超震撼的“中國(guó)尊”鋼結(jié)構(gòu)工程視頻BIM應(yīng)用全面解析

1、超震撼的“中國(guó)尊”鋼結(jié)構(gòu)工程視頻，BIM應(yīng)用全面解析！中國(guó)尊，總建筑面積約42.7萬(wàn)平方米，地上108層，地下7層，建成后將取代國(guó)貿(mào)三期成為北京第一高樓。該項(xiàng)目位于北京CBD核心區(qū)內(nèi)編號(hào)為Z15地塊正中心，西側(cè)與北京目前最高的建筑國(guó)貿(mào)三期對(duì)望，建筑總高528米，未來(lái)將被規(guī)劃為中信集團(tuán)總部大樓。于2011年9月12日左右動(dòng)工，2016年底封頂，預(yù)計(jì)總投資達(dá)240億元。通過(guò)對(duì)本項(xiàng)目項(xiàng)目的解析了解BIM技術(shù)的全面應(yīng)用。北京中央商務(wù)區(qū)核心區(qū)的標(biāo)志性超高層建筑項(xiàng)目中國(guó)尊大廈，工程場(chǎng)地位于北京市朝陽(yáng)區(qū)東三環(huán)北京商務(wù)中心區(qū)(CBD)核心區(qū)Z15地塊，建筑面積約43.7萬(wàn)m2(地上約35萬(wàn)m2，地下約8.7萬(wàn)

2、m2)。主要建筑功能為辦公、觀光和商業(yè)。該塔樓地上108層，地下7層(局部設(shè)夾層)，建筑高度528m，外輪廓尺寸從底部的78m78m向上漸收緊至54m54m，再向上漸放大至頂部的59m59m，似古代酒器“樽”而得名，建筑效果圖如圖1所示。圖1 中國(guó)尊大廈工程主要結(jié)構(gòu)體系由外框筒和核心筒組成，其中外框筒由巨型柱、巨型斜撐、轉(zhuǎn)換桁架以及次框架組成。巨型柱位于塔樓角部，貫通至結(jié)構(gòu)頂部，并在各區(qū)段分別與轉(zhuǎn)換桁架、巨型斜撐連接。巨型柱底部截面形狀為多邊形，中部及上部為矩形，采用多腔鋼管混凝土柱。在設(shè)備層及避難層共設(shè)置8道轉(zhuǎn)換桁架，其桿件截面采用焊接箱形截面。巨型斜撐沿各區(qū)外皮設(shè)置，也為焊接箱形截面。次框

3、架包括重力柱和外環(huán)梁，均為焊接H形截面，其僅承擔(dān)本區(qū)重力荷載，不參與整體抗側(cè)。2.1 巨型外框筒幾何控制面的生成中國(guó)尊大廈外輪廓的水平截面形狀為倒圓角的正方形，并沿著高度平滑收放，其外完成面幾何控制尺寸見(jiàn)圖2。巨型外框筒的外控制面采用分段折面的形式，既可以較好控制巨型外框筒與建筑外完成面的距離，又可降低結(jié)構(gòu)自身的加工難度。圖2 外完成面幾何控制尺寸2.2 巨型柱外輪廓的生成巨型柱從基礎(chǔ)頂面(-31.3m)至106層(503.2m)的截面形式根據(jù)一定的規(guī)則進(jìn)行變化，其具有三種截面形式：1)7層以下(-31.343.15m)為4根八邊形截面，截面面積約為63.9m2;2)719層(43.1598.

4、65m)為8根六邊形截面，截面面積約為19.521.3m2;3)19106層(98.65503.2m)為8根矩形截面，截面面積約為19.22.56m2。巨型柱共設(shè)置12個(gè)控制轉(zhuǎn)折標(biāo)高，具體見(jiàn)表1。為使結(jié)構(gòu)受力最優(yōu)，要求12個(gè)控制轉(zhuǎn)折標(biāo)高位置對(duì)應(yīng)的巨型柱截面形心都位于豎直面內(nèi)，此面與水平或豎直夾角為27，如圖3所示。圖3 巨型柱截面示意綜合巨型柱12個(gè)控制轉(zhuǎn)折標(biāo)高位置截面形心共于豎直面內(nèi)、角點(diǎn)(P，P點(diǎn))連續(xù)、每層巨型柱角點(diǎn)與外完成面的距離不小于500mm(底部為1200mm)等3個(gè)條件，最終確定巨型柱的幾何定位。其俯視定位圖如圖4所示。2.3 轉(zhuǎn)換桁架、巨型斜撐及次框架的生成在確定外框筒外控制

5、面及巨型柱外輪廓后，可以確定轉(zhuǎn)換桁架、巨型斜撐及次框架等定位。此處控制的目的是各構(gòu)件之間的連接要做到平齊對(duì)接，避免出現(xiàn)錯(cuò)邊，并且方便加工和安裝。整個(gè)塔樓由8道轉(zhuǎn)換桁架分成了9個(gè)區(qū)段，每個(gè)區(qū)段生成的規(guī)則是一致的，不同的只是巨型柱傾斜的程度，本節(jié)僅選取典型區(qū)段進(jìn)行介紹，如圖5所示。轉(zhuǎn)換桁架、巨型斜撐及次框架的外皮均與外框筒外控制面平齊。轉(zhuǎn)換桁架弦桿、巨型斜撐等構(gòu)件與巨型柱連接位置均需要設(shè)置水平加勁肋，且結(jié)合與巨型柱轉(zhuǎn)折標(biāo)高位置的關(guān)系，轉(zhuǎn)換桁架弦桿的截面形式控制為平行四邊形截面(圖6(a)，而沒(méi)有采用常規(guī)截面形式(圖6(b)。例如截面尺寸為800700，表示截面垂直高度為800mm，沿水平向?qū)挾葹?

6、00mm，此截面定義規(guī)則可認(rèn)為由相距800mm的一對(duì)水平面和平行于巨型柱外控制面、水平距離(非垂直距離，下同)為700mm的一對(duì)斜面，所圍區(qū)域作為弦桿輪廓尺寸。轉(zhuǎn)換桁架腹桿的截面定義規(guī)則也參照弦桿的截面定義規(guī)則，例如截面為900700的斜腹桿，由相距900mm平行于腹桿軸線，且都垂直于豎直面的一對(duì)斜面和平行于巨型柱外完成面、水平距離為700mm的另一對(duì)斜面，所圍區(qū)域作為斜腹桿輪廓尺寸。角部桁架弦桿與腹桿的生成規(guī)則與轉(zhuǎn)換桁架的生成規(guī)則也基本一致。巨型斜撐的生成規(guī)則與轉(zhuǎn)換桁架腹桿的生成規(guī)則類似。略有不同的是轉(zhuǎn)換桁架的斜腹桿、弦桿與巨型斜撐軸線交點(diǎn)標(biāo)高與外框筒轉(zhuǎn)折標(biāo)高不在同一標(biāo)高(相差半個(gè)弦桿高)(

7、圖7)。為避開(kāi)上述問(wèn)題，巨型斜撐截面生成方案按如下方案進(jìn)行：例如1 600900截面，取平行于巨型斜撐軸線、相距1 600mm且垂直于豎直面的一對(duì)斜面，和平行于下輪廓面、水平距離為900mm的一對(duì)斜面，所圍區(qū)域作為巨型斜撐輪廓尺寸。次框架的空間定位主要以分析重力柱為主。重力柱的定位與幕墻玻璃分格對(duì)應(yīng)，幕墻分格規(guī)則則是以外完成面為基礎(chǔ)，按照加強(qiáng)層建筑完成面標(biāo)高水平剖切出其對(duì)應(yīng)的幕墻輪廓線，等分為128份(圖8)，進(jìn)而得到各層的幕墻分格點(diǎn)。然后在外完成面每6個(gè)分格點(diǎn)取一格點(diǎn)再投影到轉(zhuǎn)換桁架上弦、下弦中心線上。連接相鄰兩道轉(zhuǎn)換桁架上、下弦的交點(diǎn)即為重力柱中心線定位，連接每道轉(zhuǎn)換桁架上、下弦的交點(diǎn)即為

8、轉(zhuǎn)換桁架豎腹桿中心線定位。在確定重力柱軸線定位之后，以平行于軸向且垂直于豎直面的一對(duì)斜面與平行于外框筒外完成面的一對(duì)斜面所圍區(qū)域作為重力柱外輪廓，重力柱采用焊接H形截面，以便施工。整個(gè)外框筒結(jié)構(gòu)構(gòu)件的截面生成規(guī)則可以用如下模型進(jìn)行形象說(shuō)明：剪切剛度很小而彎曲剛度很大的結(jié)構(gòu)，在一對(duì)水平力作用下，發(fā)生剪切變形之后的形狀，作為中國(guó)尊大廈外框筒結(jié)構(gòu)的構(gòu)件截面的主要形式，而確定截面傾斜的程度主要依據(jù)各段外框筒外完成面的傾斜程度，如圖9所示。三、樁筏基礎(chǔ)設(shè)計(jì)工程基礎(chǔ)形式為樁筏基礎(chǔ)。樁筏體系可理解為是地基土-樁-筏板相互作用的一個(gè)有機(jī)整體。本工程樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)使用年限為50年，耐久性100年;建筑樁基設(shè)計(jì)等級(jí)甲

9、級(jí)，安全等級(jí)為一級(jí);主要抗震性能目標(biāo)為樁身強(qiáng)度滿足中震彈性和大震不屈服要求。工程樁主要包括三種類型：位于核心筒和巨型柱下P1型(樁徑1 200mm、樁長(zhǎng)44.6m);塔樓下其他區(qū)域P2型(樁徑1 000mm、樁長(zhǎng)40.1m);塔樓與純地下室間過(guò)渡樁P3型(樁徑1 000mm、樁長(zhǎng)26.1m，為邊緣過(guò)渡樁)，樁位布置見(jiàn)圖10。工程樁P1和P2以第層卵石、圓礫為樁端持力層，要求進(jìn)入持力層的深度不小于2.5m。純地下室部分采用天然地基。所有工程樁均采用樁側(cè)樁端組合后注漿工藝。樁筏基礎(chǔ)設(shè)計(jì)總體思路：考慮樁筏協(xié)同作用(圖11)，按變形控制條件合理選擇樁端持力層，優(yōu)化設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)、樁徑和樁間距。樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

10、計(jì)算應(yīng)考慮上部結(jié)構(gòu)、筏板基礎(chǔ)和地基(樁與土)共同作用分析。經(jīng)過(guò)反復(fù)比選，最終將超高層主塔樓與裙房之間的沉降后澆帶予以取消，實(shí)現(xiàn)了樁筏基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的創(chuàng)新。樁與筏板基礎(chǔ)聯(lián)合變調(diào)平設(shè)計(jì)的構(gòu)想與技術(shù)思路如圖12所示。數(shù)值分析得出的基底反力在主樓區(qū)域約為150kPa;上部結(jié)構(gòu)傳遞到基礎(chǔ)底面的平均壓力值約1200kPa;樁間土承擔(dān)的荷載約為總荷載的12.5%。全部工程基樁施工完成以后，通過(guò)單樁靜載荷試驗(yàn)進(jìn)行了工程樁承載力檢驗(yàn)，其Q-s曲線如圖13所示。檢測(cè)結(jié)果表明樁基施工質(zhì)量良好，100%為類樁，為實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)構(gòu)想奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。四、BIM在“中國(guó)尊”中的應(yīng)用1、輕易實(shí)現(xiàn)全范圍協(xié)同設(shè)計(jì)“中國(guó)尊”是目前北京院正在

11、做的一個(gè)BIM項(xiàng)目，最近剛向甲方提供了50%的初步設(shè)計(jì)(施工圖)。在設(shè)計(jì)院內(nèi)部，所有參與這個(gè)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)師，和項(xiàng)目所涉及到的其他不同方公司一起，統(tǒng)一在BIM這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)平臺(tái)上進(jìn)行操作。以BIM自身的技術(shù)，通過(guò)三維加上數(shù)字集成的做法，讓所有單位在共同的標(biāo)準(zhǔn)下進(jìn)行協(xié)同設(shè)計(jì)的工作。這是一個(gè)超大型的工程，而這個(gè)共同的三維平臺(tái)我認(rèn)為正是BIM的最大優(yōu)勢(shì)。其次，我們利用BIM將施工方也整合到這套標(biāo)準(zhǔn)體系之下，也就是說(shuō)，BIM將貫穿整個(gè)項(xiàng)目，從設(shè)計(jì)到施工的全部過(guò)程。目前唯一可類比“中國(guó)尊”的項(xiàng)目就是上海中心，當(dāng)時(shí)上海中心就是在設(shè)計(jì)和施工過(guò)程中都用到了BIM。這樣的設(shè)計(jì)方式，需要設(shè)計(jì)師在利用BIM制作設(shè)計(jì)模型的時(shí)候

12、，同時(shí)考慮到BIM轉(zhuǎn)型的問(wèn)題。從目前BIM的使用情況來(lái)看，在提高建筑創(chuàng)意的完成度、質(zhì)量和效率的前提下，如果能順利將設(shè)計(jì)的BIM模型盡可能完整地提前轉(zhuǎn)接到下一階段的工作中，將對(duì)時(shí)間成本和造價(jià)成本都有一個(gè)很直接的正面作用。從目前北京院對(duì)BIM應(yīng)用的定位來(lái)看，前期的BIM設(shè)計(jì)是跟著設(shè)計(jì)來(lái)走的。我們一般會(huì)根據(jù)設(shè)計(jì)要求先規(guī)定出必要的原則，然后設(shè)計(jì)師根據(jù)這些原則，遵循合理的設(shè)計(jì)原則來(lái)搭建整個(gè)BIM模型，在設(shè)計(jì)的過(guò)程中，不斷通過(guò)BIM模型找到設(shè)計(jì)中的問(wèn)題，包括設(shè)計(jì)空間中存在的一些問(wèn)題，并不是說(shuō)設(shè)計(jì)做完了設(shè)計(jì)師就可以交接給下游，然后撒手不管了。我們的BIM是整合到整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程當(dāng)中，在這個(gè)過(guò)程中，我們的設(shè)計(jì)師會(huì)

13、給出很多不同的研究模型，這些模型并不是最終的模型，但可以幫助設(shè)計(jì)師甚至是施工方，在設(shè)計(jì)前期就可以考慮并規(guī)避很多后期可能會(huì)出現(xiàn)的問(wèn)題，這也是我們北京院利用BIM所構(gòu)建的流程的最大特點(diǎn)，即BIM完全是為設(shè)計(jì)服務(wù)的。實(shí)際上，在設(shè)計(jì)模型向總包傳遞的過(guò)程中，有很多技術(shù)以外的客觀因素在制約著B(niǎo)IM在中國(guó)的發(fā)展。很多大型工程都會(huì)面臨一個(gè)工程建設(shè)周期的問(wèn)題，設(shè)計(jì)周期只是工程建設(shè)周期的一部分，這實(shí)際上是短于國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的。在國(guó)際上比較正常的周期是，設(shè)計(jì)院要先用一定的時(shí)間去做科研和測(cè)算，設(shè)計(jì)師有專門的設(shè)計(jì)時(shí)間，之后再由設(shè)計(jì)師直接指導(dǎo)施工。但在中國(guó)這個(gè)過(guò)程在時(shí)間上有很大的重疊，為了加快建設(shè)的周期，很多時(shí)候在設(shè)計(jì)沒(méi)有完成

14、的時(shí)候，施工就已經(jīng)開(kāi)始了。這種情況下如果使用BIM，要是項(xiàng)目沒(méi)有足夠大，那可能達(dá)到同樣的效果時(shí)，會(huì)比簡(jiǎn)單的手繪或二維設(shè)計(jì)多花費(fèi)50%的時(shí)間，這時(shí)上下游之間BIM模型將很難實(shí)現(xiàn)傳遞。因?yàn)槿绻O(shè)計(jì)沒(méi)有完成，那BIM模型就無(wú)法得到最精細(xì)的細(xì)化，那這些呈現(xiàn)在模型中的數(shù)據(jù)就是虛的，是下游無(wú)法使用的。另外還有一個(gè)大制約就是，中國(guó)跟國(guó)外關(guān)于建筑師的責(zé)任認(rèn)定制度不一樣，相比較來(lái)說(shuō)，國(guó)外的建筑師會(huì)承擔(dān)更多的權(quán)利和責(zé)任。另外設(shè)計(jì)師的方法和能力是否適應(yīng)BIM的方式也是個(gè)無(wú)法回避的問(wèn)題。通過(guò)前幾年的反復(fù)論證，勿容置疑BIM將幫助建筑設(shè)計(jì)領(lǐng)域或者工程建設(shè)領(lǐng)域有更大的發(fā)展，具體推廣起來(lái)我認(rèn)為并不存在技術(shù)上的瓶頸。因?yàn)樵凇爸袊?guó)尊”之前，上海中心在超高層建筑里做BIM已經(jīng)相當(dāng)領(lǐng)先了，只是施工方和設(shè)計(jì)方在交接傳遞的過(guò)程缺乏整合性的傳遞環(huán)節(jié)還存在瓶頸，我們希望這個(gè)瓶頸能在“中國(guó)尊”這個(gè)項(xiàng)目中給徹底打開(kāi)。比起技術(shù)，我們現(xiàn)在所做的BIM更多是緊貼設(shè)計(jì)。隨著B(niǎo)IM的發(fā)展，關(guān)于BIM標(biāo)準(zhǔn)的討論也正在提上日程。標(biāo)準(zhǔn)這種東西不是死的，它會(huì)隨著軟件的開(kāi)發(fā)、社會(huì)的支持環(huán)境等等不斷作出調(diào)整。北京院去年發(fā)布了一個(gè)內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)，今年也對(duì)其做了一定的修正，就是想把一些和設(shè)計(jì)密切相關(guān)的外延的東西都納入進(jìn)來(lái)，比如標(biāo)準(zhǔn)化住宅，還有如何跟后面的施工無(wú)縫連接等問(wèn)題都在標(biāo)