建筑信息模型(building information modeling,BIM)以建筑工程项目的各项数据作为基础,通过数字信息仿真模拟建立三维建筑模型 ^[1]。由于具有可视化、协调性、模拟性、信息完备性等强大优势,在建筑行业得到广泛应用和迅猛发展。BIM技术应用的最大价值是能贯通建筑工程的全生命周期,使建筑工程在各个进程中显著提高效率、降低施工风险、保证施工质量和安全 ^[2]。随着建筑结构安全技术体系的日渐成熟,超高层建筑在国内迅速发展 ^[3],建筑高度不断被刷新,超高层建筑结构形式多变、施工工艺复杂、工程体量大、管线错综复杂、专业覆盖广、存在大量交叉作业,更需应用BIM技术把控施工全过程。

　　 本文应用BIM技术对国贸三期B阶段工程从深化设计到制造加工,再到施工管理、竣工交付,进行工程项目全生命周期的模拟,其中在深化设计阶段,对包括土建、钢结构、机电、幕墙、装饰装修在内的建筑工程全专业进行BIM三维模型深化设计,探索BIM技术在超高层建筑全专业、全生命周期中的应用,通过基于BIM的现场施工管理信息技术的应用,实现工程项目的精细化、信息化、协同化管理。

　　 国贸三期B阶段工程(见图1)位于北京市朝阳区东三环中路与光华路交汇处西南角,是北京中央商务区CBD核心区的重要组成部分。主塔楼地上共59层,高295.6m,为超高层公共建筑。整个工程总用地面积19 456m²,总建筑面积达22.3万m²。建成后将与国贸一期、国贸二期及国贸三期A阶段组成全球规模最大的世界贸易中心和北京CBD中心商务区的地标性建筑群。

　　 本工程体量大、可利用场地有限、且使用大量钢结构,结构形式复杂,深化设计难度大;结构施工遵循核心筒钢结构先行,外框结构紧跟的原则,土建、钢结构、大型塔式起重机爬升等工序相互穿插,施工管理难度大。机电专业系统复杂,且与其他专业相互交叉,建筑外立面造型独特,楼层平面尺寸变化多样,幕墙造型多变,深化难度大。施工工艺复杂,复杂节点及大量构件连接控制要点多,进行平面二维交底困难。

　　 针对以上重难点,应用Revit,Tekla structures,Rhinoceros,3Dmax,ANSYS,Navisworks等BIM软件建立建筑信息模型,基于BIM技术进行深化设计,解决不同专业间或不同系统间的冲突与错漏碰缺等问题,结合移动应用技术和云技术,对场布、施组、进度、材料、设备、质量、安全、竣工验收等进行信息化管理,最大限度服务于施工全过程,实现施工现场信息的高效传递和实时共享,提高精细化管理水平。

　　 本工程用钢量大、结构形式复杂、深化设计和施工难度大。利用BIM技术对钢结构施工从深化设计、物料采购到数字化加工,再到复杂工艺模拟、物料追踪等全周期进行精细化管理,大大减少材料浪费、提高安装质量。

　　 1)钢结构模型深化将Revit结构模型导入Tekla软件,对模型进行节点(见图2)深化、受力分析及构件优化,并对重要节点部位的钢骨柱、钢骨梁、钢构件与土建梁柱相交节点进行三维模拟,再将钢结构深化完成的模型导入Navisworks中进行碰撞检查,解决钢结构与机电、幕墙及精装修等专业间存在的交叉问题。

　　 2)三维扫描和数字化加工对钢结构铰接连接构造及支撑与框架连接构造等复杂部位采用三维数字化扫描技术,减少人力、场地和机械的投入,并可利用钢结构深化模型直接给出加工详图,指导工厂进行构件加工生产。

　　 1)二、三维一体化深化设计二维、三维一体化的深化设计模式通过Revit软件建模,模拟管线综合排布,检测各专业管道间及与结构梁、柱、墙间的碰撞或不合理布置,同时将各专业管线与精装修进行二次追位,一次性完成碰撞检查,提出碰撞检测报告,制定调整方案,实现空间零碰撞,针对重点机房、设备间等部位,通过对系统进行深化设计,综合分析模型信息,优化管线排布方案,增加净空高度,制定合理的调整方案。最后根据优化后的模型导出二维综合排布图用于施工。一体化深化设计模式较传统二维设计减少40%深化出图时间。管线三维模型如图3所示。

　　 利用BIM模型的可视化工具,根据实际参数进行设备排布和可视化漫游,对同时涉及多专业的交叉工作协同指导施工。

　　 2)工厂预制加工通过三维机电深化设计得到的BIM模型,可直接导出构件清单,交由工厂进行加工,提高精度和安装效率,也方便日后业主的维护与维修,起到数据信息共享的作用。

　　 通过相关软件对幕墙模型进行深化,将4 616块大面单元板块、2 560块转角区域单元板块、2 036块翘曲单元板块深化后的幕墙模型与加工设备相结合,实现幕墙构件预制的数字化精确加工,保证相应部位的工程质量。幕墙深化设计模型如图4所示。

　　 建立BIM模型,将各部位精装修做法、装饰装修材料及节点部位处理信息导入BIM信息系统,借助Revit软件实施动态更新模型,进行装饰装修做法深化(见图5),并快速统计房间做法,在施工过程中及时提取相关信息,通过模型导出二维节点大样图。

　　 本工程地处CBD商业核心区,紧邻地铁1号线、10号线及北京市地标建筑,工程体量大且周围可利用场地有限。利用Revit,3Dmax软件将整个项目施工分为5个阶段,分别搭建施工各阶段的场地模型(见图6),根据各阶段施工特点确定场地堆料位置,解决可利用场地狭小的难题。

　　 结合项目施工工艺、流程,对施工过程进行模拟、优化,选择最优施工方案。为保证有限工期下的优质履约,对复杂节点的施工进行可视化模拟,实现重难点施工工艺的可视化交底。大幅减少工序交接时间、提高沟通效率,使整个项目工期节约20d。

　　 1)超高层混凝土泵送可视化交底本工程混凝土最大泵送高度达265m,混凝土输送泵选型、管线布置等都是施工难点。通过Revit,3Dmax等软件模拟输送管、水平缓冲管、垂直管、布料杆等布置及连接方式,提前解决与各专业交叉作业的问题,制定最佳泵送线路,通过模拟超高层混凝土泵送施工工艺,实现可视化交底,使超高层混凝土泵送作业提前4d完成。首层泵管布置如图7所示。

　　 2)塔楼钢结构可视化施工模拟本工程主塔楼属超高层建筑,主塔楼钢结构施工前,利用Revit,3Dmax等软件对主塔楼钢结构施工进行仿真模拟,对钢结构复杂节点深化、钢板墙预拼装、现场吊装工况分析及与土建交叉施工等关键项目进行更全面、更直接、更有效地把控,实现塔楼钢结构施工的可视化施工模拟。

　　 3)封闭结构下轻型钢结构半自动自爬升施工模拟为克服超高层建筑因爬模影响核心筒内钢楼梯安装的难题,本工程采用封闭结构下轻型钢结构半自动自爬升施工工法 ^[4]。通过ANSYS,Revit,Navisworks等软件,实现主塔楼液压自爬升模板体系施工全过程模拟,论证方案的可行性。通过模拟爬模全过程,及时发现并处理相邻构件与爬模的冲突,利用机械进行封闭结构下的轻型钢结构施工,提高施工效率和安全系数。爬模三维模拟如图8所示。

　　 4)大跨度重型桁架安装施工模拟为达到景茂街提前通车的合同要求,项目部制订景茂街提前通车的不同方案,利用3Dmax,ANSYS软件对不同方案进行安装过程模拟,通过方案比选,最终确定大跨度重型桁架安装(见图9)方案,实现景茂街的提前通车。

　　 BIM技术的大数据功能及互用特性,使BIM模型能应用在不同软件平台上,实现现场进度管理、材料设备管理、质量管理、安全管理、文档管理、试运行和竣工交付,还能统一协调业主、顾问、监理、总包、分包单位及劳务队,使各单位及时将现场问题反馈给相关责任方,进行施工跟进,及时、便捷、有依据地协调现场情况。同时还能实现撰写施工日志、下达施工任务、查询设备信息、离线查看图纸等功能,使传统施工管理模式逐渐向电子化方向发展。

　　 将进度计划与模型相关联生成施工进度管理模型,利用BIM 4D,进行施工过程模拟、可视化对比分析,确定合理的施工工期,实现施工进度的控制与管理。

　　 采用广联达5D平台,动态计算实际工程量,快速显示成本变化,为成本控制提供依据。通过计划用量与实际用量间的对比和分析,进行实时动态管理,当现场实际工程量与计划工程量发生偏差时,系统发出预警,可及时寻找原因,进行改进,防患于未然。

　　 通过Navisworks作为平台,将现场照片、资料、网页等多种形式整合到模型内,并通过移动端软件在现场实时浏览模型,对比现场施工状况,快速判断问题所在。

　　 按施工段划分原则建立模型,结合阶段性施工进展,在Navisworks中漫游检查识别施工危险源,预先进行洞口标记,将更多的时间用于安全风险评估与措施制定。

　　 由于BIM模型整合了建筑工程的全部信息,竣工交付时将BIM模型一并交付,保证建筑信息的完整性,BIM信息的存储可采用硬盘和云存储相结合的模式,有效提高管理水平和降低管理成本,方便业主获取的信息、运营维护。

　　 国贸三期B阶段在包括土建、钢结构、幕墙、机电在内的建筑工程全专业、全生命周期中应用BIM技术,进行深化设计、质量管理、安全管理、进度管理,并利用BIM技术进行超高层重难点问题工艺模拟。通过各工序、工法的施工模拟,大幅减少工序交接和沟通时间,提高工作效率,使整个项目工期节约20d。通过碰撞检测共发现1 500余处碰撞,解决结构设计漏留洞口300余处,方案优化节省机电路由长度1 000余m,预估节省费用60余万元,材料损耗低于行业基准值30%。以BIM模型计算的工程量为依据,核对现场材料计划,使现场材料量控制在原有的85%内,经济效益显著。本项目BIM技术应用还获得第三届中国建筑工程BIM大赛单项一等奖,带动BIM技术在行业的应用,为建筑业BIM技术的推广起先锋作用。