論文摘要

 

中國尊,一棟現代摩天高樓,一座智慧之城。作為超高層建筑的創新典范與集大成者,中國尊的“高”不僅體現在建筑高度上,更彰顯出超高層建筑領域的“智慧高度”。中國尊的完美履約,離不開信息技術與建造技術的深度融合,更是踐行生產方式轉變和管理模式變革的完美體現。

中國尊大廈坐落于北京市朝陽區CBD核心區,這座北京第一高樓高528m,優雅的曲線將現代科技感與中國古典意境完美結合,豐滿了首都天際線。

大樓的建設標準高,品質卓越,眾多新技術應用和發明創新,見證了近年來國內建設水平的高速發展。該項目于2013年動工,經歷了我國建筑信息化、智能化發展最快的階段。項目本身的智慧建造技術十分具有代表性,主要體現在BIM應用上,在移動通訊、無線射頻、虛擬現實、項目信息平臺、物聯網等方面也有一定代表性。

 

1 全生命期BIM技術

BIM作為近年來建筑行業推廣最迅速的技術,最大的優勢是將傳統離散的圖紙信息進行匯總,并通過三維方式直觀展現。通過“建模—協調—優化—實施—復驗”流程,實現虛擬模型與現實建筑的完整映射。在這個過程中,通過對虛擬方案討論與分析,減少錯誤,提升溝通效率,降低材料和人工浪費(見圖1)。

中國尊的BIM應用目標,是以BIM促進管理,最大限度提升大樓品質。因此在建設過程中,管理團隊將BIM作為技術手段,并以此開展協調溝通,確保設計意圖落地。例如,在設計階段,整個大樓的造型通過計算機分析后得出,使得建筑的主要空間截面尺寸、高度滿足設計師要求,結構既能滿足抗震要求又能兼顧良好的施工性(見圖2)。在施工圖繪制階段,更是通過詳細的BIM模型對設計成果進行校驗,且通過模型生成了大量二維圖紙,作為傳統設計成果的補充。

在施工階段,項目更是投入了大量精力在全范圍內推廣BIM實施。除了鋼結構、幕墻這兩個信息化水平高的專業,在鋼筋混凝土結構、砌筑結構、機電設備安裝工程、裝飾裝修等各專業,都要求執行統一的建模標準,并利用模型成果開展綜合協調、施工模擬等工作,提升整體管理水平,推動工程順利進行(見表1)。以項目標準層十字走道為例,機電管線密集程度極高,而裝飾凈空要求又十分嚴格,在不采取BIM進行深化的情況下,吊頂需要向下降低20cm。

據數據統計,項目在施工期間共進行46次全專業綜合協調,發現并解決施工問題2280項(見圖3)。除發現各系統之間的碰撞及錯誤之外,依靠超精細度的模擬和分析,優化設計創造了大量價值。例如,在標準樓層,通過BIM設計和加工廠定制,壓縮一體化風機窗臺寬度,增加凈使用面積約4200m2,通過優化地上主要機房的設備排布,讓后期物業團隊開展設備管理和檢修服務更加便利。

中國尊的BIM成果最終用于大樓的數字化運維管理,采用BIM+FM相結合的技術定制大樓智能化管理平臺,以“分散控制、集中管理”為指導思想,各智能化子系統均集成在統一的計算機網絡平臺和統一的圖形頁面瀏覽、顯示、操作的環境上,從而實現智能化各應用系統之間信息資源的共享與管理、各應用系統的互操作和快速響應與聯動控制,以達到自動化監視與控制的目的(見圖4)。

目前,中國尊大廈還在建設之中,其各項BIM工作還在持續進行。該項目真正將模型的建立和應用落到實處,應用于日常管理,成為管理新常態。該項目對比同類工程,被動變更量大幅減少,約為常規超高層的25%。項目建設總工期也嚴格按照計劃推進,是國內常規超高層建設的1.4倍。這些令人振奮的數字,從側面印證了BIM技術所產生的價值。

 

2 智能化裝備平臺技術

超高層項目施工中,核心筒進度是關鍵,如何在保證安全前提下,最大限度提高垂直運輸效率,并利用合理的施工組織提高工效,是所有超高層管理團隊必須解決的難題。

中建三局經過多個項目的經驗積累和產品迭代,自主研發的第3代智能化施工裝備集成平臺在中國尊投入使用(見圖5)。該平臺具有承載力大、適應性強、智能綜合監控3大特點,顯著提高了超高層施工的機械化、智能化及綠色施工水平,極大程度降低了超高層施工的作業強度,有效降低了施工安全風險等級,成為保障項目順利實施的關鍵。

整個平臺采用BIM技術設計、加工,根據工程核心筒特點及塔式起重機作業方式進行定制。平臺通過電控及油缸實現智能化的頂升、下降,結構每施工一層,平臺向上爬升一次(平均4.5m),隨即可開始下層施工。由于平臺作業區跨4.5個結構層高,內部可進行豎向流水,因此創造了3d/層的建造紀錄。整個平臺配套的智能監控預警系統,全方位實時監控平臺應力、平整度、風速、溫度等信息,確保了施工期間平臺安全。

 

3 數字化加工技術

中國尊大廈因其造型和場地條件限制,在多個專業的復雜施工節點和區域都應用了數字化加工技術,完成設計任務的同時,實現節能環保、綠色低碳。

1)鋼結構工程 項目鋼構件總量14萬t,所有構件全部使用BIM完成深化設計。構件上粘貼RFID芯片,并通過定制的鋼結構全生命周期信息化管理平臺對構件下料、運輸、安裝進行全過程追蹤管理,實時更新材料精確位置,優化取料順序,現場收發記錄,安裝精準就位(見圖6,7)。

2)幕墻工程 所有幕墻單元板塊通過制作高精度BIM模型在工廠進行生產加工(見圖8)。生產過程中,模型信息通過ERP系統進行管理,掃碼獲取裝配明細表查詢物料編碼、屬性編碼及加工圖號等。構件運至現場后,讀取編碼信息運至指定樓層,高效準確完成單元板塊安裝。

3)機電工程 針對現場無可用加工場地、機電系統復雜等特點,機電專業采用多種數字化解決方案。對于水平橋架系統,結合BIM軟件定制研發了“模塊化設計加工裝配系統”,該系統能輔助建立機電加工生產模型,在深化設計模型基礎上分割出“部件”,在場外進行綜合支吊架安裝后運至現場,進行整體快速安裝。對于豎向管道,通過BIM設計,對管井內所有管道制作專用支架,將2~3層豎向管道在場外加工制作完畢后,通過塔式起重機等起重設備一次性吊裝到位(見圖9)。

4)裝飾工程  裝飾專業數字化加工主要用于大堂、高級辦公區等精裝修區域,目標是實現異形構件制作。例如,首層大堂的天花飾面層,通過BIM實現對復雜構件的參數化設計,并導入數控機床加工,在工廠完成組裝后實現現場整體吊裝(見圖10)。4個巨型柱外部的干掛石材加工,則是通過犀牛軟件輸出分隔尺寸,在工廠內切割完畢。通過數字化手段制作的裝飾面層,曲線更為流暢優美,分隔的視覺效果達到最佳。

數字化加工技術的引入,不僅實現了節能、節材、節地的目標,同時也提高了工程整體的施工質量,加快了實施進度。據統計,項目總垃圾排放量僅為LEED金級標準的10%,施工用電消耗僅為常規工程的20%,破解了在繁華核心區零場地施工的難題。

 

4 三維激光掃描技術

三維激光掃描技術又稱“實景復制技術”,它利用向被測對象發射激光束和接收由被測物發射回的激光信號獲取被測對象的空間坐標信息。通過三維掃描儀收集到的物體幾何表面的點數據信息的集合被稱為點云,密集的點云數據能準確反映出被掃描物體的基本形狀。

中國尊項目利用三維掃描技術開展2項應用:①通過數據庫共享點云數據,輔助深化設計;②通過點云對比施工實際誤差,統計施工誤差和質量缺陷重點部位。

項目所采集的全樓108層點云掃描數據全部儲存在Jetstream數據系統中,參建管理人員只需登錄該系統,即可借用BIM軟件實現點云數據協同共享,并在深化設計、施工及運維階段開展各項工作(見圖11)。這種方式直接消除了點云處理技術門檻過高的劣勢,將點云數據轉化為人人可用的項目管理數據。

項目還利用結構點云數據開展質量管理工作,使用軟件將含有精確三維坐標的點云數據與設計模型對比分析,自動生成結構誤差分析報告,通過色譜顯示誤差的大小(見圖12)。借助點云數據的自動化高效處理能力,將質量分析結果在短時間內批量、全面地表達出來,將需要關注的關鍵問題提前暴露,為后續工作預留出充分的反應和糾偏時間,保證風險控制的有效性。基于點云數據的項目管理活動為項目管理者提供了一種新思路,點云精度已達到毫米級。

 

5 虛擬現實技術

虛擬現實(VR)是通過可以響應用戶移動并提供實時感覺回饋的裝置來進行交互式三維建模和三維仿真的技術。虛擬現實軟件能通過交互設備將用戶帶入計算機模擬的環境中,獲得沉浸式體驗,其優勢在于真實性和交互性。由于工期緊張、場地狹小,中國尊管理團隊在首層大堂和空中大堂精裝修區域進行VR測試。VR模型以設計圖紙和BIM模型為基礎,利用專業軟件對模型進行細節深化和材質選擇,待調試完畢后,導入VR制作軟件中進行燈光調試和VR設備參數設置。

VR技術的應用為管理團隊提供了更加豐富的展示形式,在理解設計意圖、細化技術管理、確認裝修風格等方面有實際作用。

 

6 智能放樣技術

中國尊大廈各樓層于吊頂上方布置密集的機電管線、消防水管、鋼梁、集成燈盤,且吊桿應遵循規范中的約束條件排布,致使每層2500多個吊桿存在不規則排布的情況,傳統的施工方式必然帶來大量返工和調整。

項目通過BIM技術在現場實施前逐層建立完整的裝飾裝修BIM模型,并與其他各專業模型進行碰撞檢查,優化調整。其中,吊桿模型經過多輪綜合調整后,最終通過模型導出可實施的吊桿定位施工圖紙,采用激光放線全站儀進行自動放樣。輸出的吊桿點位圖紙導入到設備中后,根據序號進行激光精確放樣,并進行自動補償,只需2人即可完成全樓層的放樣工作。

 

7 結語

中國尊項目是我國建筑業的一個里程碑,其政治地位、科技含量、施工水平、管理模式都值得借鑒與學習。在智慧建造技術的應用上,由于項目開始時間較早,未能將多種技術進行關聯與集成,但單從每個應用點來看,BIM技術、智能化施工裝備集成平臺技術、三維激光掃描技術的應用,已成為行業標桿。

 

文/中建三局集團有限公司 周千帆

 

 

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