北京中信大厦(CITIC Tower,见图1)又名中国尊,总建筑层数115层,其中地上108层,地下7层,总建筑面积43.7万m²,地下部分8.7万m²,地上部分35万m²,总高528m,为北京市第一高楼。

　　 中国尊项目建造品质对标国际最高标准,提倡建造节能环保及绿色大楼,建造目标为绿建三星、LEED金级认证。施工期间,融入绿色建筑理念,精选高品质环保材料,保证大楼品质、安全、环境舒适及绿色施工,创建北京市绿色安全文明施工工地。

　　 项目采用众多的新技术,如基于BIM技术应用的超高层异形结构立管施工、双工况冰蓄冷技术、大温差供冷技术、低温送风系统技术、第二代变风量VAV技术、FASU风量平衡系统技术、3D可视化交底技术等。新技术的应用在绿色建造、建筑节能等方面产生较高的效益。

　　 空调系统施工时,还需配合电气、给排水、消防、智能化、精装修等其他专业。机电系统各专业交叉、界面协调多。

　　 中国尊大厦四角的4个钢结构巨柱为倾斜构造,在巨柱边分布8个机电管井,管井随巨柱结构均为倾斜构造,倾斜角度随巨柱角度变化。本工程施工图设计深度无法满足现场施工需求,需要BIM深化设计辅助管井专业大样图等,项目部使用Revit进行管线综合,合理排布各专业。结构巨柱面积为166m²,倾斜度为4°,影响面积183m²,8个管井现面积39m²,含7个专业(主要是暖通专业)管道,如表1所示。以EF-Z1-05为例,该管井为暖通和给排水专业共用管井,其中,暖通专业含空调水管道及预留排风管道,给排水专业含雨水、污水、废水管道。

　　 倾斜管井位置占用空间大,尽可能将管井空间利用率最大化,所以需对异形结构进行结构复核,采用三维激光扫描技术对标准层进行实测,整层面积约4 000m²,共15个测点。三维激光扫描仪现场获取的高精度三维点云数据直接导入到BIM相关软件中,经过复核,对比结构模型,误差在允许范围内。标准层三维扫描如图2所示。

　　 依托异形结构模型,制作管井深化设计大样,管井支架深化图依据Z1区7～16层管井平面(见图3)(图纸版本20161116)进行设计。其中Z1区EF-Z1-05管井深化设计排布如图4所示。

　　 该建筑中异形结构管井包含复杂的管道系统,仅大管道管井就4个。BIM技术为管道工程精细化设计与安装提供基础,然而目前BIM技术主要应用于碰撞检查,避免施工出错,对管道支吊架的辅助设计等涉及较少。增加管道支吊架设计功能,为目标管线选定支吊架类型后,进行力学安全性能分析,确定支吊架的位置。还建立常规支吊架构件模型库,最终不仅得到二维平面施工图,还能以三维形式展现布置情况,同时还可统计各类支吊架的数量。项目部对管井内支架进行BIM设计,较传统经验设计用量往往比规范要求多,且在管道打压过程中存在结构超载风险。中国尊项目运用Solidworks,Navisworks等软件结合三维扫描,以数据分析实现支吊架预制设计科学化及可视化。设置模型外作用力、固定点面积及材料选型等参数,判断支架选型及设计的合理性。同时,可将支吊架导入Navisworks管线综合模型内,用三维扫描数据进行比对,判断支吊架吊装空间的合理性。Solidworks模拟支架受力分析如图5所示。

　　 考虑承压满水管道对支架的作用力,分解为2个方向的受力(见图6)。

　　 1)沿管道方向承压管道的满水压力(盲板力)主要由底层承重支架承担,管道与支架间考虑卡箍连接,管道对支架的作用力考虑本层管道重力的摩擦力。

　　 式中:M为管道自身质量(kg);μ为摩擦系数,取0.4。

　　 2)沿垂直管道方向考虑承压管道的自身重力及满水重力分解在本方向的分力。

　　 式中:m为根据管道内体积测算的水质量(kg)。

　　 计算剩余管道的作用力,可得:

　　 将上述作用力作用于支架固定卡箍位置处。

　　 经过受力分析,管井支架的受力(见图7)如下。

　　 从分析内容可知,支架最大受力为4.997×10⁷N/m²,小于Q235普通碳素钢的屈服应力2.206×10⁸N/m²,参数校验符合设计要求。

　　 上述力作用于支架上,支架最不利点的焊缝受力如下:

　　 扭矩V=2 859N·m。

　　 根据GB 50017—2003《钢结构设计规范》对焊缝受力要求的相关规定,查得普通碳素钢Q235角焊的焊缝屈服应力为160N/mm²。得σ_f=3.61N/mm²<160N/mm²(理论设计值)。

　　 经上述负荷计算,焊缝参数校核满足设计要求。

　　 超高层建筑施工存在高处作业多、垂直运输量大等问题,施工中需解决人员的垂直运输问题,提高工效,传统施工中每次技术、安全等交底需到会议室进行,工人从楼上到楼下,不仅工效低,且占用超高层建筑垂直运输资源,项目部自行设计3D可视化移动平台,将8个管井的异形结构立管技术交底进行可视化处理,在现场可及时得到解决。

　　 3D可视化移动平台由3D智能投影仪、UPS移动电源、WIFI路由器、智能摄像头等组成。投影仪将技术交底文件无线传送至远程用户终端同步播放,投影仪可通过WIFI联网共享交底内容。远程用户终端如手机可随时联网接收交底内容,使不能接受现场交底的工人自主学习,提高交底覆盖面。摄像头无线连接至监控终端,将拍摄的照片或视频传送至监控终端存档,如摄像头通过WIFI联网,监控终端。管理人员的计算机或手机可联网后实时查看交底现场情况、评估交底效果、管理和存档交底规程文件。为使用方便,项目部设计专用滑动支架,可随时随地运行。

　　 1)管井结构复杂且异形,涉及专业管线多,管井排布精度要求高,通过精确的BIM深化设计,确认管路的优化及支架形式,保证管井排布美观。

　　 2)超高层建筑中,楼内空间价值较高,通过BIM深化节约的管井面积可为业主提供较大利益。

　　 3)对异形结构管井进行三维激光扫描,并比对BIM模型,使整个BIM设计更加精确,保障深化设计在施工现场的可实施性。

　　 4)超高层施工中,利用可视化交底可大大提高工作效率,严格把控施工质量,为实现一次性验收合格提供支撑。超高层异形结构管井内管道施工一定要整体考虑,科学安排及管理施工操作程序,最后实现管井管道安装安全、优质、适用与美观。