论文摘要

 

中国尊,一栋现代摩天高楼,一座智慧之城。作为超高层建筑的创新典范与集大成者,中国尊的“高”不仅体现在建筑高度上,更彰显出超高层建筑领域的“智慧高度”。中国尊的完美履约,离不开信息技术与建造技术的深度融合,更是践行生产方式转变和管理模式变革的完美体现。

中国尊大厦坐落于北京市朝阳区CBD核心区,这座北京第一高楼高528m,优雅的曲线将现代科技感与中国古典意境完美结合,丰满了首都天际线。

大楼的建设标准高,品质卓越,众多新技术应用和发明创新,见证了近年来国内建设水平的高速发展。该项目于2013年动工,经历了我国建筑信息化、智能化发展最快的阶段。项目本身的智慧建造技术十分具有代表性,主要体现在BIM应用上,在移动通讯、无线射频、虚拟现实、项目信息平台、物联网等方面也有一定代表性。

 

1 全生命期BIM技术

BIM作为近年来建筑行业推广最迅速的技术,最大的优势是将传统离散的图纸信息进行汇总,并通过三维方式直观展现。通过“建模—协调—优化—实施—复验”流程,实现虚拟模型与现实建筑的完整映射。在这个过程中,通过对虚拟方案讨论与分析,减少错误,提升沟通效率,降低材料和人工浪费(见图1)。

中国尊的BIM应用目标,是以BIM促进管理,最大限度提升大楼品质。因此在建设过程中,管理团队将BIM作为技术手段,并以此开展协调沟通,确保设计意图落地。例如,在设计阶段,整个大楼的造型通过计算机分析后得出,使得建筑的主要空间截面尺寸、高度满足设计师要求,结构既能满足抗震要求又能兼顾良好的施工性(见图2)。在施工图绘制阶段,更是通过详细的BIM模型对设计成果进行校验,且通过模型生成了大量二维图纸,作为传统设计成果的补充。

在施工阶段,项目更是投入了大量精力在全范围内推广BIM实施。除了钢结构、幕墙这两个信息化水平高的专业,在钢筋混凝土结构、砌筑结构、机电设备安装工程、装饰装修等各专业,都要求执行统一的建模标准,并利用模型成果开展综合协调、施工模拟等工作,提升整体管理水平,推动工程顺利进行(见表1)。以项目标准层十字走道为例,机电管线密集程度极高,而装饰净空要求又十分严格,在不采取BIM进行深化的情况下,吊顶需要向下降低20cm。

据数据统计,项目在施工期间共进行46次全专业综合协调,发现并解决施工问题2280项(见图3)。除发现各系统之间的碰撞及错误之外,依靠超精细度的模拟和分析,优化设计创造了大量价值。例如,在标准楼层,通过BIM设计和加工厂定制,压缩一体化风机窗台宽度,增加净使用面积约4200m2,通过优化地上主要机房的设备排布,让后期物业团队开展设备管理和检修服务更加便利。

中国尊的BIM成果最终用于大楼的数字化运维管理,采用BIM+FM相结合的技术定制大楼智能化管理平台,以“分散控制、集中管理”为指导思想,各智能化子系统均集成在统一的计算机网络平台和统一的图形页面浏览、显示、操作的环境上,从而实现智能化各应用系统之间信息资源的共享与管理、各应用系统的互操作和快速响应与联动控制,以达到自动化监视与控制的目的(见图4)。

目前,中国尊大厦还在建设之中,其各项BIM工作还在持续进行。该项目真正将模型的建立和应用落到实处,应用于日常管理,成为管理新常态。该项目对比同类工程,被动变更量大幅减少,约为常规超高层的25%。项目建设总工期也严格按照计划推进,是国内常规超高层建设的1.4倍。这些令人振奋的数字,从侧面印证了BIM技术所产生的价值。

 

2 智能化装备平台技术

超高层项目施工中,核心筒进度是关键,如何在保证安全前提下,最大限度提高垂直运输效率,并利用合理的施工组织提高工效,是所有超高层管理团队必须解决的难题。

中建三局经过多个项目的经验积累和产品迭代,自主研发的第3代智能化施工装备集成平台在中国尊投入使用(见图5)。该平台具有承载力大、适应性强、智能综合监控3大特点,显著提高了超高层施工的机械化、智能化及绿色施工水平,极大程度降低了超高层施工的作业强度,有效降低了施工安全风险等级,成为保障项目顺利实施的关键。

整个平台采用BIM技术设计、加工,根据工程核心筒特点及塔式起重机作业方式进行定制。平台通过电控及油缸实现智能化的顶升、下降,结构每施工一层,平台向上爬升一次(平均4.5m),随即可开始下层施工。由于平台作业区跨4.5个结构层高,内部可进行竖向流水,因此创造了3d/层的建造纪录。整个平台配套的智能监控预警系统,全方位实时监控平台应力、平整度、风速、温度等信息,确保了施工期间平台安全。

 

3 数字化加工技术

中国尊大厦因其造型和场地条件限制,在多个专业的复杂施工节点和区域都应用了数字化加工技术,完成设计任务的同时,实现节能环保、绿色低碳。

1)钢结构工程 项目钢构件总量14万t,所有构件全部使用BIM完成深化设计。构件上粘贴RFID芯片,并通过定制的钢结构全生命周期信息化管理平台对构件下料、运输、安装进行全过程追踪管理,实时更新材料精确位置,优化取料顺序,现场收发记录,安装精准就位(见图6,7)。

2)幕墙工程 所有幕墙单元板块通过制作高精度BIM模型在工厂进行生产加工(见图8)。生产过程中,模型信息通过ERP系统进行管理,扫码获取装配明细表查询物料编码、属性编码及加工图号等。构件运至现场后,读取编码信息运至指定楼层,高效准确完成单元板块安装。

3)机电工程 针对现场无可用加工场地、机电系统复杂等特点,机电专业采用多种数字化解决方案。对于水平桥架系统,结合BIM软件定制研发了“模块化设计加工装配系统”,该系统能辅助建立机电加工生产模型,在深化设计模型基础上分割出“部件”,在场外进行综合支吊架安装后运至现场,进行整体快速安装。对于竖向管道,通过BIM设计,对管井内所有管道制作专用支架,将2~3层竖向管道在场外加工制作完毕后,通过塔式起重机等起重设备一次性吊装到位(见图9)。

4)装饰工程  装饰专业数字化加工主要用于大堂、高级办公区等精装修区域,目标是实现异形构件制作。例如,首层大堂的天花饰面层,通过BIM实现对复杂构件的参数化设计,并导入数控机床加工,在工厂完成组装后实现现场整体吊装(见图10)。4个巨型柱外部的干挂石材加工,则是通过犀牛软件输出分隔尺寸,在工厂内切割完毕。通过数字化手段制作的装饰面层,曲线更为流畅优美,分隔的视觉效果达到最佳。

数字化加工技术的引入,不仅实现了节能、节材、节地的目标,同时也提高了工程整体的施工质量,加快了实施进度。据统计,项目总垃圾排放量仅为LEED金级标准的10%,施工用电消耗仅为常规工程的20%,破解了在繁华核心区零场地施工的难题。

 

4 三维激光扫描技术

三维激光扫描技术又称“实景复制技术”,它利用向被测对象发射激光束和接收由被测物发射回的激光信号获取被测对象的空间坐标信息。通过三维扫描仪收集到的物体几何表面的点数据信息的集合被称为点云,密集的点云数据能准确反映出被扫描物体的基本形状。

中国尊项目利用三维扫描技术开展2项应用:①通过数据库共享点云数据,辅助深化设计;②通过点云对比施工实际误差,统计施工误差和质量缺陷重点部位。

项目所采集的全楼108层点云扫描数据全部储存在Jetstream数据系统中,参建管理人员只需登录该系统,即可借用BIM软件实现点云数据协同共享,并在深化设计、施工及运维阶段开展各项工作(见图11)。这种方式直接消除了点云处理技术门槛过高的劣势,将点云数据转化为人人可用的项目管理数据。

项目还利用结构点云数据开展质量管理工作,使用软件将含有精确三维坐标的点云数据与设计模型对比分析,自动生成结构误差分析报告,通过色谱显示误差的大小(见图12)。借助点云数据的自动化高效处理能力,将质量分析结果在短时间内批量、全面地表达出来,将需要关注的关键问题提前暴露,为后续工作预留出充分的反应和纠偏时间,保证风险控制的有效性。基于点云数据的项目管理活动为项目管理者提供了一种新思路,点云精度已达到毫米级。

 

5 虚拟现实技术

虚拟现实(VR)是通过可以响应用户移动并提供实时感觉回馈的装置来进行交互式三维建模和三维仿真的技术。虚拟现实软件能通过交互设备将用户带入计算机模拟的环境中,获得沉浸式体验,其优势在于真实性和交互性。由于工期紧张、场地狭小,中国尊管理团队在首层大堂和空中大堂精装修区域进行VR测试。VR模型以设计图纸和BIM模型为基础,利用专业软件对模型进行细节深化和材质选择,待调试完毕后,导入VR制作软件中进行灯光调试和VR设备参数设置。

VR技术的应用为管理团队提供了更加丰富的展示形式,在理解设计意图、细化技术管理、确认装修风格等方面有实际作用。

 

6 智能放样技术

中国尊大厦各楼层于吊顶上方布置密集的机电管线、消防水管、钢梁、集成灯盘,且吊杆应遵循规范中的约束条件排布,致使每层2500多个吊杆存在不规则排布的情况,传统的施工方式必然带来大量返工和调整。

项目通过BIM技术在现场实施前逐层建立完整的装饰装修BIM模型,并与其他各专业模型进行碰撞检查,优化调整。其中,吊杆模型经过多轮综合调整后,最终通过模型导出可实施的吊杆定位施工图纸,采用激光放线全站仪进行自动放样。输出的吊杆点位图纸导入到设备中后,根据序号进行激光精确放样,并进行自动补偿,只需2人即可完成全楼层的放样工作。

 

7 结语

中国尊项目是我国建筑业的一个里程碑,其政治地位、科技含量、施工水平、管理模式都值得借鉴与学习。在智慧建造技术的应用上,由于项目开始时间较早,未能将多种技术进行关联与集成,但单从每个应用点来看,BIM技术、智能化施工装备集成平台技术、三维激光扫描技术的应用,已成为行业标杆。

 

文/中建三局集团有限公司 周千帆

 

 

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