海外超高层建筑基于BIM技术的数字化施工和智能控制

曹昌权，刘佳迪，何红勤

(1.中交第三公路工程局第五工程分公司，北京 100084； 2.天津大学，天津 300072；3.北京思建新创工程质量检测有限公司，北京 100025)

0 引言

为响应“一带一路”倡议，我国越来越多的企业参与海外项目建设[1-3]。由于国外法律政策、施工规范等标准和技术水平要求不同，使海外项目施工管理需要更有效的施工管控和流程控制，以满足工期和质量要求[4-5]。

在BIM技术支持下，操作人员通过电子模型完整储存建筑信息，为该设施从概念到拆除的全生命周期决策提供可靠依据。通过建立BIM模型，实时对超高层建筑工程建设进行三维立体模拟，规范超高层建筑工程建设人员的操作行为，更好地控制建设进度和风险，及时发现并解决潜在问题。通过可视化三维视图指导施工，降低工程建设难度，达到专业化施工水平，全面管控超高层建筑施工过程[6]。最初的BIM技术主要局限于建筑翻模展示或碰撞检查，近年来在施工深化、模型输出出图、数字化施工模拟、施工进度跟踪和智能化调度方面均发挥重要作用[7]。

1 工程概况

Havelock City商业发展项目位于斯里兰卡首都科伦坡六区，地理位置优越，占地约19 872m2， 总建筑高度为203.05m，总建筑面积141 092m2， 其中裙楼及地下室建筑面积约63 738m2， 塔楼建筑面积约77 354m2，包括地下2层停车场和地上49层钢筋混凝土框架-核心筒结构。标准层大跨度梁板采用后张预应力结构(见图1)。地上6层裙楼(3层为夹层结构)为购物商场和电影院，施工中涉及大体量的玻璃幕墙安装和机电安装工作。基坑开挖深度为9m，局部开挖深度为12m，为桩筏复合基础。

图1 项目效果

该项目总工期仅36个月，工期较紧张。项目建设涉及斯里兰卡政府及相关职能部门，对外协调复杂。施工场地受限，且施工中包括大体量土方开挖、深基坑支护、基础大体积混凝土施工、大体量幕墙施工、高支模施工、多标准机电系统安装等施工流程，多方面因素导致该项目对施工效率和多专业穿插调度控制要求极高。

2 基于BIM的数字化施工

施工初期，在统一的坐标体系和建模标准下搭建完整的BIM信息模型，并在此基础上进行施工深化设计。施工前可在BIM系统中进行数字化施工模拟，以实现多技术方案的对比和经济性比选。同时通过施工深化和施工方案演练查找施工关键技术问题，并提前予以解决。

2.1 基坑支护方案比选演练

该项目原设计基坑支护方案为型钢内支撑方式，由于工期紧张，施工深化设计时改为预应力锚杆支护方案，并在基坑支护前对锚杆支护进行数字化演练，以确定方案可行性。

基坑支护施工模型如图2所示。通过建立基坑支护施工模型并进行施工进度预演，确定施工流程和进度，有效避免钢支撑与土方开挖交叉施工。同时通过BIM模型对锚杆位置与周边地下管线进行冲突检查，以调整锚索标高、角度等。结合支护受力验算，避免锚索与周边建筑物基础、市政管线发生冲突。BIM模型能够可视化地展示地下锚杆施工过程，打消业主、周边居民、当地行政管理部门对地下空间侵占和基坑支护安全性方面的质疑。

图2 基坑支护施工模型

2.2 场地布置方案优化

该项目占地面积较小，场地可利用空间有限，总建筑面积大，施工区域划分较多，且存在交叉施工现象。在施工平面布置中使用BIM技术模拟现场施工环境，结合不同施工阶段、工况先后开展临时建筑物、临时道路、施工机械设备、塔式起重机、加工棚与材料堆场等布置。对临时设施、生产操作区域、大型设备安装进行3D 模型构建，以动态方式进行合理化布局，优化施工场地布置方案，同时提高机械设备的覆盖率，降低运输费用及材料二次搬运成本。对不同施工流程方案进行演练后，最终确定使用4台TC6015塔式起重机，实现施工现场全覆盖(见图3)。

图3 塔式起重机布置

施工过程中应实时监控场地使用和调度情况。借助BIM 技术布置施工场地后，通过协同平台，扫描二维码管理机械设备，可随时查看机械设备停放、调配及使用情况，并对下一步施工流程进行动态模拟和调整，以保障施工有序进行。

2.3 3D打印的应用及可视化

该项目施工人员技术水平参差不齐，因此BIM模型的可视化作用尤为重要。塔楼大厅和裙楼中庭涉及2处高支模施工，塔楼大厅除核心筒外均为高支模，其中梁底最大支撑高度为13.1m，边梁梁底支撑高度为11.8m，楼板厚180mm，板底支撑高度为13.6m。商业裙楼板底支撑高度达15.8m，梁底支撑高度为14.6m。为保证高支架搭建质量和安全，以及工人操作的正确性，施工前基于BIM模型模拟高支架搭建。构件建模及搭建过程的模拟完全按实际规范进行，可清晰完整地实现高支架整体搭建过程的可视化，指导实际施工。

为便于施工人员理解复杂结构的组成，基于BIM模型，对较复杂的结构部位提供3D打印(见图4)。利用BIM模型各项数据，打印等比例缩小的塔楼核心筒、标准层实体模型。通过提供可视化的模型指导施工，同时对比模型与实物，可实现数字化验收与施工质量的事后控制。

图4 3D打印结构模型

2.4 碰撞检查辅助设计优化

该项目建筑、结构及机电设计单位不同，设计布局并未相互协调，因此需进行大量施工深化设计。应用BIM碰撞检查功能可在深化阶段发现问题，并及时与设计相协调，反馈给业主提出解决方案，减少因设计冲突导致的工期延误。

3 基于BIM的施工智能控制

该项目施工存在工作面交叉现象，结构施工中交叉点较多，涉及多专业且存在移交工作面协调问题。

3.1 移动终端与二维码信息管理

该项目施工人员外语能力参差不齐，且场地狭窄，为方便人员间的准确交流，合理安排和利用有限空间，在BIM建模过程中结合二维码信息技术，将材料信息、施工场地布置、机械设备保养记录、检修记录、技术指标等信息进行关联，再通过二维码系统管理施工。另外可在手机端查看技术交底、技术方案、操作规程等。本工程中的铝模板从深化设计到生产加工、运输管理、现场拼装，通过BIM与二维码管理技术进行管理与指导，从而避免无序堆积、安装错误等问题。

采用BIM5D搭建三端平台，实现现场技术人员直接通过数字化终端内的三维模型指导构件安装、模板加工、机电管线综合排布等，大大提高工作效率，实现无纸化办公。同时数字化终端直接连接集成化BIM信息平台，使模型及图纸变更及时反馈到施工技术人员，实现构件、模板等实时跟踪及信息查询。

3.2 施工进度管理中的无人机应用

该项目与市政外围标段的垂直交叉作业繁多，在图纸上很难实质性把控施工进度和流程。通过虚拟优化进度计划，将BIM技术关联进度计划与三维模型，可提前模拟施工场景。将Revit所建模型导入TFAS中，关联BIM模型与工程进度表，使用TFAS实现工程进度统计和展示。通过模型与对应日期，可直观查看工程进展。

为方便了解塔楼施工进度，实时跟进工程整体情况，应用BIM平台结合无人机拍摄技术进行定期航拍，根据全景图了解施工进度及临时设施使用状况。将现场情况与BIM模型进度计划进行对比，以优化施工进度及方案。

3.3 资源核算与造价管理

传统造价管理无法与项目施工过程进行实时链接，造价管理时效性较差。总承包建设方在造价管理中利用BIM模型快速提取工程量，以辅助商务部门进行结算。

如在钢筋算量方面，在BIM模型中确定钢筋配置后，可通过软件计算钢筋设计用量，同时预估钢筋实际用量。同时，施工过程中也可对比实际钢筋用量，从而得知模型计算结果与实际的关系，分析现场钢筋损耗状况，以控制分包钢筋使用，避免浪费及虚报。在混凝土算量方面，通过混凝土模型可知混凝土设计需求量，再对比工程师的现场计算量及混凝土最终浇筑量，可分析是否存在分包浪费混凝土或混凝土供应商偷方的现象。

造价管理中结合造价信息和BIM模型，可实现模型与工程量同步变化。用BIM模型统计实物量时，可即刻自动统计和获取所需的模型实物量，并缩短结算时间。

3.4 危险源与安全管理

当各标段对各施工区域的危险源较模糊时，通过BIM技术可及时辅助发现危险源。基于集成BIM模型，总承包建设方可协助各标段分析安全死角，对局部存在较大安全隐患的部位、临时配电点配置完善的消防措施。在BIM系统中根据建筑模型开展火灾逃生仿真，从而在火灾逃生路线上针对性地布置临时消防装置，保证人员安全撤离现场，减少材料损失和人员伤亡。

总承包建设方在BIM模型中配合安全管理与进度控制，在动火作业前明确当日动火作业的层面，把握实时状态下各工作接口动火作业点的分布，并严格管控施工现场动火证开具的数目、期限等。

基于BIM模型，对管理人员进行防护设施模型布置可视化交底，确保管理人员理解布置内容。利用模型三维标准化设计及可视化布置，提高对劳务人员的交底质量及效率，保证现场布置与设计方案一致。

4 结语

在项目管理环节，施工企业往往难以有效应对各项管理工作，尤其是海外超高层项目，施工交接面多、施工进程易受不同地域文化和技术水平影响。在BIM技术的支持下，模型可相互关联和识别，通过多维度信息模型实现整个施工进程的智能化调度与控制。BIM模型通过结合二维码管理技术、无人机拍摄技术，实现施工进度及信息管理的实时更新及快速传递。通过引入3D打印及数字化建造技术使业主及各专业施工管理人员进行快速沟通。基于BIM平台的虚拟演练及智能化设计和出图等功能，可辅助优化施工方案，实现整个施工流程的高效控制和合理调度。