装配式建筑专题六 | 许立山：中国尊大厦全生命周期bim技术应用 -k8体育

题记：
       中国尊大厦由于造型独特、结构复杂、系统繁多，各专业深化设计重点难点多，专业间协调要求高。施工阶段，项目所有专业全部采用bim技术开展深化设计。项目把bim技术深入应用于建设过程中，实现工程的全关联单位共构、全专业协同、全过程模拟、全生命期应用。

一、中国尊项目概况

1、中国尊介绍

       项目位于北京市朝阳区东三环北京中央商务区（cbd）核心区，东至规划中的金和东路，南侧隔相邻地块与景辉街相邻，西接金和路，北侧隔12m公共区用地与光华路接邻，总用地11478平方米。主塔楼是一栋集甲级写字楼、高端商业等功能于一身的综合性建筑。项目建设单位为中信和业投资有限公司，项目建成后中信集团总部将携中信银行总部入驻，同时将吸引国际金融机构、国际500强企业等公司进驻该项目，详情见表1。

2、项目特点

       由于该项目的复杂性，在施工过程中的平面组织、工程进度、垂直运输、施工安全是项目的特点和难点。

       2.1 该项目由于空间有限，项目地处cbd核心区，占地面积只有11478平方米，建筑边界线距离用地红线只有10cm，这就导致没有施工场地，几乎为“零场地施工”,施工组织难度非常大，几乎所有的材料都是场外加工，平面组织见图1。

       2.2 工程进度按照单月开发面积计算，除了上海环球金融中心（达到单月7000平米），其余工程都是在4000平米~5000平米，如果中国尊按照进度目标完成，它将达到单月7400平米，建成之后将是建设速度最快的项目。

       2.3 超高层建筑可以理解为一个“立体街区”,通常当建筑物高度超过300m以上时，人员与材料的运输非常困难，由于中国尊主体高度达到528m，作业面非常小，施工过程中的垂直运输组织与速度控制是关键问题，施工中采用了4台跃层电梯(jumplift)，即在结构施工中不断将电梯机房提升，一直提升到500m的高度，相当于施工期间将正式电梯提前投用来解决垂直运输难题。

       2.4 施工安全是施工过程中严格控制的问题，因为该项目在施工高峰期，现场施工人员多达4000人，对整个施工过程中的安全管理至关重要。

       2.5 迄今为止，该项目创造了8项世界之最、15项中国之最，如图2。

3、目前的进展

       目前，该项目混凝土部分高度已施工到105层，结构高度达到503米左右。同类超高层建筑的施工大多采用不等高攀升的施工技术，即实现立体流水施工组织，先施工核心筒部分，然后施工外筒部分，为幕墙和内装施工创造作业面。但通过图3几乎很难看到该项目的核心筒和外筒存在很高的层差，主要是由于该项目的工期非常紧张，因为决定施工总体进度的因素并不主要取决于核心筒的施工速度，而是当外筒与幕墙施工完毕后会为室内机电安装和装修创造更多的作业面，使各方达到较为均衡的施工速度。

图3 工程进展

二、项目bim实施路线

      1. 利用bim技术将建筑规划、设计、施工、运营全生命期内的所需要各类信息数据整合到一起，这种以三维模型为载体的高效而全面的信息化数据传递方式，加快了项目进度、缩短了项目工期、降低了项目成本，在诠释节能减排、绿色建造概念的同时，也为未来运维阶段的信息化、数字化建筑管理建立了良好的技术基础，各阶段bim应用见图4。

图4 bim模型连续传递，有效整合

      2.中国尊大厦制定了项目建设全生命周期bim技术应用的基本目标，要求所有参建单位使用bim技术。该项目是国内第一个真正意义上从设计阶段就运用bim技术的项目，北京市建筑设计研究院作为联合体的牵头单位，从设计之初组建专人团队集中办公，实现二维设计和三维设计并举，bim模型是在二维蓝图交付后的半个月内提交。在施工阶段利用该bim设计模型做深化设计，让所有参与这个项目的工程师和项目涉及到的其他不同方公司一起，统一在bim标准平台上进行操作，也只有实现同期进场，我们作为施工总包方才能把所有的专业单位整合在一起，当时仅参与bim技术人员就达100余人。

       中国尊大厦项目制定了项目建设全生命周期bim技术应用的基本目标，要求所有参建单位使用bim技术，通过合同条款（见图5）对参建各方的bim工作范围进行规定，在实施过程中以《bim实施导则》（见图6）规范各单位bim操作及应用内容。bim离不开软件的应用，在项目初期，项目组对于各专业使用的bim相关软件进行了收集分析，结果发现各专业仅主要软件使用就多达6种，如何将各专业建模结果搭建在统一平台上也是我们必须解决的重要问题，见图7。目前，国家还没有相应规范，所以在实施过程中我们才会制定该《bim实施导则》，以便各方在统一的平台上按统一的标准进行操作，也便于该模型用于后期的运维阶段。

三、参数化设计

       中国尊取古代礼器“尊”的造型，从侧面看为双曲线造型，没有标准层，结构体系采用巨型框架结构，而连接巨柱的环桁架定位非常复杂，该项目在设计初期先有建筑表皮系统，结构根据表皮系统确定结构定位，逐步进行协调。由于其弧线造型的特殊性，对其工程设计精度和工程控制精度有更高要求。通过软件，利用几何控制系统生成建筑形体，设计师对建筑设计过程中的所有几何信息、数据进行系统的描述和表达，以达到全过程精确控制工程设计、深化、加工、安装的目的，基础控制面和外框筒结构的生成见图8。

       由于项目体量庞大，bim模型就需要分系统、分专业，甚至分区、分楼层。如图9所示，就是采用bim技术对设计机电管线排布进行综合协调及优化。

       在设计阶段完成与施工图深度相一致的bim模型建立，作为辅助出图及提升设计表达的手段，图10示意了分解的核心筒、筒外主体、外框结构和幕墙的bim模型整合。

       通过bim技术的运用，最重要的是在设计阶段有了初步的专业协同，相信没有bim技术设计院也会有专业上的协同，但是利用bim技术在专业协同上会更加深入，通过和设计师之间的沟通，专业之间尤其是机电、建筑、结构相互之间的预留会有更细致的协调。

四、绿色建造

       在“中国尊”项目的实施过程中，我们体会到绿色建造并不仅仅是直观的减少施工环境的污染、新型环保材料的运用、节约能源等方面，bim技术也潜移默化地体现在了绿色建造的诸多方面，例如：施工图审核及优化、施工图深化设计、预制化加工、模型综合协调及碰撞检查、重点施工方案编制及工艺模拟、三维激光扫描、bim模型轻量化等。

1、施工图审核及优化

       bim技术的应用改变了传统的建造过程，由于其直观性，施工单位可以提前介入，结合bim模型对设计施工图提出优化意见，从而减少图纸问题。图11给出了两个施工单位参与意见后施工图的调整范例。

图11 施工单位对设计施工图提出优化意见示例

       2015年底之前，根据统计，施工图设计阶段，共对设计单位完成五轮设计成果报审，由业主单位、顾问单位、施工单位提出审核意见仅地下部分项目就达到11981项。其中对施工图的bim复核24批次，解决了各种设计问题4959项，占比约41%。在该项目尚未实施前，进行图纸升版，大幅减少施工过程中因碰撞、拆改及设备未选定而造成的浪费、工期延误、造价增大等问题发生的概率，图12中给出了中国尊项目中各专业有效深化设计图纸所占比例，并且将该项目利用bim技术审核和二维方式审核所解决的问题进行了比较，二者的比对结果会让施工方和设计方更容易接受对方提出的意见和建议。实践发现，bim技术的运用在图纸会审阶段最大优势体现在短时间内发现了二维图纸无法直观发现的问题。

2、施工图深化设计

       bim技术在施工图深化设计阶段最为突出的优势体现在以下两个方面：第一，在结构、机电、幕墙、装修等专业深化设计过程中全面应用bim技术，同期进场，同期开展工作；第二，施工图深化设计的价值创造。

       2.1 钢结构
       钢结构专业采用bim技术开展深化设计、材料加工和构件制作，通常设计院不会给出构件加工图，特别对于像钢板剪力墙这样的结构，钢筋与钢板之间会出现很多复杂的情况，这时，我们就可以通过bim技术对其进行放样，在构件厂根据模型对其进行穿孔、预留连接器等工作，钢结构深化设计示意图如图13所示。

       2.2 二次结构
       二次结构采用bim开展深化设计，配合机电完成圈梁、构造柱、预留洞口的设计，并形成图纸。如图14所示，该项目内隔墙采用alc（蒸压加气混凝土）条板，也常用于装配式建筑，由于alc板几何尺寸的特征，要在现场拼装，因此就要事先进行排板深化设计，以便于与其他专业进行协调。同样，如果使用砌块，那么结构中又会出现圈梁和构造柱等，也需要进行深化设计。

      2.3 机电专业
       机电专业在设计院原有深化设计模型基础上开展详细深化，根据招采情况对末端及大型设备进行详细模型制作。如图25所示，是机电专业的bim设计，图15（a）是在设计阶段进行的，而图15（b）是在施工阶段进行的，二者相比，细化程度差别很大，主要原因是由于机电的具体型号常常都是在施工阶段才确定，但只有确定之后才能根据具体型号达到真正意义上的协同。过去常遇到的情况是设备进场后，发现所有的路由都发生改变，之前的预留和预埋都不符合设备要求，必然会造成大量拆改、产生浪费，因此应务必在进场前将设备确定，深化设计时才能全面考虑，避免不必要的拆改与浪费。

       2.4 幕墙专业
       幕墙专业利用bim技术确认单元板块分隔和定位，然后绘制施工图，最后建立幕墙加工模型，并输入数控机床加工生产，目前，幕墙的精度已经可以达到lod400以上，如图16所示。

       2.5 装饰专业
       装饰专业利用bim生成平立面图纸，并开展特殊造型节点的设计，如目前，国内装饰行业的模型精度仍然较低，本项目的装饰专业精度达到lod300。通常，装饰专业模型至多给出吊顶示意图，而且不包括各种块体大小。由于该项目的曲线特征，如果只建立600×600的矿棉板模型并不能解决关键问题，与建筑物周边相交的非标准板块的建模才是最关键的，这样才能为后续在工厂实现较为精准的加工提供依据；由于该项目的复杂性，建模时也建立了吊杆和龙骨的模型。装饰深化设计示意图如图17所示。

3、预制化加工

       设计施工一体化、现场作业工厂化、分散作业集中化和流水化是bim技术运用的三大特征。以中国尊项目采用的预制组合立管安装技术为例（如图18），该技术在预制加工厂将消防水立管、冷凝水立管组合，在工厂加工成长约2~3层楼层高度的稳定管节，切割、下料、除锈、防腐，在现场一次性吊装就位。估算节约人工40%-45%，节约机械及措施费30%-35%，节约材料费8%-10%，并且，该技术可以大大减少现场焊接不合格导致的后期渗漏隐患。

4、模型综合协调及碰撞检查

       只有把不同的模型进行整合，通过整合提出预留，确保施工预留预埋的准确性，才能在进行机电和装饰深化设计时，既保证建筑功能又兼顾美观需求，并且设计是否正确可以通过整合来进行验证。通过这种综合协调，会大幅减少施工期间的拆改、节约材料、降低人工消耗。图19是在钢结构和混凝土结构施工之前，通过碰撞检查排除机电与结构之间的碰撞，确保施工预留预埋的准确性；图20给出了地下b006-b003综合协调解决问题的数量统计，协同必须所有专业共同实施，并且不是一次完成的，而是需要在不同阶段不断进行整合，可以看出随着不断的综合协调，各阶段的碰撞问题不断在减少。

图20 地下b006-b003综合协调解决问题统计

5、重点施工方案编制及工艺模拟

       在施工过程中，bim模拟并不是以展示为主要目的，而是用于辅助现场指导施工。以底板浇筑阶段为例，浇筑量达到56000m³，由于四周道路的综合管廊已经施工完毕，并且只有光华路可作为施工主要交通路径，利用bim技术完成施工平面布置，并通过bim模拟整个浇筑过程进行讨论汇报，最终采用“串管加溜槽”的方案得到了政府相关部门的支持，施工中还利用bim技术辅助现场的协调组织工作，充分体现了模拟的必要性，同时也创下国内一次性连续浇筑的新纪录，见图21。

6、三维激光扫描

       单纯利用bim技术综合协调各专业的确会发现很多问题，但现场施工的结果难免会造成偏差，利用现场三维激光扫描技术，提取点云数据（如图22），对已完成结构和管线进行设计复核（如图23），可以保证已完工程的准确性；还可以对尚未实施的系统在既有模型上进行整合，提高其可实施性，例如机电系统安装时的吊顶偏差问题；将点云数据与结构bim模型进行对比，自动形成误差分析报告（如图24），通过报告可以发现质量控制薄弱点，并进行纠偏，如果发现偏差，还需要分析是工人操作问题还是建模问题，当多个楼层发生同一类问题时必须引起重视；而且，通过点云数据开展碰撞检查，更具有真实性，可以避免因为现场偏差造成的无法安装的情况。实施流程如图25所示。

7、bim模型轻量化

       运用bim轻量化技术，现场管理人员可以在移动端查看模型，例如通过模型指导现场工人绑扎钢筋，如图26所示，钢板剪力墙把钢筋分成两半的情况非常复杂，就需要管理人员与模型比对；另外配合激光测距仪可以轻松完成对各个专业安装准确性的核实，如图27。

8、小结

       截至2016年底，中国尊项目总计完成深化设计图纸及模型报审806次，其中钢结构358次，机电227次，装饰装修145次，幕墙37次，电梯、防火门等其他专业共计39次；项目全专业深化设计bim模型共652个，过程模型总容量超700gb，最新版大楼整体综合模型达35.4gb。目前，项目revit专业族库拥有为本项目专门建立的构件族300余个，覆盖机电、精装修、幕墙、电梯、擦窗机等各个专业。项目已经共开展分区模型综合协调19轮，发现解决模型问题达5600余处，其中协调专业间矛盾超过900处，有效提升深化设计图纸质量。

五、智慧运营

       图28是一个初步的智慧运营平台页面，在拥有完整bim模型的基础条件下，定制专业的软件平台，将bim与大楼的资料管理、设备管理、安防系统等相结合，将所有楼宇及房间档案信息统一进行数字化管理，便于查找；记录设备的生产、保修、维护情况，并对设备进行监控，确保运行正常；对门禁系统、自动报警系统、视频监控系统进行集成管理，确保大楼安全，真正实现全楼可视化、智能化的管理。

结束语

       bim技术走到今天，表面上似乎遇到了一个瓶颈，但我想说，当你去解决工程实际问题的时候如果把bim当成一个工具、手段，而不是单纯的模拟展示，那么bim的应用空间依然非常宽广。
       一些中小企业觉得bim做不下去，有两方面原因，一方面是投入，业主方与承建方必须建立起利用bim技术提高建筑品质的意识，通过对bim技术的投入获得更多经济效益和社会效益；另一方面是人员，二者相较而言，人员更显稀缺，我们如果是单专业的顶尖人才故然好，但在bim应用发展的今天，复合型人才更为重要，我们看模型，如果只看到单专业问题，那只是初级应用，通过bim技术应该去跨专业分析问题，跨专业理解之后，发现的问题就会更多，所以复合型人才在bim应用中会创造更大的价值。