基于超高层建筑复杂结构设计的BIM 技术应用

2021-03-20周垚臣王汉伟

工程技术研究 2021年1期

周垚臣，王汉伟，刘硕，张羽，李响，梁宇

中国建筑第八工程局有限公司东北分公司，辽宁大连 116021

1 项目概况

欧力士中国总部大厦是由世界著名的日本欧力士集团与大连金融产业投资集团有限公司合作开发的高档写字楼项目。结构形式为型钢混凝土外框、钢筋混凝土核心筒混合结构，总建筑面积24.6 万m2，地下4 层、地上41 层，建筑高度为202.8m，由裙楼、地下室及塔楼（A、B 两栋）构成。欧力士中国总部大厦项目自成立以来，积极开展BIM 技术应用，定期组织BIM 团队及项目成员开展交流与培训会，通过交流与培训加强项目团队对BIM 的认识，用更直观的方式找出了图纸与实际施工中产生的问题及原因并加以解决。

2 项目管理重难点

（1）项目施工工期紧。在工期紧张的前提下如何保障现场管理井然有序，对管理者提出了较高的要求。（2）项目管理模式较特殊。A、B 两栋塔楼分属日方、中方两个业主下辖管理公司；日方业主对于工程品质要求严苛，凡事考虑十分细致，精益求精，对施工单位管理能力也提出了更高的要求；中方业主对于进度把控力度更大。日方管理思路与中方管理思路的不同，要求项目部精细化管理、加强策划，提高工程品质的同时，也要求在项目绿色施工及项目安全管控方面取得优秀成果。（3）项目体量大，专业分包数量多，且专业性较强。如何履行总包义务、对业主负责的同时提高分包管理质量是管理的重点。运用BIM 管理模式，在项目管理团队与日方业主包括各分包单位之间建立一座沟通的桥梁，促进双方的有效沟通，使项目平稳推进，不但能解决不同国家理念的冲突，而且能突破专业技术的限制。

3 BIM 技术在超高层建筑复杂结构中的具体应用

3.1 伸臂桁架优化设计

为提高抗剪切能力，分别在14 层、28 层设置两道伸臂桁架，根据结构形式和受力要求，选用80mm 厚的钢板，三曲面造型，在核心筒内共设置5 道。施工前对伸臂桁架进行LOD400 深度建模，从连接形式、弯转角度以及施工节点等方面出图指导现场钢结构施工，施工流程包括下发钢结构车间、工厂数字化放样、机械化折弯、工厂预拼装、钢构件运输到场。建立桁架层与爬模架体的可视化模型，进行施工模拟爬升及爬模改造过程。在模拟的过程中，发现桁架牛腿伸出长度过长，导致爬模需要大面积改造，这样不仅会延误生产工期，增加施工难度，还会给施工单位造成安全隐患。基于以上成果，与业主及设计院协调，研究决定在不影响受力前提下，减小牛腿处圆弧半径，合理优化连接位置，进而达到减少牛腿伸出长度、降低高空爬模改造难度的目的，如图1 所示。

图1 牛腿优化前后与爬模架体位置关系

3.2 钢筋预制施工

根据型钢结构形式特点，外框梁采用型钢混凝土梁，通过BIM 技术协同设计，深化钢筋下料长度，策划节点区连接方式，实现预制钢筋地面绑扎后吊装技术的同时，设计钢梁钢筋空间定位装置，保证上皮钢筋的空间定位，与型钢混凝土柱穿孔位置精确对应。

3.3 幕墙设计

对专业分包模型及结构模型进行整合设计，通过对幕墙埋件和钢梁、土建钢筋节点综合优化，发现碰撞点75 处，通过调整幕墙埋件位置，钢骨梁开洞位置和钢筋施工前画线定位，已将75 处碰撞位置全部解决，通过跨专业的协同设计，及时发现了问题，更改了相应位置的图纸，避免造成二次施工的情况，节约了大量资源。利用Dynamo 三维可视化编程和Revit 自适应族可实现不规则曲面BIM 建模，通过图纸的精确创建，提取对应规格、定位、工程量等数据并用于采购、施工，最终实现曲面异型幕墙的深化设计工作。

3.4 景观设计

该工程业主方为日本欧力士集团，旨在打造日式精品工程；裙房大屋面为日式种植屋面，许多绿植、花草均为日式特色。国内深化难度较大，项目采用BIM 技术对业主的需求进行可视化建模，经过多次方案调整及改进，最终形成对屋面景观设计的确认、出图。

3.5 机电专业优化设计

现场机电专业较为复杂且涉及全面，深化设计难度大。在屋面策划中，经过与业主沟通，提前确定了裙房屋面设备参数，继而确定土建基础墩位置及高度，进行深化设计出图指导现场施工；计划待机电设备安装完成后，再进行屋面钢结构施工，调整屋面钢结构屋顶主次梁布局，提前解决了设备高度与结构碰撞的问题。针对给水泵房水箱和管道井空间狭小的问题进行设计优化，将水箱尺寸由14m×5m×3m 改为12m×6m×3m；同时优化管井间隔墙，将相邻两处管井合并为一处管井，满足通往换热站的管道有足够空间，便于安装支吊架及运行维修。根据抗震及承载力要求，对管井进行重力计算，并对主要构件立柱和横担进行验算。根据槽钢安装系统和槽钢物理特性技术数据，工字钢承受弯矩计算公式如下：

式中：M 为工字钢承受的弯矩，kN·m；G 为均布荷载，kN/m2；L 为工字钢跨度，m；g 为单位长度自重，kN/m。

根据式（1）求出集中荷载能力，重力将集中于地下室最低层管道弯头，计算出满水后管道的静荷载及动荷载，设计出满足要求的龙门支架。针对走廊间空间狭小、多处管线与管线碰撞及管线与结构碰撞的问题，根据“同一系统，同一标高”的优化理念，设计综合支架，避免管线碰撞，实现消防系统和其他系统同时施工。通过管综排布，完成尺寸标注后导出CAD 图纸；交付设计院审核下发施工图；现场交底并按照施工图及BIM 模型组织砌筑留洞，避免二次开洞造成的成本增加。设备供应商提供的优化后的设备参数，组织设备建模工作，对每一个元件进行外形族文件创建，同时进行设备参数录入，形成BIM 设备族库，方便后期业主查询追溯。利用BIM 技术的模拟化、可视化，对建筑的空间布局进行优化分析，对于空间不合理之处，通过调整管线路由及设备位置，达到最佳空间利用效果。

3.6 三维激光扫描辅助工厂预制交底

对深化后的BIM 模型进行模块划分及深化设计；组织加工厂预制交底，通过机器人焊接，提高效率及品质；通过放样机器人定位，使用三维激光扫描仪，确保模块精准就位。

3.7 辅助生产管理

（1）平面布置设计。前期人员进场时，运用BIM 技术进行施工现场各阶段总平面布置，优化场地空间、料具摆放，确保施工现场井然有序，同时根据施工进展开展动态化调整，提高场地利用效率。（2）虚拟样板应用。建立数字模拟样板体验区代替实体样板展示，配合使用简易VR 光学眼镜，即可以查看各类虚拟样板VR 场景，这种身临其境的方式简单有效。（3）BIM 可视化交底。运用BIM 技术模拟核心筒伸臂桁架安装过程，制作施工交底二维码，让施工人员了解工序的整个施工流程。（4）BIM 铝模设计。根据外框18 根型钢混凝土柱，运用BIM 技术进行施工模拟。根据不同型号的铝模、族、构件、紧固件等充分考虑钢柱与钢模的位置关系，最终确定铝模深化设计图纸。（5）BIM工况模拟。通过BIM 技术对外框及核心筒液压爬升防护屏、液压爬模进行爬升工况模拟，对工期及分段进行施工过程模拟，分区安装，节约外防护脚手架搭设量，提高施工效率。同时，还应考虑核心筒伸臂桁架以及外框钢骨梁、幕墙埋件碰撞的影响，精细策划，减少爬模架体高空改造工作量。（6）物资及商务应用。运用BIM 可统计工程量这一特性，对商务及物资进场进行管控及统计。在建立模型前，预先为模型建立属性，为确保后期交付，创建明细表，进行工程量统计。在项目策划前期，通过建立BIM 土建模型，导出混凝土工程量，与现场实际浇筑方量进行对比，控制耗材用量。项目精装修期间，通过导出门窗明细表，便于采购管理。现场采用智能验筋系统，可显著增加钢筋进场效率。（7）应急疏散管理。运用BIM 技术模拟塔楼精装修与机电交叉作业施工工况，巅峰期楼层内施工人员可达600人，发生紧急情况时疏散时间仅需2min24s。