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BIM技术在超高层建筑中的应用优势及案例

发布时间:2021/08/03 点击量:
超高层建筑具有施工周期紧、部分节点施工难度大、质量难以控制、施工顺序难以确定等问题,为了提高超高层建筑的建设效率,就须采用先进的信息技术。文章以上海中心大厦为实例,主要对BIM技术在超高层建筑中施工进度、施工质量、项目协同管理等方面的应用进行探讨,旨在为建设人员事前控制提供参考。通过分析,BIM技术为解决超高层建筑中质量难以控制、进度受不可控因素影响大等显著问题提供了新方向,也为建筑行业的日后发展提供了宝贵的经验。
 
超高层建筑是一种地标性建筑,也是每个城市的梦想。它不仅是城市的标签,也是国家基建能力实力的象征。从中国踏上基建的列车,从未停止过对科学、技术的探索,经过数十年的发展,建筑领域出现了一些新技术,如BIM(建筑信息模型)、RFID(无线射频技术)、装配式建筑,这些新技术的出现使得传统建筑行业发生了翻天覆地的变化。
 
从二维图纸到三维模型再到4D和5D,新技术的出现突破了传统技术无法攻克的难关,超高层建筑一向以难度大、技术要求高、施工复杂而著称,BIM技术的出现使这些难点迎刃而解。BIM技术贯穿于建筑的全寿命周期,从设计到施工、运营,BIM技术都可以体现它独有的优势,建设者不再靠图纸去想象建造过程而是可以利用BIM技术模拟整个施工过程,这样的改变无疑是为超高层建筑打开了一片新的天地。
 
国内学者王双元认为BIM技术让建筑结构更加直观、清晰,对建筑工程管理决策、制定施工方案有重要作用。牛鹏等论述了BIM技术在超高层建筑施工中的整合应用。李海龙系统论述了 BIM 技术在超高层建筑装饰装修中的应用优势,从项目规划、设计、施工全过程出发探索BIM技术的应用策略。范传祺等将通过BIM技术在特定超高层建筑中的应用,研究BIM信息化平台、BIM深化设计、三维可视化引导建设、BIM工程项目管理等内容。以BIM应用为载体确立项目信息化管理,实现项目的优化设计和综合管理,缩短工期,降低成本。通过阅读相关文献发现BIM技术在施工进度编制、施工进度管理等方面的应用还有待完善,这也是本文基于工程实例所要研究的重点。
 
一、工程概述及难点分析
 
1、工程概述
 
上海中心大厦位于上海浦东新区陆家嘴金融中心Z3-1地块,和金茂大厦、环球金融中心相邻。项目包括1栋5层地下室,1栋121层综合楼(含办公及酒店),1栋5层商业裙楼,总建面约574 058 ㎡ ,其中地上建筑面积约410 139 ㎡ ,地下建筑面积约163 919 ㎡ 。裙楼高32 m,塔楼结构的高度是580 m,塔的最高点是632 m。
 
2、工程难点分析
 
超高层建筑具有以下问题:结构复杂、涉及专业广、部分节点施工难度大、工期紧等。具体表现如下。
 
(1)项目参与方多,工期紧。本工程位于市中心,施工场地狭小,政府及相关监管部门部分考虑到噪声、建材污染、交通疏导等问题,要求本工程在规定时间内完工,因此本工程工期十分紧张。上海中心大厦从决策、设计、建设、运营整个全寿命周期参与方多达30多家。建造现代的超高层建筑会涉及很多领域,对施工技术和组织协调能力的要求比较高,对于超高层建筑的管理者来说,无形之中带来了很大的挑战。如果在施工进度编制的过程中只考虑本专业的要求,而不考虑其他专业的要求,那么其他专业的施工就会受到影响。传统粗略估计的方法已经无法满足此项目的进度计划编制。
 
(2)施工进度无法保证。本项目分支系统复杂,包括8个建筑功能综合体、7个结构体系、30个机电子系统。在超高层建筑施工过程中,传统的施工设备和施工工艺已不能满足业主的要求。由于超高层建筑的复杂性,即使施工企业采用国内外最先进的生产设备和施工技术,也有可能由于施工管理人员的专业水平低、施工工人的工作质量低,而无法按照规定的进度计划完成施工进度。
 
(3)施工质量难以控制。本工程信息量较大,包括施工图3 700多张,钢结构深化图8 000多张。信息难以有效传递、施工工艺复杂等因素,增加了控制施工质量的难度。现阶段存在一些建设项目过分追求进度,忽视质量安全,这种情况往往会造成返工、停工,甚至严重的安全事故,对施工进度造成很大的影响,也给建设工程的质量留下隐患,不仅给自身造成经济损失,也给名誉带来损失。
 
二、BIM技术在超高层建筑中的应用优势
 
通过建立BIM模型可以实时模拟超高层建筑项目的建设,在这个过程中规范超高层建筑项目施工人员的操作行为,更好地规划项目实际进程,准确和及时发现施工过程中潜在的问题和风险,大大提高超高层建筑的安全。
 
通过BIM技术进行模拟、调整和优化,可以得到建筑、结构、钢结构、装饰综合图等施工图,为现场施工的可视化提供依据。并快速准确地记录和备案所有施工行为,这将有利于施工和管理人员的核查和后续作业。
 
超高层建筑工程施工人员根据BIM技术提供的施工图,可以更好地了解施工过程,熟悉施工过程中需要注意的问题,在提高现场施工人员工作效率的同时也保证了工程施工质量。确保施工现场的每个工作环节都能顺利进行,避免施工现场发生事故。对于重要的施工方案和重点施工工艺,通过对BIM技术的仿真,可以发现潜在的不足,并做出及时修改。
 
三、BIM技术在上海中心大厦的应用
 
1、基于BIM技术深化的项目协同管理模式
 
由于该工程体量大,参建方极多,深化设计需要综合考虑各方面的因素,并非某个单位独立就可完成的工作。这样做出的深化设计方案既不会闭门造车,也不会在实际施工中产生许多问题。因此,与项目参与者的协调和沟通将被视为BIM技术深化设计的一项重要工作,优化后的协同管理模式如图1所示。
 
项目协同管理平台
图1 项目协同管理平台
 
2、采用多维功能的BIM技术安排施工进度
 
该项目的机电安装工程分为4个区间进行,分别是地下室、裙楼、低区、高区,总工期约1 279天。对于一些工程量大、工期长的项目,施工进度计划编制通常采用传统的粗估法。结合该项目特点,在本工程中采用模型统计与模拟的方法进行施工进度编排。在工程总量与施工总工期没有重大变化的前提下,首先在深化设计阶段模型的基础上将工程统计的相关参数(例如各种设备、管道、配件的外观参数和性能参数等数据)添加到BIM模型中。
 
将参数化模型内包含的各分区、各系统工程量进行分类统计后获得工程量分析,并分别提取设备、材料、劳动力需求等数据。最后,利用上述数据在工作面交付、设备材料供应、劳动力资源、垂直运输能力和临时设施使用等因素中找到平衡点,并综合考虑统筹安排施工进度。通过运用BIM模型4D、5D的统计和仿真功能,不仅能够改变以往粗放型以及经验型的管理模式,还可以使进度编排方法朝着更加科学、精细、均衡的方向发展,更加有利于解决施工高峰期所产生的施工管理混乱、临时设施匮乏、垂直运输不力、劳动力资源紧缺的矛盾,同时也避免了施工低谷期而造成的劳动力及设备设施闲置等资源浪费现象。
 
3、基于BIM技术的施工进度管理
 
对于施工管理团队来说,把握施工进度的能力是一项综合能力,包括施工技术、方案规划、材料供应、人力配置等方面。该工程体量大,周期长,在施工过程中的各种变化因素都会对施工进度产生影响。利用NavisWork对施工过程进行模拟,如图2所示,同时对施工进度计划中的关键节点钢平台爬升过程模拟,如图3、图4、图5所示。因此,在施工计划、材料供应、劳动力配置等方面可以利用BIM的4D、5D功能为管理人员提供决策依据。
 
NavisWork下的施工虚拟预演
图2 NavisWork下的施工虚拟预演

施工进度计划分析一
图3 施工进度计划分析一

施工进度计划分析二
图4 施工进度计划分析二

施工进度计划分析三
图5 施工进度计划分析三
 
4、利用模拟对施工质量进行管控
 
利用BIM技术对整个项目进行施工模拟(见图6),有利于管理人员对未知风险的把控,达到提升施工质量的效果。由于在模型的管线综合阶段(见图7),已找到并解决所有碰撞点,通过对现场信息的及时反馈可以对模型进行实时调整。因此,BIM三维模型作为衡量按图施工的检验标准是最合适的。
 
BIM施工模拟
图6 BIM施工模拟

管线综合模拟
图7 管线综合模拟
 
根据监理部门的需要,项目部需把机电各专业完成后的工程影像资料导入BIM模型进行对照。另外,通过对结果进行分析比较并提交“差异状况分析报告”。此报告将系统运行、吊装和后续工序的施工以三维示意图的形式记录下来。为监理单位后期整改处置提供依据,确保施工质量达到深化设计的要求。
 
结语
 
对于超高建筑工程建设来说,合理应用BIM技术不仅可以制定出可视化的预演方案,也能够为管理人员提供良好的参考价值。通过BIM技术在超高层建筑中深化项目协同管理模式、施工进度编排、施工进度管理、施工质量管控等方面的研究,有效地解决了由于参与方众多引起的组织协调无法达到项目要求的问题,为施工方案的优化提供了重要的决策依据。另外,通过在三维模型中加入时间维度,实现向4D模型的变换,根据4D模型模拟施工过程。为现场施工人员更好地掌握施工难点提供可视化参考,从而保证施工的质量、安全、效率、成本,提高工程的整体效益。
 
编辑概况:吴京戎(1971—),女,湖北武汉人,教授,硕士;研究方向:房地产,工程项目管理。
通信编辑:闫艳伟(1993—),男,河南驻马店人,硕士研究生;研究方向:工程管理。
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