BIM技术在超高层建筑项目中的应用

daiweisyang · 发表于 2015-11-6 17:20:38

随着城市建设的迅猛发展以及日益丰富的建筑功能、造型等需求，出现了越来越多的新奇特建筑。这些建筑往往在造型、构件甚至建造工艺上突破常规，仅通过传统的平面手段及二维图纸通常难以表现。因此，BIM（建筑信息模型）所能提供的三维可视化特性的意义就显得尤为突出。

中船第九设计研究院工程有限公司（以下简称中船九院）技术团队结合某超高层项目的施工图设计，运用Bentley系列软件，开展了信息化建模及多专业三维协同，利用信息化模型在实际项目施工前期检查、排除以往难以解决的各类问题，并在此模型平台上尝试进行施工图生成、CFD模拟分析、施工模拟等工作。该超高层建筑位于广州市区，地上43层，地下3层，地上部分由一栋高层办公楼和附楼组成。主楼为高层办公楼，建筑面积约95385平方米，建筑物总高度198.9米，属超B级高度高层。平面尺寸为47.5米×47.5米，采用钢筋混凝土框架-核心筒结构（框架柱采用钢管混凝土叠合柱），核心筒平面尺寸为22.4米×22.6米。

三维协同工作

在设计阶段，过去通过二维CAD电子图纸采集信息来单向解决“信息孤岛”，无法实现设计信息的双向联动；而BIM技术的应用真正意义上实现了这一点，它将各种分散的二维CAD图纸和数据表格统一到信息化建筑模型中。

中船九院技术团队在工作初期便开始尝试进行多专业的三维协同工作。基于同样来自于Bentley公司的Project Wise程序（以下简称PW），对项目标准空间配置进行了定制，建立了该项目在PW系统下的三维协同管理组织架构。通过参数化的变更引擎自动维持各种信息模型、文档之间的关联，保证参与BIM工作的各专业人员使用实时统一的项目环境，参考实时更新的各专业三维模型，甚至各专业的切图都随模型同步更新，减少了来回检查、重复作业以及过程协调中的各种浪费，提高了设计的效率和质量。

三维碰撞检测及管线综合设计

在大型的建筑工程项目设计中，设备管线的布置由于系统繁多、布局复杂，常常出现管线之间或管线与结构构件之间发生碰撞的情况，这不仅给施工带来麻烦，更影响建筑室内净高，造成返工或浪费，甚至存在安全隐患。

为了避免上述情况的发生，传统的设计流程中通过二维管线综合设计来协调各专业的管线布置，但它只是将各专业的平面管线布置图进行简单的叠加，按照一定的原则确定各种系统管线的相对位置，进而确定各管线的原则性标高，再针对关键部位绘制局部的剖面图。而对于大型、复杂的工程项目，采用BIM技术进行三维管线综合设计有着明显的优势及意义。BIM模型是对整个建筑设计的一次预演，建模的过程同时也是一次全面的三维校审过程。在此过程中可发现大量隐藏在设计中的问题，这些问题往往不涉及规范，但与专业配合紧密相关，或者属于空间高度上的冲突，在传统的单专业校审过程中很难被发现。

作为BIM应用初步阶段的主要成果，三维管线综合设计为该项目的设计及后期施工、安装提供了重要帮助。通过Bentley软件各模块的自检功能及Navigator的碰撞检测工具，发现并检测出各专业间的设计冲突，并及时反馈给各专业设计人员进行调整、修改，然后重新复核检测后将新的问题再次反馈给设计人员。如此往复几次，最终完成各层的碰撞检测及管线综合工作。

三维抽图

在设计过程中，由于二维图形能反映的空间信息比较有限，设计人员的空间信息只能通过大脑模糊地形成。三维模型在这一点上的优势不言而喻。然而，目前行业内最惯常的设计图纸仍是以二维形式呈现，所有的制图标准及出图规则也均是针对二维图纸。因而在现阶段，采用BIM进行三维设计的成果，仍需要转化为二维图纸。

然而，在完成设计后重新绘制二维施工图不仅费时费力，也是对已有三维模型的浪费。因此，最简便、最有效的方法无疑是直接由三维模型抽取二维图纸。通过一系列的前期定制，中船九院技术团队利用Bentley软件最新的Dynamic View功能，成功从已有的三维模型中抽取了二维管线综合剖面图。同时，在第一次标注时，通过关联设置将所做的标注与三维模型设定关联。这样，当三维模型发生变化时，二维图纸将自动与三维模型同步，使设计人员从繁琐的绘图操作中解脱出来，把精力关注于设计。

气流组织(CFD)分析

能源的日益紧张和人类活动对自然界的负面影响，促使人们对人与自然间的关系进行一次次的反思，绿色建筑的设计正是其在建筑行业中的体现。绿色建筑强调建筑在全生命周期中对于自然界的影响，包括节水、节电、减少建材消耗和碳足迹等，归纳起来即是尽可能减少建筑在营造及运营过程中对自然界的负面影响。

通常对绿色建筑的检测、评估需要借助专业仪器以及缩尺甚至足尺模型，往往耗费大量的人力、物力。BIM技术的引入为绿色建筑设计提供了新的可能。通过包含真实尺寸、材料、空间及设备风口等信息的BIM模型，结合相应的专业软件进行模拟，可以以很小的代价实时分析、评估各项指标，并便于设计师进行判断和调整。

中船九院技术团队基于已建立的BIM模型，将该大楼主楼门厅及风口位置导入专业网格划分工具进行网格划分，导入CFD分析软件Ansys Fluent中，再对暖通设备的喷口、回风口以及门厅幕墙、内墙设定相应的边界条件，对主楼门厅进行气流组织分析（横向、竖向温度分布，人体高度、温度、速度切面等）。

虚拟施工

近年来，各类新奇特的现代建筑在增加视觉美感的同时，也给项目施工带来了新的挑战。可以说，传统的建筑施工技术已越来越无法满足当代建筑的施工需求。

作为BIM的一项重要应用，虚拟施工技术（Virtual Construction，简称VC）可谓生逢其时。简而言之，虚拟施工是实际施工过程在计算机上的虚拟实现。它采用参数化设计、虚拟现实、结构仿真以及计算机辅助设计等技术，在三维仿真软件及高性能计算机等的支持下协同工作，对施工活动中的人、财、物、信息流动过程进行全真环境的三维模拟，为施工的各个参与方提供一种易控制、无破坏、低耗费、无风险且能反复多次的实践方法，能有效提高施工水平，消除施工隐患，防止施工事故，减少施工成本及工期，增强施工过程中的决策、优化与控制能力，从而增强项目总承包及施工企业的核心竞争力。

同时，施工方通过建立BIM 模型，可使现场技术人员全面熟悉图纸，提前发现可能出现的施工问题，有针对性地选择和优化施工方案；准确可靠的BIM 模型数据，可为施工生产、准备提供可靠数据支撑；同时，凭借激光扫描、GPS、移动通讯、RFID和互联网等技术，还可实现对施工现场的实时跟踪。