BIM技術在超高層建筑設計階段的應用研究
——以?？谥薪粐H中心項目為例

于 靜，王俊峰，王麗娟，鐘顯彬，柳鵬鵬

1.?？谥薪粐d實業有限公司，海南 ?？?570100

2.中交武漢智行國際工程咨詢有限公司，湖北 武漢 430000

建筑行業是我國的排碳大戶，《中國建筑節能年度發展研究報告2020》[1]顯示，2018年全國建筑全過程的碳排放總量為49.3億t，占全國碳排放比重的51.3%。到2060年，全球的建筑面積預計將翻一番，我國對全球的承諾是力爭2030年實現碳達峰，努力爭取2060年實現碳中和。低碳要求已迫在眉睫，對于建筑行業而言，一方面要采用低碳、環保的建筑材料，另一方面要運用低碳的建造方式，通過利用建筑信息模型（BIM）技術智能與高效的建設方式來消除浪費和避免不必要的碳排放，從而達到節省資金、能源、時間以及材料的目的。

張建偉[2]詳細分析了BIM技術在房建項目中的一些重要價值應用，為后期BIM技術的實踐應用打下了堅實的理論基礎。陶海波等[3]以重慶的寫字樓為實際工程案例，分析了BIM技術在該項目中體現的作用，指出未來建筑行業的新模式。廣聯達科技股份有限公司通過調查問卷形式對2020年建筑業應用BIM技術的現狀進行了分析，從應用時間、項目個數、資金投入、成果等方面進行了詳細調研，得出了具有行業參考的分析數據[4]。王婷婷[5]研究了BIM技術在房建工程計量中的應用效果，提出行業應主張使用BIM技術進行項目全壽命周期的管理，用以進一步提高項目管理質量和計量精度。涂剛要等[6]以多個工程經驗總結了BIM技術在綜合體項目中管線綜合排布的應用價值，詳細闡述了以三維指導二維施工的方法，有效減少了不必要的返工和資源浪費。

1 項目概況

?？谥薪粐H中心項目位于海南省?？谑忻捞m區國興大道以東，是中國交通建設集團有限公司傾力打造的集“商務辦公、活力商業”于一體的5A級超高層商務綜合體，總建筑面積約13.6萬m2，地上2棟單體南北布置，居中對齊。主塔樓布置南側靠近國興大道，建筑高度為211.6m（室外地坪至幕墻最高點），共計44層。地塊北側布置3層商業裙房，2棟單體之間依靠位于第3層的室外連廊聯系在一起。

項目涵蓋了超高層辦公建筑、商業、地下車庫、機房等多種功能建筑，機電管線系統極為復雜。塔樓為超高層鋼結構體系且每層面積均不一致，塔樓裝配率達到76.6%，商業裙房外立面為曲面異形幕墻，傳統二維設計已不能滿足這種項目高質量精細化施工建造，因此引入BIM技術，從施工圖設計階段開始進行輔助設計，通過管綜優化、圖紙會審、孔洞預留、凈高分析等措施，保證出圖質量和施工質量。

2 BIM技術的具體應用

該項目管線綜合排布采用伴隨式設計模式，這個模式的關鍵在于如何在設計過程中實時構建三維BIM模型并驗證設計問題，設計師與BIM工程師的高效協同模式能顯著提高工作效率和圖紙質量，但這對BIM工程師的專業技術水平和設計意圖理解提出了新的挑戰。

2.1 管線綜合排布設計

針對超高層建筑的特點，在建模過程中通過結合項目特點的確定了管綜優化重點應用的位置，主要有地下室、3個樓層的避難層、避難層的下一層、標準層以及大堂層，如圖1所示。這些區域的管線密集且凈高要求不同，BIM單位與設計院的伴隨式協同方式，利用三維管線可視化設計，通過結合項目特征對各區域凈高進行反復推敲校核，擬定相應管線排布方案，完成了對各復雜區域的管綜設計，并結合排布方案制定了各專業施工工序，有效指導現場施工，避免交錯施工帶來的不利影響。

圖1 項目建模圖

地下空間管線如圖2所示，平面凈高布局如圖3所示。通過管綜排布后，檢查各安裝區域的凈高，尤其是特殊區域，如卸貨區、停車區域、柴油發電機房等，結合設計意見修訂風管尺寸、管道布局后，達到凈高要求。

圖2 地下室機電模型圖

圖3 地下一層各區域凈高布局圖

23F避難層管線穿鋼結構斜撐如圖4所示。避難層管線穿避難層鋼結構斜撐，可利用空間有限，且管線眾多，利用三維可視化排布，合理利用三角區域穿插管線，解決了鋼結構和管線碰撞問題，同時確保了避難區域凈高。

圖4 23F避難層管線穿鋼結構斜撐

在管線全部排布完成后，利用模型進行穿墻開孔和套管預埋定位，并利用BIM軟件出圖，復核原設計結果，規避傳統預留預埋的錯漏，尤其是對重力水管穿結構墻的防水套管定位進行了精準核查，從而確保前期預埋孔洞的位置正確，管道排水順暢。

最終，基于BIM技術與項目設計單位協同完成了整棟建筑的管線綜合優化，全過程提出了80余項管線布置方案和30余項審圖建議，擺脫了傳統二維設計方式的羈絆，減少了因技術錯誤或圖紙理解錯誤帶來的問題約25處，提高了設計圖紙質量，預計可減少因圖紙錯誤導致變更及返工的工程成本約100萬元。

2.2 異形幕墻深化設計

主塔樓為超高層鋼結構主體塔樓，商業裙樓為地上3層框剪結構。主塔樓屋頂采用異型曲面鋼梁作為屋頂構造，東西側保證了流線型弧度觀感，南北側采取整體漸變外形完成整個塔冠設計，裙樓整體外立面幕墻由四面不規則曲面幕墻構成，裙樓屋頂采用曲線披風的形式與主塔樓相連，極具現代感與科技感。為了達到異型塔冠建造深度，采用BIM技術助力塔冠整體設計，項目設計之初采用Rhino與Sketch up進行外立面概念設計，確定幕墻整體外立面形式，如圖5所示。

圖5 異型幕墻概念設計圖

完成整體外立面概念設計后，運用Tkela進行鋼結構幕墻支撐系統及幕墻龍骨設計，確定了幕墻鋼構系統空間位置及尺寸信息，通過SPA 2000進行鋼結構支撐系統受力校核完成整個幕墻外立面設計。項目設計資料在Navisworks中進行數據集成交付，整體設計意圖表達完整。

通過BIM技術的及時介入使復雜異型幕墻得到可視化表達，針對復雜外立面幕墻設計進行專項出圖與方案比選，為設計階段幕墻專業解決方案提供新思路，使異型幕墻設計變得更加便捷高效。

2.3 應急情況下的疏散通道設計

在超高層建筑中，火災事故造成的人員傷亡和經濟損失十分巨大，研究超高層建筑緊急狀況下的人員安全疏散問題具有重要的意義。地下室處于地下，其結構復雜且相對狹窄，照明光線較暗，通風排煙條件也較差，一旦發生火災，內部溫度會快速升高，煙氣較難排除，人員也不易找到疏散通道。該項目使用Pathfinder軟件與BIM模型相結合，重點對地下室中的商業餐廳（員工餐廳）和物業辦公房兩個人員密集的場所進行人員疏散仿真，驗證設計方案的合理性，對人員緊急疏散進行評估。

仿真中，設定餐廳區域共200人，物業辦公房共8人，男女比例設置相同，人員結構包括小孩、青年、中年以及老年人，同時對體型胖瘦也進行區分。仿真結果表明，一共存在5條逃生路徑，所有人員疏散所耗總時間為66.28s，可為后期運維制訂應急方案提供有力支撐。疏散人數與疏散時間曲線如圖6所示。

圖6 疏散人數與疏散時間曲線圖

3 結論

該項目引入BIM技術在全專業輔助設計中產生了較大價值，前期的三維模型調整能預先虛擬一遍建筑，其內部空間及安裝情況也能清晰表達，可以提前發現圖紙中的問題，減少后期設計變更，降低工程成本，探索了建筑高效建設的新模式。同時，該項目首次引入BIM技術與專業疏散工具進行聯合仿真，針對建筑物特性模擬計算了疏散人數與疏散時間的關系，為后期運維制訂應急方案提供了有力支撐，實現了模型的多維度利用。

但同時此次BIM技術的伴隨式應用也突顯出以下問題：（1）BIM工程師需要與設計師高度協調，并完全理解設計意圖，模型和圖審信息的傳遞滯后是工作量成倍增加的直接因素。（2）管線的接頭，尤其是風管，其三維構件往往很難滿足設計要求，需要不斷積累和投入大量精力去更新族庫，且需要設計、施工方進行協調，定義安裝方式。

BIM的應用遠不止于此，相關人員需繼續探索新的使用模式，圍繞智能建造、綠色建造的理念，不斷總結和優化，充分利用BIM技術的優勢，提高建筑項目的質量。