。在“满目疮痍”的混凝土结构与脚手架之间吊装钢柱、钢支撑经过严格的工序模拟。利用于BIM 模型的可视化特点，首先进行拆除与加固模型碰撞检查（如图4）进行验算加固模型的调整，然后模拟实际工况将混凝土结构中拆除洞口、脚手架敷设可视化在模型中并进行虚拟吊装模拟验证可行性（如图5）。

图4 拆除结构与结构结构模型碰撞检查

图5 工况吊装模拟及影响分析

4.2 BIM 在高层建筑施工安装中的应用

4.2.1 基于BIM 技术的管线深化及视线分析

城市更新目的就是针对城市建成区城市空间形态和功能进行整治、优化、改善，实现房屋使用、市政设施、公共建设配套等完善。锦沧文华酒店从原有标准层高3.2m 改造的新标准层高4.5m，改造的目的就是取得更好地舒适体验，为了更有效的、更节约的利用空间管线，利用BIM技术针对内部建筑综合管线深化设计进行合理设置。

4.2.2 基于BIM 的综合管线深化设计

结构拓换后的建筑为钢结构工程比混凝土结构有比较多的支撑构件，而传统的该项目加第二次加固过程中因部分受力钢构重复利用未进行拆除，从而导致管线深化设计过程中综合区域无法进行排布管线，利用BIM 模型将风口、灯槽、风机末端设置于钢梁缝隙（如图6），从而有效的合理的避开钢结构进而控制净高。

图6 裙房商业1-4F 综合管线深化模型

4.2.3 基于BIM 的典型位置视线分析

项目位于上海市南京西路，周边依旧是大量的城市综合体及文物风貌建筑，锦沧文华酒店改造过程同时应注重裙房屋面设备及电梯井道的高度及视线分析情况。依据项目设计部关于视线讨论分析（如图7），确定约20 个视线分析点和4 个总鸟瞰点，用于分析裙房商业屋面层设备突起情况，其中最远距离到达南京东路与铜仁路路口，裙房设备层施工方案符合视线要求。

图7 南京西路屋面设备栅栏视角分析

4.2.4 基于BIM 的地下室停车位漫游分析

南京西路隶属于繁华地段，地下室建筑空间紧张造成项目设计本身停车位方案不足，利用BIM 模型将管线深化及完成面可视化的漫游展示（如图8），经过多次与设计院讨论修改，增加车位达到约20 辆。

图8 地下室停车方案漫游分析

4.3 BIM 在高层建筑施工中的数字化动态应用

锦沧文华酒店改造工程作为典型的城市更新项目，和新建工程具有“设计信息完备、材料检测充足”的条件并不一致，30 年前的手绘图纸见证了时代的发展。结合现代化、数字化的技术在建筑数据复原、既有结构受力分析、精细化材料管理等多方面的工具更大化的满足项目。

4.3.1 BIM+3D 扫描技术

项目改造过程中既时刻进行地下室范围纠偏调整，又要确保地上、地下合理的同时施工。采样传统建筑数据重建分析方法人工采用水准仪、全站仪等工具进行实测实量法具造成工作量大、效率较低。基于三维扫描与BIM 的地下连续墙与结构外墙碰撞分析技术，通过3D 扫描技术获取施工现场初始实际三维信息数据，将三维点云模型与BIM 设计模型高精度拼接，通过偏差色谱分析判别地下连续墙与结构外墙碰撞情况，并将分析结果反馈给施工现场指导后续施工（如图9）。提供高精度、高效率的数据模型重建与校核。

图9 地下连续墙与外墙偏差色谱分析图

4.3.2 BIM+信息监测平台

该项目共有两个拆除阶段和两个加固阶段，每一个阶段都有混凝土结构和钢结构穿插，设计过程的模拟与分析仅是在实际结构简化基础上进行分析计算，分析结果与实际情况往往存在一定程度的差异。因此，应在施工过程模拟分析的基础上，重视施工过程的监测，通过监测数据反馈和预警，为设计过程中的数据进行验算，为项目技术和措施的调整提供决策依据。在基坑工程与结构置换改造过程利用基于BIM 与信息化监测平台的结合，实现了模型终端展示、监测数据自动上传、预警提升、过程资料管理管控（如图10）。

图10 BIM+信息监测平台中监测点位与终端显示

5 结语

既有建筑的改造复杂且难度大，特别是高层建筑的改造，更加提升了施工管理的难度。基于BIM 的研究基础，在结构施工、安装施工和数字化应用过程中，设计应用内容并进行实践，在结构拆除和受力分析、安装可视化应用、视线分析、数字化应用等方面，取得了良好的应用效果。

未来在高层建筑的改造施工过程中，可进一步研究BIM 的应用，如在一些深化设计和施工方案中，进行模拟和应用，如高层建筑的幕墙改造、内部装饰改造、进度管理等方面，可为施工进度和质量管理提供更多的优化方案。