数字信息化背景下超高层建筑绿色施工和智慧建造应用探索

2021-10-14吴超洋徐争光

建筑施工 2021年6期

史阳吴超洋徐争光

中建三局第三建设工程有限责任公司上海 200331

1 应用背景

在经济下行的大环境下，建筑产业链上的企业面临竞争加剧、成本提高的困境，且当前工地人员、设备、物料、环境的协调管理更加繁复，安全、质量、进度等的管控也存在诸多问题。

建筑企业亟需改变传统的施工管理方式，立足于“互联网＋建筑大数据”，利用云计算、大数据、移动互联网和物联网技术等手段，针对当前建筑行业的特点，以“人员、设备、物料、安全、质量、进度、环境”七大要素为核心，实现信息有效触达、问题及时跟进、工地有序管理，打造安全可靠、绿色环保的施工工地[1-7]。

2 工程概况

杭州智慧之门项目（图1）位于杭州市滨江新区，总建筑面积37.2万 m2，由A、B、C、D、E这5个单体建筑及地下汽车库组成。其中A、B塔楼为超高层商务办公用房，建筑高度达280 m，地上63层，单层建筑面积超2 000 m2。

图1 杭州智慧之门项目效果图

3 施工特点及难点分析

3.1 总承包管理及服务

本工程体量大，包含3层地下室、3栋塔楼和2栋商业配套用房，既属于超高层建筑又具备群体性工程特点，专业分包多，总承包管理协调难度大。

本工程钢结构施工最大高度达280 m，塔楼钢结构数量多，构件重，核心筒、外框钢结构与外框水平结构作业高度不一，交叉作业繁多，高空坠落、物体打击、高空焊接等均为本工程重大危险点。

现场的安全文明施工、后勤保卫、扬尘噪声控制、建筑垃圾清理、施工废水处理等工作繁杂。场内各专业文明施工管理面广、事务杂、任务重。

本工程工期达1 740 d，各专业之间的协调和沟通量大，需保证信息的高效传递；场地高峰期有近千人同时作业，需做好人员管理。

3.2 总体施工部署

项目基坑占地面积大，地下室3层，A、B塔楼63层，高约280 m，包含专业多，地下、地上施工阶段工期控制难度大。

场地施工范围虽大，但材料堆场、加工场、交通通道面积狭小，专业工程多，堆场要求多，交通管理难度大。

塔楼施工过程中钢结构与土建对塔吊的使用协调难度大；专业工程众多，施工电梯管理难度大。

3.3 技术方案

基坑总面积达3.1万 m2，裙房区域开挖深度达14.7 m，塔楼区域开挖深度最深处达21.95 m，基坑交叉施工变形控制难度大；开挖深度范围内土质主要为砂质粉土和淤泥质黏土，土方开挖难度大，降水要求高。

混凝土泵送最高高度为278 m，高强度混凝土的强度等级为C35～C60。

核心筒与外框柱的沉降压缩“位移差”；随塔楼增高，轴线控制网的垂直引测精度难以保证。

本工程总用钢量约2万 t，A、B塔楼同步施工，存在诸多复杂节点，深化工作量难度大；与多个专业均有联系，深化设计涉及范围广；塔楼4个外立面分别设置4道斜撑，将外框巨柱、桁架及楼层水平结构连接为整体。斜撑截面尺寸较大，分段吊装为施工的一大难点。

4 信息化智慧平台助力项目管理水平提升

4.1 智慧管理信息化平台创建

针对工程的特点及难点，项目引进“集成云平台”，最大程度收集施工现场人员、机械、材料等关键数据信息，利用物联网、云计算、大数据等技术，形成“施工现场—数据采集—数据分析”的业务体系和全新的管理模式，实现前线操作与远程监控的数据链条，从而提高建筑施工现场的精细化生产管理水平。

项目集成云平台（图2）开放接口，集成各应用系统，以平面图、全景图、BIM模型等为载体，可视化地构建数字工地。

图2 智慧大脑项目集成云平台

4.2 作业人员实名制管理

项目高峰期施工人员近1 000人，管理人员逾100人，且人员流动频繁。项目通过实名制管理体系，全面采集人员信息，避免“黑名单”人员进入工地现场。同时在工地和生活区的出入口设置全高闸机，具有人脸＋IC识别模块，系统自动统计在场工友人数、工种、班组等信息，通过分析工效，为项目的劳动力调配提供依据，从而提高施工效率。

4.3 VR安全质量教育培训

项目设置VR体验馆，通过虚拟现实技术模拟现场施工中可能发生的各种危险场景（如高空坠落、物体打击、操作架倒塌、塔吊倾覆等），并能实现工程质量样板直观展示，让工友在沉浸式体验的同时，提高安全隐患防范意识和工程质量标准意识。VR教育解决了传统教育的枯燥和被动式教育的低效问题，使实实在在的切身体验入脑入心。

4.4 智能化监控

智能化监控主要由安防监控、临设消防监控、智能用电监控3个模块组成。

1）安防监控能够远程查看工地施工进度和措施落实情况，远程巡视工地安防状态。通过录像回放，对产生问题的原因进行溯源。

2）临设消防监控系统，即在办公区、生活区、库房内设置烟雾感应器，当烟雾浓度超标时触发报警，管理人员通过手机可立刻查看报警临设房间号，由专人前往处理，同时也可通过监控视频确认烟雾范围是否进一步扩大，实现快速反应部署，防止火灾发生。

3）智能用电监控系统通过对配电柜、二级箱柜等各关键节点的剩余电流、电流和温度的监测，能够及时掌握线路动态运行存在的电气火灾隐患。

4.5 设备一体化

根据施工部署，项目需投入5台塔吊（4台大型动臂塔吊）、8台施工升降机，设备多且集中。全过程共涉及50余次塔吊爬升，穿插116次爬模爬架提升，如何确保设备的安全、高效运转，是项目现场管理的重难点。

施工现场塔机布置密集，为防止群塔在交叉作业时发生碰撞事故以及吊钩进入公共场地造成安全事故，通过信息化手段对塔机运行（幅度、起重量、起重力矩、起升高度、工作速度）进行全过程监控记录及碰撞预警。同时基于塔吊每日运行情况和吊次分析垂直运输需求，合理调整塔吊作业时间和顺序，使管理更节能、高效。

施工电梯智能监测系统增加防坠、防超载、防冲顶、上下限位内外门监测、楼层分区停靠系统，进一步提升施工电梯安全管理水平。若有异常，系统会实时向手机推送消息，一旦电梯出现失控，系统会自动启动紧急制动，保障人员安全。

4.6 自动计量地磅系统

在建筑工程中，材料一般占工程造价的60%。本工程混凝土方量约20万 m3，钢筋约3.5万 t，钢结构构件约2.5万 t。智能地磅可实现数据自动可靠采集、自动判别、自动指挥、自动处理、自动控制，最大限度地降低人工操作所带来的弊端和工作强度。

4.7 APP巡检系统

通过APP巡检系统，管理人员在现场巡查时发现质量或安全问题，拍照记录检查情况后实时上传至系统，并推送给指定整改人，完成相应整改后进行平台数据闭合，检查整改形成闭环。系统将自动生成资料，可以直接对其进行打印。

该系统大大缩短了现场质量安全问题整改闭合的周期，原有的整改闭合资料归档往往需要一周或更长时间，现仅需2～3 d。

5 绿色施工技术助力企业降本增效

5.1 预制装配式道路

项目临时道路大量采用装配式道路，使用面积540 m2，占临时道路面积的60%，使用期间在场地内已实现3次周转，节约临建成本约80万元。

5.2 自带CI装配式围挡

项目围挡全部采用大片单元式岩棉彩钢板装配式围墙，面积达1 200 m2，围墙自重轻，安拆简单，运输方便，同时可直接利用涂料进行CI布设，后期根据原顺序安装即可实现CI的重复利用。目前项目部分围墙已实现2次周转，节约成本24万元。

5.3 空气能热水器使用

项目生活区采用空气能热水器进行供暖供冷。空气能热水器具有节能、便捷、安全、环保四大优点，每月可节约用电12 000 kW·h。

5.4 扬尘噪声监控系统

扬尘噪声监测点位于施工现场主道和工地大门，可对工地现场的温度、湿度、PM2.5、PM10、风力、噪声等环境项目进行实时监测并传输数据至云平台存储分析，现场设置LED屏进行数据显示，也可通过电脑、移动设备进行实时查看；该系统还可与雾炮、喷淋等设备控制联动，当PM2.5超过设定的预警值时，自动启动喷淋降尘系统，降低粉尘浓度，改善施工现场环境。

5.5 废旧钢筋二次利用

钢筋为9 m和12 m定尺，在钢筋下料时往往多出短钢筋头无法利用，项目将多余的废钢筋头收集起来用于制作集水井、排水沟盖板和钢筋马凳等，实现废旧钢筋的二次利用，直接节约成本16万元。

5.6 太阳能路灯

通往施工现场的主干道照明采用太阳能路灯，现场及生活区照明均使用LED灯带。每月节约用电成本1.2万元。

5.7 箱式功能房使用

施工现场内功能房均采用可周转集装箱，如门卫室、茶水亭、工具库房、养护室等，集装箱房整体吊装，运输方便，可多次周转，满足绿色施工要求。

6 新技术应用贯穿始终

6.1 BIM技术

本工程钢结构体量大，构件截面、材质种类众多，节点形式复杂多样，尤其是巨柱内复杂K形钢柱节点与密集钢筋的碰撞是本工程的重难点。采用BIM进行深化设计，利用其所见即所得的三维建模及碰撞校核优势提高效率，能够解决钢结构与土建、安装、机电、幕墙等专业的碰撞问题。

此外通过对屋面、幕墙、综合管线、砌体、装饰等的BIM深化，在施工之前按照“设计—检查协调—修改再设计”的循环过程，可消除设计错误和疏漏，减少施工中的返工成本。项目还基于BIM的虚拟建造技术，对大型施工机械、场区道路、现场人流等进行规划，并协同三维可视化功能再加上时间维度，对施工进度进行模拟。通过BIM模型，对施工中的进度问题、部署偏差、资源是否充裕做到一目了然。该技术创造经济效益约300万元。

6.2 铝模与爬模结合应用技术

智慧之门项目A、B塔楼建筑高度达280 m，建筑层数63层，若采用传统爬模技术进行竖向结构施工，由于爬模本身限制，需采用水平结构与竖向结构分开施工的方式，该方式在施工中将增加额外投入及安全风险。因此本工程核心筒外侧采用爬模，内侧采用铝模施工，实现水平结构与竖向结构同步施工，降低额外投入、爬模成本及施工风险。该技术创造经济效益约200万元。

6.3 GMT模板体系应用

本工程地下室结构全部采用GMT模板。GMT材料具有强度高、质量轻、能重复加工和可回收利用的特点，大大节约了工期，降低了施工成本，提高了施工效率，保障了工程质量，并增加了施工的安全性，解决了传统施工过程中的诸多难题，实现了降本增效及绿色施工的目标。该技术创造经济效益约200万元。

6.4 坑中坑式基坑支护加固技术应用

传统地下工程开挖的坑中坑是电梯井、设备基础、集水井等局部开挖部位，往往这些部位的标高在地下室或者承台以下，高差2～3 m，因而形成了大坑套小坑式的基坑。近几年坑中坑出现在我国很多地标性建筑中，由于内坑位置往往处于工程性能较差的土层中，设计及施工不当往往会造成严重的经济损失，甚至危及人身安全，造成巨大的社会负面影响，因而坑中坑支护技术的研究分析显得尤为重要。

本工程坑中坑施工中，综合考虑并深入分析承压水、土压力、工程桩、基坑周边围护体和施工超载等因素，采用在加深坑区域增设钢筋混凝土支撑，且支撑浇筑在基础底板内，减少支撑拆除时间，也省去了因拆撑需要而设置的换撑工况，实现深坑的整体浇筑，确保基坑安全。在技术层面上，力争做到优化，保证施工质量、安全、经济、环保。该技术创造经济效益约200万元。

6.5 基坑封闭降水及地下水循环利用技术

基坑封闭降水技术通过利用钻孔灌注桩＋旋喷止水帷幕的围护结构，插入基坑下卧不透水层一定深度，阻截基坑侧壁及基坑底面的地下水，避免其向基坑内部渗流，同时采用降水措施抽取或引渗基坑开挖范围内的少量现存地下水。该项技术的运用可以有效减少地下水的消耗，节约了地下水资源，同时解决了基坑施工中的问题，且大大缩短了施工周期。该技术创造经济效益约300万元。

6.6 喷淋系统

利用围墙喷淋、外架喷淋、塔吊喷淋系统，三位一体、全方位覆盖施工场地，有效控制扬尘；同时利用降水井抽取的地下水作为供水源，实现了水资源的循环利用，充分体现了绿色施工和环境保护理念，达到了降本增效的目标。该技术创造经济效益约120万元。

6.7 施工过程中水综合回收循环利用技术

将基坑降水所抽水体集中存放，用于冲刷厕所、现场撒水控制扬尘等；经过处理或水质达到要求的水体用于结构养护用水、基坑支护用水、混凝土试块养护用水以及砌筑抹灰施工用水等的回收利用技术。

同时，施工过程中将降雨收集后，经过雨水渗蓄、沉淀等处理，用于施工现场降尘、绿化和洗车；或在此基础上，将施工、生活废水经过过滤、沉淀等处理后再循环利用。该技术创造经济效益约220万元。

6.8 可周转外架连墙件的应用

本工程地下室施工使用大量止水螺杆，止水螺杆露出墙体多余部分在割除后多按废材处理。项目利用割除的止水螺杆替代钢管作为预埋件，同时使用废钢管与钢板焊接成连接件，利用螺栓与制作成品构件连接，形成可周转外架连墙件。通过各项目周转使用，实现了废料再利用。

6.9 焊接机器人使用

本项目钢构件超厚板多，板厚大于70 mm的构件达30%，最大板厚达110 mm，焊接量大，焊接质量较难控制。板厚大于70 mm的构件焊接必须采用电加热进行预热，预热温度为120～180 ℃，加热宽度为1.5倍的板厚。在焊接过程中，层间温度控制在预热温度到250 ℃之间，焊后保温1.5 h以上。项目使用MINI型焊接机器人进行焊接，可提高现场焊接效率2～3倍，同时实现一次焊缝检测合格率99.9%。该技术创造经济效益70万元。