BIM技术在超高层建筑设计阶段的应用研究——以海口中交国际中心项目为例

于 静，王俊峰，王丽娟，钟显彬，柳鹏鹏

1.海口中交国兴实业有限公司，海南 海口 570100

2.中交武汉智行国际工程咨询有限公司，湖北 武汉 430000

建筑行业是我国的排碳大户，《中国建筑节能年度发展研究报告2020》[1]显示，2018年全国建筑全过程的碳排放总量为49.3亿t，占全国碳排放比重的51.3%。到2060年，全球的建筑面积预计将翻一番，我国对全球的承诺是力争2030年实现碳达峰，努力争取2060年实现碳中和。低碳要求已迫在眉睫，对于建筑行业而言，一方面要采用低碳、环保的建筑材料，另一方面要运用低碳的建造方式，通过利用建筑信息模型（BIM）技术智能与高效的建设方式来消除浪费和避免不必要的碳排放，从而达到节省资金、能源、时间以及材料的目的。

张建伟[2]详细分析了BIM技术在房建项目中的一些重要价值应用，为后期BIM技术的实践应用打下了坚实的理论基础。陶海波等[3]以重庆的写字楼为实际工程案例，分析了BIM技术在该项目中体现的作用，指出未来建筑行业的新模式。广联达科技股份有限公司通过调查问卷形式对2020年建筑业应用BIM技术的现状进行了分析，从应用时间、项目个数、资金投入、成果等方面进行了详细调研，得出了具有行业参考的分析数据[4]。王婷婷[5]研究了BIM技术在房建工程计量中的应用效果，提出行业应主张使用BIM技术进行项目全寿命周期的管理，用以进一步提高项目管理质量和计量精度。涂刚要等[6]以多个工程经验总结了BIM技术在综合体项目中管线综合排布的应用价值，详细阐述了以三维指导二维施工的方法，有效减少了不必要的返工和资源浪费。

海口中交国际中心项目位于海南省海口市美兰区国兴大道以东，是中国交通建设集团有限公司倾力打造的集“商务办公、活力商业”于一体的5A级超高层商务综合体，总建筑面积约13.6万m2，地上2栋单体南北布置，居中对齐。主塔楼布置南侧靠近国兴大道，建筑高度为211.6m（室外地坪至幕墙最高点），共计44层。地块北侧布置3层商业裙房，2栋单体之间依靠位于第3层的室外连廊联系在一起。

项目涵盖了超高层办公建筑、商业、地下车库、机房等多种功能建筑，机电管线系统极为复杂。塔楼为超高层钢结构体系且每层面积均不一致，塔楼装配率达到76.6%，商业裙房外立面为曲面异形幕墙，传统二维设计已不能满足这种项目高质量精细化施工建造，因此引入BIM技术，从施工图设计阶段开始进行辅助设计，通过管综优化、图纸会审、孔洞预留、净高分析等措施，保证出图质量和施工质量。

该项目管线综合排布采用伴随式设计模式，这个模式的关键在于如何在设计过程中实时构建三维BIM模型并验证设计问题，设计师与BIM工程师的高效协同模式能显著提高工作效率和图纸质量，但这对BIM工程师的专业技术水平和设计意图理解提出了新的挑战。

2.1 管线综合排布设计

针对超高层建筑的特点，在建模过程中通过结合项目特点的确定了管综优化重点应用的位置，主要有地下室、3个楼层的避难层、避难层的下一层、标准层以及大堂层，如图1所示。这些区域的管线密集且净高要求不同，BIM单位与设计院的伴随式协同方式，利用三维管线可视化设计，通过结合项目特征对各区域净高进行反复推敲校核，拟定相应管线排布方案，完成了对各复杂区域的管综设计，并结合排布方案制定了各专业施工工序，有效指导现场施工，避免交错施工带来的不利影响。

图1 项目建模图

地下空间管线如图2所示，平面净高布局如图3所示。通过管综排布后，检查各安装区域的净高，尤其是特殊区域，如卸货区、停车区域、柴油发电机房等，结合设计意见修订风管尺寸、管道布局后，达到净高要求。

图2 地下室机电模型图

图3 地下一层各区域净高布局图

23F避难层管线穿钢结构斜撑如图4所示。避难层管线穿避难层钢结构斜撑，可利用空间有限，且管线众多，利用三维可视化排布，合理利用三角区域穿插管线，解决了钢结构和管线碰撞问题，同时确保了避难区域净高。

图4 23F避难层管线穿钢结构斜撑

在管线全部排布完成后，利用模型进行穿墙开孔和套管预埋定位，并利用BIM软件出图，复核原设计结果，规避传统预留预埋的错漏，尤其是对重力水管穿结构墙的防水套管定位进行了精准核查，从而确保前期预埋孔洞的位置正确，管道排水顺畅。

最终，基于BIM技术与项目设计单位协同完成了整栋建筑的管线综合优化，全过程提出了80余项管线布置方案和30余项审图建议，摆脱了传统二维设计方式的羁绊，减少了因技术错误或图纸理解错误带来的问题约25处，提高了设计图纸质量，预计可减少因图纸错误导致变更及返工的工程成本约100万元。

2.2 异形幕墙深化设计

主塔楼为超高层钢结构主体塔楼，商业裙楼为地上3层框剪结构。主塔楼屋顶采用异型曲面钢梁作为屋顶构造，东西侧保证了流线型弧度观感，南北侧采取整体渐变外形完成整个塔冠设计，裙楼整体外立面幕墙由四面不规则曲面幕墙构成，裙楼屋顶采用曲线披风的形式与主塔楼相连，极具现代感与科技感。为了达到异型塔冠建造深度，采用BIM技术助力塔冠整体设计，项目设计之初采用Rhino与Sketch up进行外立面概念设计，确定幕墙整体外立面形式，如图5所示。

图5 异型幕墙概念设计图

完成整体外立面概念设计后，运用Tkela进行钢结构幕墙支撑系统及幕墙龙骨设计，确定了幕墙钢构系统空间位置及尺寸信息，通过SPA 2000进行钢结构支撑系统受力校核完成整个幕墙外立面设计。项目设计资料在Navisworks中进行数据集成交付，整体设计意图表达完整。

通过BIM技术的及时介入使复杂异型幕墙得到可视化表达，针对复杂外立面幕墙设计进行专项出图与方案比选，为设计阶段幕墙专业解决方案提供新思路，使异型幕墙设计变得更加便捷高效。

2.3 应急情况下的疏散通道设计

在超高层建筑中，火灾事故造成的人员伤亡和经济损失十分巨大，研究超高层建筑紧急状况下的人员安全疏散问题具有重要的意义。地下室处于地下，其结构复杂且相对狭窄，照明光线较暗，通风排烟条件也较差，一旦发生火灾，内部温度会快速升高，烟气较难排除，人员也不易找到疏散通道。该项目使用Pathfinder软件与BIM模型相结合，重点对地下室中的商业餐厅（员工餐厅）和物业办公房两个人员密集的场所进行人员疏散仿真，验证设计方案的合理性，对人员紧急疏散进行评估。

仿真中，设定餐厅区域共200人，物业办公房共8人，男女比例设置相同，人员结构包括小孩、青年、中年以及老年人，同时对体型胖瘦也进行区分。仿真结果表明，一共存在5条逃生路径，所有人员疏散所耗总时间为66.28s，可为后期运维制订应急方案提供有力支撑。疏散人数与疏散时间曲线如图6所示。

图6 疏散人数与疏散时间曲线图

该项目引入BIM技术在全专业辅助设计中产生了较大价值，前期的三维模型调整能预先虚拟一遍建筑，其内部空间及安装情况也能清晰表达，可以提前发现图纸中的问题，减少后期设计变更，降低工程成本，探索了建筑高效建设的新模式。同时，该项目首次引入BIM技术与专业疏散工具进行联合仿真，针对建筑物特性模拟计算了疏散人数与疏散时间的关系，为后期运维制订应急方案提供了有力支撑，实现了模型的多维度利用。

但同时此次BIM技术的伴随式应用也突显出以下问题：（1）BIM工程师需要与设计师高度协调，并完全理解设计意图，模型和图审信息的传递滞后是工作量成倍增加的直接因素。（2）管线的接头，尤其是风管，其三维构件往往很难满足设计要求，需要不断积累和投入大量精力去更新族库，且需要设计、施工方进行协调，定义安装方式。

BIM的应用远不止于此，相关人员需继续探索新的使用模式，围绕智能建造、绿色建造的理念，不断总结和优化，充分利用BIM技术的优势，提高建筑项目的质量。

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