BIM技術(shù)在既有高層建筑結(jié)構(gòu)置換改建中的應(yīng)用

王梅珍

上海建工四建集團(tuán)有限公司 上海 201103

建成年代較早的既有高層建筑，經(jīng)過(guò)數(shù)十年甚至上百年的使用之后，缺陷與不足日益凸顯，主要表現(xiàn)在建筑功能轉(zhuǎn)型困難、現(xiàn)代化功能缺失、結(jié)構(gòu)老化等方面。針對(duì)這些問(wèn)題，既有高層建筑置換型結(jié)構(gòu)改建技術(shù)通過(guò)對(duì)原結(jié)構(gòu)受力構(gòu)件進(jìn)行加固、拆除、置換，不僅可以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)受力體系的改善或轉(zhuǎn)變，同時(shí)為建筑空間的重新布置、建筑功能的提升和改變創(chuàng)造條件，因此該技術(shù)成為既有高層建筑改擴(kuò)建的重要手段，具有廣泛的應(yīng)用前景[1-4]。

既有高層建筑置換改建是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)性工程，在新老結(jié)構(gòu)空間交錯(cuò)重疊條件下，如何實(shí)現(xiàn)拆建穿插實(shí)施，完成不同結(jié)構(gòu)體系的逐步替換，對(duì)置換流程設(shè)計(jì)、工況模擬和驗(yàn)證以及施工風(fēng)險(xiǎn)控制提出了極高要求。針對(duì)上述問(wèn)題，BIM技術(shù)憑借其模型立體化與可視化、信息精準(zhǔn)統(tǒng)計(jì)與管理、工況模擬與分析等突出優(yōu)勢(shì)，在既有高層建筑改建工程中發(fā)揮著不可替代的重要作用[5-7]。

1 工程概況

上海某高層建筑改建工程是目前國(guó)內(nèi)首例高層建筑結(jié)構(gòu)置換實(shí)施案例，技術(shù)難度巨大。該項(xiàng)目位于南京西路，地理位置優(yōu)越，毗鄰地鐵沿線，周邊環(huán)境復(fù)雜。為滿足新的業(yè)主需求，需對(duì)原建筑進(jìn)行結(jié)構(gòu)改擴(kuò)建和功能化提升。改建前后，主樓結(jié)構(gòu)總高度保持99.500 m不變，地上建筑面積由6萬(wàn) m2擴(kuò)容至約7.4萬(wàn) m2，結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)層高由3.2 m增至4.5 m，總層數(shù)由30層減少為共21層，結(jié)構(gòu)體系由框架-核心筒轉(zhuǎn)換為鋼框架-核心筒，建筑功能由酒店轉(zhuǎn)變?yōu)樯虡I(yè)和辦公（圖1、圖2）。

圖1 項(xiàng)目位置示意

圖2 改建前后情況對(duì)比

2 基于BIM的結(jié)構(gòu)置換流程模擬分析

高層建筑結(jié)構(gòu)置換是2個(gè)獨(dú)立結(jié)構(gòu)體系在同一空間條件下不斷替換的過(guò)程。如何去分析和描述不同結(jié)構(gòu)體系的空間位置關(guān)系是技術(shù)流程形成的前提條件，而三維空間的描述相比傳統(tǒng)二維圖紙校核必定事半功倍。為此，通過(guò)建立BIM模型，使圖紙資料立體化，各個(gè)構(gòu)件空間位置關(guān)系一目了然，不僅極大提升工作效率，同時(shí)為業(yè)主、設(shè)計(jì)、施工各方溝通交流提供便利。

以BIM模型為基礎(chǔ)，對(duì)改建施工流程進(jìn)行4D模擬。首先，從空間、場(chǎng)地、施工效率等方面綜合分析總體置換流程的可實(shí)施性；其次，根據(jù)施工工況分別進(jìn)行新老結(jié)構(gòu)碰撞檢測(cè)，分析新老結(jié)構(gòu)構(gòu)件相互沖突碰撞131處，通過(guò)對(duì)其優(yōu)化，最終確定結(jié)構(gòu)置換改建流程（圖3～圖5），主要包括5個(gè)階段：

圖3 基于BIM的結(jié)構(gòu)置換改建流程

圖4 基于BIM的結(jié)構(gòu)置換4D工況模擬

圖5 基于BIM的結(jié)構(gòu)置換工況分析

1）老結(jié)構(gòu)加固及角部結(jié)構(gòu)拆除。

2）與新結(jié)構(gòu)豎向構(gòu)件重疊的老結(jié)構(gòu)局部拆除。

3）新鋼結(jié)構(gòu)桁架建立。

4）剩余老結(jié)構(gòu)拆除。

5）鋼結(jié)構(gòu)補(bǔ)全，至此完成結(jié)構(gòu)體系的過(guò)度轉(zhuǎn)換。

3 基于BIM的施工可操作性分析

置換型結(jié)構(gòu)拆除過(guò)程中，最為主要的問(wèn)題是不同專業(yè)、工況前后銜接矛盾而導(dǎo)致置換流程無(wú)法順利推進(jìn)。如本項(xiàng)目結(jié)構(gòu)拆除過(guò)程中，鋼結(jié)構(gòu)、拆除、外圍護(hù)3個(gè)專業(yè)各自訴求不同，當(dāng)其中某一兩個(gè)專業(yè)訴求發(fā)生沖突進(jìn)行協(xié)調(diào)時(shí)，協(xié)調(diào)結(jié)果極有可能在某一個(gè)時(shí)間點(diǎn)對(duì)其他專業(yè)產(chǎn)生影響。針對(duì)類似情況，必須通過(guò)BIM模型對(duì)全專業(yè)進(jìn)行全方位的施工模擬，以施工便捷、具可操作性、工況合理為原則，對(duì)每個(gè)施工節(jié)點(diǎn)進(jìn)行“抽絲剝繭”，保證各施工工況合理有序（圖6）。

圖6 基于BIM的施工可操作性分析

4 基于BIM的結(jié)構(gòu)置換精細(xì)化管理技術(shù)

采用基于信息模型的結(jié)構(gòu)拆除精細(xì)化管理，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)管理人員旁站制度，信息模型與現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)統(tǒng)計(jì)表單互通，總承包與監(jiān)理復(fù)核現(xiàn)場(chǎng)與BIM模型一致的管理機(jī)制，確?，F(xiàn)場(chǎng)管理與模型及方案完全一致，保證拆除施工安全有序、現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)及時(shí)采集以及實(shí)際進(jìn)度與計(jì)劃進(jìn)度匹配。

4.1 構(gòu)件統(tǒng)計(jì)及復(fù)核

通過(guò)Revit軟件明細(xì)表功能，提取拆分后模型所有構(gòu)件的相關(guān)信息，包括編號(hào)、類型名稱、截面尺寸，體積等信息，導(dǎo)出構(gòu)件統(tǒng)計(jì)明細(xì)表txt格式，再轉(zhuǎn)化成Excel表格形式，并通過(guò)體積參數(shù)，計(jì)算構(gòu)件質(zhì)量。通過(guò)此方法可以快捷準(zhǔn)確地通過(guò)計(jì)算機(jī)自動(dòng)得到所有構(gòu)件相關(guān)參數(shù)的統(tǒng)計(jì)表，相比傳統(tǒng)按圖紙計(jì)算的方法更為有效且準(zhǔn)確。特別對(duì)于異形、形狀相對(duì)復(fù)雜的構(gòu)件，采用BIM技術(shù)解決了人工計(jì)算方式困難的難題。

4.2 現(xiàn)場(chǎng)可視化交底

基于已拆分的BIM模型，采用Navisworks軟件中Timeliner功能，對(duì)整個(gè)拆除流程進(jìn)行4D模擬。通過(guò)模型拆除模擬，對(duì)業(yè)主、總承包、監(jiān)理、專業(yè)拆除單位等各方的每一位管理人員進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)交底，使得每個(gè)管理人員明確各階段拆除工況、拆除內(nèi)容、拆除方法、拆除順序（圖7）。

圖7 現(xiàn)場(chǎng)可視化交底

4.3 現(xiàn)場(chǎng)精細(xì)化管理流程

以BIM深化模型為基礎(chǔ)，制定成套的現(xiàn)場(chǎng)結(jié)構(gòu)拆除、吊運(yùn)、置換管理流程。施工過(guò)程中現(xiàn)場(chǎng)指派專人根據(jù)交底圖紙及表單進(jìn)行旁站指揮。記錄每一吊吊裝點(diǎn)位、鋼絲繩情況、構(gòu)件碎塊清理情況、實(shí)際質(zhì)量、吊裝的開(kāi)始和結(jié)束時(shí)間、旁站管理人員姓名等信息，填報(bào)并檢查記錄表。根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，對(duì)結(jié)構(gòu)置換工效及成本進(jìn)行有效跟蹤。

5 基于BIM的遠(yuǎn)程自動(dòng)化監(jiān)測(cè)平臺(tái)

為保證各參與單位人員對(duì)現(xiàn)場(chǎng)安全監(jiān)測(cè)情況有全面直觀的了解，本項(xiàng)目開(kāi)發(fā)了基于BIM的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)平臺(tái)，該平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)三維模型展示、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)自動(dòng)上傳、數(shù)據(jù)分析、結(jié)果展示、過(guò)程資料管理等功能，方便用戶在手機(jī)、電腦等終端設(shè)備上隨時(shí)查閱（圖8）。

圖8 基于BIM的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)平臺(tái)

6 結(jié)語(yǔ)

1）針對(duì)本次高層建筑整體結(jié)構(gòu)置換改建技術(shù)難點(diǎn)，利用BIM技術(shù)建立了適用于不同類型高層建筑的置換型結(jié)構(gòu)改造技術(shù)路線，主要包括逐層置換法、抽層置換法、分區(qū)翻交置換法、綜合結(jié)構(gòu)置換法等。

2）建立了考慮過(guò)程的整體結(jié)構(gòu)置換改建不利工況甄別，及安全性與穩(wěn)定性分析方法。

3）對(duì)工程中新、老結(jié)構(gòu)在置換過(guò)程中的最不利工況進(jìn)行仿真分析，從總體變形、結(jié)構(gòu)承載力復(fù)核、構(gòu)件穩(wěn)定性分析等方面，綜合評(píng)定上述2種結(jié)構(gòu)體系的安全性與穩(wěn)定性，計(jì)算結(jié)果表明，新、老結(jié)構(gòu)體系在最不利工況條件下安全穩(wěn)定，為該項(xiàng)目總體結(jié)構(gòu)置換路線的實(shí)施提供了理論依據(jù)。最終本項(xiàng)目順利改建完成。