本文转载自公众号BIM新看点建筑结构 建筑经济与管理建领
北京市朝阳区 CBD 核心区的 Z15 地块，也就是中国尊大厦项目。该项目西侧与北京当下最高的建筑国贸三期相互对望。此项目建成之后，将会把办公功能以及多功能中心等功能融合在一处。中国建筑股份有限公司和中建三局集团有限公司组成联合体担任本项目施工总承包单位。这是首幢在抗震八度设防的高设防烈度地区超过 500 米的超高层建筑，建成后将成为北京市新的地标性建筑，社会影响较大。该项目于 2011 年 9 月 12 日左右开始动工，在 2016 年底完成封顶，预计总投资为 240 亿元。
项目难点
本项目工期仅有 62 个月，在同类超高层项目里工期是最短的。建筑功能较为复杂，并且专业单位数量众多，这对工程的进度计划管理提出了极高的要求。
土建存在设计复杂节点的问题，钢结构也存在设计复杂节点的问题，装饰装修同样存在设计复杂节点的问题，机电专业也存在设计复杂节点的问题。施工工艺超常规，并且在施工过程中存在多个专业之间的相互影响。
本工程属于超高大型项目，在施工过程中，多专业与多工种存在交叉设计的情况，同时也有施工管理以及立体作业的情况，且这些情况十分普遍，这给施工总承包单位的协调管理工作带来了较大的难度，因为参建方较多。
考虑到大厦未来的用途和定位，建设方对品质的要求极高。在确保功能得以满足的前提下，因对细节有着高标准的要求，导致大厦的设计和施工过程中优化工作量大幅增加，并且需要运用预制化的手段来提升品质。
应用目标
中国尊大厦项目运用全生命期的 BIM 应用。在设计阶段全面介入，在施工阶段深度应用，在运维阶段增值创效。这样做能够减少规划、设计、建造、运营等各个环节之间的沟通障碍，提高效率，节约成本，减少拆改。
工程概况
北京中央商务区核心区有一座标志性超高层建筑项目，那就是中国尊大厦。其工程场地处在北京市朝阳区东三环北京商务中心区（CBD）的核心区 Z15 地块。该大厦的建筑面积约为 43.7 万 m²，其中地上约 35 万 m²，地下约 8.7 万 m²。其主要的建筑功能包含办公、观光以及商业。该塔楼地上有 108 层，地下有 7 层，局部还设有夹层。它的建筑高度为 528m，外轮廓尺寸从底部的 78m×78m 开始逐渐向上收紧，到中间变为 54m×54m，接着又逐渐向上放大，到顶部成为 59m×59m，因其外形似古代酒器“樽”而获得此名。
工程主要结构体系包含外框筒与核心筒。外框筒由巨型柱、巨型斜撑、转换桁架以及次框架构成。巨型柱处在塔楼角部，一直贯通到结构顶部，并且在各个区段分别与转换桁架、巨型斜撑相连接。巨型柱的底部截面形状是多边形，中部和上部是矩形，使用多腔钢管混凝土柱。在设备层以及避难层一共设置了 8 道转换桁架，这些转换桁架的杆件截面采用焊接箱形截面。巨型斜撑沿着各区的外皮进行设置，并且它是焊接箱形截面。次框架包含重力柱和外环梁，这两者都是焊接 H 形截面。重力柱和外环梁仅承担本区的重力荷载，它们不参与整体的抗侧。
巨型外框筒建筑-结构一体化设计
中国尊大厦的外轮廓，其水平截面形状是倒圆角的正方形，并且沿着高度平稳地收放，它的外完成面几何控制尺寸在图 2 中可以看到。巨型外框筒的外控制面是以分段折面的形式呈现的，这样既能够较好地控制巨型外框筒与建筑外完成面之间的距离，又能够降低结构自身的加工难度。
图2 外完成面几何控制尺寸
其三，19 到 106 层(98.65～503.2m)是 8 根矩形截面，截面面积约为 19.2 至 2.56m²。巨型柱共设置12个控制转折标高，具体见表1。
为让结构的受力达到最优状态，需要 12 个控制转折标高位置的巨型柱截面形心都处在竖直面γ内。这个竖直面与水平或竖直的夹角是 27°，就像图 3 所展示的那样。
图3 巨型柱截面示意
其俯视定位图如图 4 所示。
图4 巨型柱俯视定位图
确定外框筒外控制面以及巨型柱外轮廓之后钢结构桩基竣工图，能够确定转换桁架、巨型斜撑以及次框架等的定位。此处进行控制的目的在于，各构件之间的连接需做到平齐对接，防止出现错边情况，同时也便于加工和安装。整个塔楼依据 8 道转换桁架被分成了 9 个区段，每个区段生成的规则是相同的，仅仅是巨型柱倾斜的程度有所不同，本节只选取典型区段进行介绍，如图 5 所示。
图5 外框筒典型区段示意
没有采用常规截面形式（图 6(b)）。
图6 转换桁架截面生成方案
截面尺寸为 800×700，这意味着截面的垂直高度是 800mm，而沿水平方向的宽度是 700mm。此截面的定义规则可以被认为是，由相距 800mm 的一对水平面，以及平行于巨型柱外控制面且水平距离（非垂直距离，下同）为 700mm 的一对斜面，所围成的区域作为弦杆的轮廓尺寸。
转换桁架腹杆的截面定义规则参照弦杆的截面定义规则。比如，截面为 900×700 的斜腹杆，是以相距 900mm 且平行于腹杆轴线，同时都垂直于竖直面的一对斜面，以及平行于巨型柱外完成面、水平距离为 700mm 的另一对斜面所围成的区域来作为斜腹杆的轮廓尺寸。角部桁架弦杆与腹杆的生成规则和转换桁架的生成规则基本相同。
巨型斜撑的生成规则和转换桁架腹杆的生成规则相近。不同之处在于，转换桁架的斜腹杆、弦杆与巨型斜撑轴线交点的标高，和外框筒转折的标高不在同一个标高上，二者相差半个弦杆的高度（见图 7）。为避开上述那些问题，巨型斜撑的截面生成方案是这样进行的：就拿 1600×900 截面来说吧，选取平行于巨型斜撑轴线且相距 1600mm 同时垂直于竖直面的一对斜面，以及平行于下轮廓面且水平距离为 900mm 的一对斜面，将这两对斜面所围成的区域当作巨型斜撑的轮廓尺寸。
图7 巨型斜撑节点定位示意
次框架的空间定位主要依靠分析重力柱。重力柱的定位与幕墙玻璃分格相匹配，幕墙分格规则是以外完成面为基础，依据加强层建筑完成面标高水平进行剖切，从而得出其对应的幕墙轮廓线，将其等分为 128 份（图 8），这样就能得到各层的幕墙分格点。
图8 重力柱中心线定位
然后在外完成面，每 6 个分格点取一个点，接着将这些点投影到转换桁架的上弦中心线上和下弦中心线上。把相邻两道转换桁架的上弦交点和下弦交点连接起来，这就是重力柱中心线的定位。把每道转换桁架的上弦交点和下弦交点连接起来，这就是转换桁架竖腹杆中心线的定位。确定重力柱轴线定位后，以一对平行于轴向且垂直于竖直面的斜面，以及一对平行于外框筒外完成面的斜面所围成的区域，作为重力柱外轮廓。重力柱使用焊接 H 形截面，以利于施工。
中国尊大厦外框筒结构的构件截面主要形式为：在一对水平力作用下，剪切刚度很小而弯曲刚度很大的结构发生剪切变形后的形状。整个外框筒结构构件的截面生成规则可用如下模型说明，确定截面倾斜程度主要依据各段外框筒外完成面的倾斜程度，如图 9 所示。
图9 截面生成原理
桩筏基础设计
工程的基础形式是桩筏基础。桩筏体系可以被理解为是由地基土、桩以及筏板相互作用而形成的一个有机整体。本工程的桩基础设计使用年限为 50 年，耐久性达到 100 年。建筑桩基的设计等级为甲级，安全等级是一级。其主要的抗震性能目标是桩身强度能够满足中震弹性以及大震不屈服的要求。工程桩主要有三种类型。一种是位于核心筒和巨型柱下的 P1 型，其桩径为 1200mm，桩长 44.6m；另一种是塔楼下其他区域的 P2 型，桩径 1000mm，桩长 40.1m；还有一种是塔楼与纯地下室间的过渡桩 P3 型，桩径 1000mm，桩长 26.1m，且为边缘过渡桩。桩位布置见图 10。
图10 桩位布置
工程桩 P1 以第层卵石、圆砾为桩端持力层，要求进入持力层的深度不小于 2.5m；工程桩 P2 以第层卵石、圆砾为桩端持力层，要求进入持力层的深度不小于 2.5m。纯地下室部分采用天然地基。所有工程桩都采用桩侧桩端组合后注浆工艺。
桩筏基础设计的总体思路如下：要考虑桩筏的协同作用，如在图 11 中所示。需按照变形控制条件，合理地选择桩端的持力层。还要对桩长、桩径和桩间距进行优化设计。在桩基础结构设计计算时，应将上部结构、筏板基础以及地基（桩与土）的共同作用进行分析。经过多次的比较和选择后，最终把超高层主塔楼与裙房之间的沉降后浇带取消了，从而实现了桩筏基础设计的创新。桩与筏板基础联合变调平设计的构想与技术思路如图12所示。
数值分析得到的基底反力在主楼区域的数值约为 150kPa；上部结构传递到基础底面的平均压力值大概是 1200kPa；桩间土所承担的荷载大约为总荷载的 12.5%。
图11 桩筏共同工作示意图
图12 桩与筏板联合变调平设计概化示意图
工程基桩施工全部完成之后，运用单桩静载荷试验来检验工程桩的承载力。其 Q-s 曲线呈现出如图 13 所示的情况。检测结果显示，桩基施工质量状况良好，所有桩都属于Ⅰ类桩，这为实现设计构想打下了坚实的基础。
图13 工程桩Q-s曲线
BIM在“中国尊”中的应用
1.BIM应用内容
以解决问题、创造效益以及减少浪费作为基本的出发点，项目的各个参建单位从全过程的 BIM 工作开始着手钢结构桩基竣工图，实施了一系列的 BIM 应用。在项目的施工阶段，在常规的 BIM 应用基础之上，团队进行了创新，包括大厦超精度的深化设计、超难度的施工模拟、超体量的预制加工以及全方位的三维扫描等深度应用。
图纸审核并优化：配合传统二维图纸审核，对图纸进行交叉审核且加以改进。
BIM 深化设计，是要基于 BIM 模型来开展工作。一方面要进行各个专业的二维与三维之间的校核；另一方面还要进行各专业之间的三维综合协调。
在现场施工之前要对复杂节点进行综合协调方面的工作以及碰撞检查方面的工作。
施工模拟方面，会挑选那些重要且具备必要性的施工方案以及重点部位，然后对其进行工艺和进度方面的模拟。
预制化建造方面，高精度的 BIM 模型能够直接与工厂的预制化加工相融合。
（6）BIM+三维激光扫描：做BIM+三维扫描的应用尝试。
探索基于 BIM 技术的现场验收方式。
基于 BIM 模型进行智慧运维，能够实现一个完整的且集成化的 BIM 运维平台管理。
2.BIM应用策划
最终，所有专业模型都需要导入 Navisworks 轻量化平台，以进行综合应用。
在施工阶段，因为分包单位数量较多。施工总承包单位特地设立了 BIM 管理部，并且由该部门牵头来组织项目的 BIM 工作。同时，对各个分包单位进行 BIM 工作的协调管理，并且完成总承包范围内 BIM 模型的深化以及 BIM 的各项应用。在施工阶段，参与的总人数超过了 120 人。总承包管理团队为促进 BIM 技术在总承包管理过程中的推广，在各个职能部门都配备了 BIM 专员，并且深入地践行 BIM 在各职能部门中的应用。
在业主方的总体规划下，本项目 BIM 模型能够完整流转。施工阶段继承设计阶段的 BIM 模型，同时进行模型深化工作，替换部分设计模型，并增加必要的过程信息，从而将模型深度提升至竣工模型标准。最终的竣工模型包含了运维所需的所有信息，并且可用于基于 BIM 模型的可视化运维系统。
— BIM实施过程 —
1.BIM应用准备
参建方众多，所以需要统一的管理标准和技术标准来约定 BIM 工作，以保证 BIM 工作能在不同单位间协调推进。项目在设计初期，已经完成了第一版《中国尊项目 BIM 实施导则》，该导则基于本项目实际情况，是本项目所有参建人员的 BIM 行动准则和技术指南。随着项目的推进，导则在不断完善。同时，增加了与之对应的 BIM 工作指标、流程和要求。
人员准备方面：依据导则规定，所有参加单位都必须使用指定软件。对于各参建方人员，各层级的 BIM 团队通过集中培训以及发放资料等方式，以保证项目团队能够熟练运用相关软件，并且要求业务部门具备能够满足实际工作需求的基本模型操作能力。
技术准备方面，为实现全员应用 BIM 的目标，项目在软硬件上为员工进行了全面配置，要保证每个部门都至少有一台工作站或者同级别电脑。对于现场管理工作，项目 BIM 管理部把所有模型都进行了轻量化处理，并且会定期更新，其他各部门的管理人员能够方便地将配备的移动终端导入，从而进行模型的现场使用。模型中的信息会依据最新的现场需求来进行新增操作，同时也会进行更新，以此来保证模型使用的时效性以及准确性。
2.BIM应用过程
图纸审核及优化方面：从统计数据来看，在施工图设计阶段，针对北京院完成的设计成果进行了五轮报审。业主单位、顾问单位以及施工单位都提出了 11981 项审核意见。其中对施工图进行了 24 批次的 BIM 复核，解决了 4959 项各种设计问题，极大地降低了施工过程中因碰撞、拆改以及设备未选定而导致的成本浪费和工期延误问题发生的概率。
BIM 深化设计方面，依据中国尊项目的要求，即所有专业都要全面应用 BIM 深化设计这一总原则，并且要求模型与图纸同步提交，以确保深化图纸的质量和模型的及时性，项目部为此开展了各专业的 BIM 深化设计工作。
钢结构的所有构件都采用了三维设计，其精度达到了加工级别。同时，对钢结构与钢筋的复杂交叉节点进行了完整的模拟。在现场施工之前，把节点优化方案表达在了图纸上。深化成果以三维形式直接呈现在图纸会审中，并且用于施工的三维可视化施工交底，以此来帮助参建人员理解复杂的工艺和节点。对设计单位提供的 BIM 模型进行深化工作，深化的内容是二次结构方面，具体包括增添构造柱、圈梁、过梁以及墙留洞等。在深化的过程里，要达成与机电模型的协调效果，能够在模型里精准地预留穿墙洞口的位置，进而生成留洞图，以此来避免出现错误和遗漏的情况。
机电深化工作：以设计单位给出的机电模型为基础开展深化设计。借助 BIM 可视化的长处，在三维的环境里对机电的不同系统进行综合的排布。在深化设计的进程中，机电专业制作了数量众多的 BIM 构件。设备构件按照导则的要求进行统一命名，然后依据模型信息详表把信息完整地导入到模型中。这样做既实现了机电设备的合理排布，又为未来大厦的智慧运维提供了数据基础。
同时对原设计中存在的水泵布置较为凌乱的问题、水泵支管不整齐的问题以及检修空间不合理的问题进行了优化。在水泵房内，经过对管道的方案优化，将原本的现场焊接方式改为工厂预制化加工且在现场进行组装的施工方案，这样做能够减少因现场焊接而引发的漏水问题以及误差等问题的出现。
机电设备排布深化
项目部建立了数量众多的装饰族文件，通过这些文件完成了所有楼层的地面模型、墙面模型以及吊顶模型。在这个过程中，对吊顶吊杆、石膏板墙分缝、地板板块排布等方面进行了统一的三维设计，同时能够直接输出综合排布图。在大堂等精装修区域，运用 Rhino 进行造型的参数化设计，并且辅助进行方案选型。大量异形构件可通过BIM模型直接进行工厂预制化加工。
装饰构件深化
幕墙深化方面：幕墙专业借助 BIM 模型来确定单元板块的分隔以及定位，并且构建起幕墙加工模型，能够直接生成施工节点的详图。与此同时，幕墙的 BIM 模型还可以达成直接进入数控机床进行加工生产的效果，以此来确保幕墙异型曲面的加工精度。
幕墙BIM深化并出图
利用全专业的高精度 BIM 深化模型，且基于相同标准格式，项目各专业能进行超细度综合协调，从而真正实现深化设计的有效性、及时性和可实施性。综合协调报告作为正式协调文件，会分区域下发给各相关专业部门和分包单位，这样就很好地解决了实际设计冲突问题。在定期组织的协调例会上，对于模型中发现的问题，能够共同在模型内解决模型和现场的问题。针对某一区域进行多轮综合协调时，通常可以把设计图纸及模型中的错、碰、漏、缺找出来并解决 80%以上，这样能有效提升深化图纸的设计质量，还能保持专业间交叉部位的合理设计，降低现场拆改的情况。
多专业模型综合协调
施工模拟包括对施工阶段的模拟，这是对施工方案和工艺的再次验证，同时还会进行细节的优化。项目对施工过程中的重大方案进行模拟，这个模拟是完整且精细化的。它综合考虑了工艺方法、时间、空间等因素，完成了大型方案的综合模拟。并且在实施前，还进行了专项方案论证和三维预演。通过这些，发现了综合环境下隐藏的矛盾，并提前将其解决。最终，应用完善的三维施工模拟方式进行了技术交底。
预制化加工方面，项目的多个专业都践行预制化和装配式建造。在这些专业中，异形装饰构件、机电预制立管、组合桥架、幕墙等专业是重点应用领域。通过信息化管理平台，对构件的下料、运输、安装等环节进行全过程管理。这样可以优化排版取料的顺序，实时更新材料的精确位置，从而减少材料的浪费。
项目针对每一个楼层进行了三维扫描工作。全部 108 层的结构都完成了扫描，主要装修以及机电设备间也都完成了扫描。仅原始点云的数据量就已经超过 2TB。后期这些扫描数据将作为工程过程资料的一部分，用来辅助业主进行运维管理。
点云代表着实际情况，而 BIM 模型则是虚拟的。将两者综合起来，就能分析设计是否正确以及施工是否存在误差。利用点云数据进行碰撞检查会更具真实性，这样能避免因现场偏差而导致下一道工序无法安装的情况出现。通过对扫描点云数据与 BIM 模型误差报告进行大数据分析，能够准确捕捉到质量控制的关键部位，然后有针对性地进行纠偏，为工程质量管理提供了新的思路。
点云数据与机电深化模型整合
轻量化 BIM 应用方面，项目采购了 30 多台 iPad 来进行施工管理。这些 iPad 覆盖了深化设计、现场管理、质量控制等各个业务的 BIM 应用，从而显著提升了现场管理效率。现场管理人员不再需要携带大量图纸，而且综合全专业的模型能让他们更轻松地理解现场安装是否准确，同时也弥补了工程师专业偏科的局限性。
基于 BIM 模型的智慧运维方面：BIM 妥善解决了图纸在管理、保管、复制以及查找等方面存在的难题。借助 BIM 能够实现全方位的三维场景观察。只需通过鼠标点击 BIM 模型，就能够查看设备的详细信息。并且在设备发生故障时，还能够同步调出备品备件信息以及处理方案。要实现完整的 BIM 运维管理，集成化的运维平台是不可或缺的。建设单位牵头，指定专业团队研发运维平台。这个平台逐步搭设起来，并且不断完善。接着，将机电设备、门禁系统等进行了挂接。通过这样的操作，实现了实时动态显示以及远程控制等需求。随着需求的进一步完善，系统将会逐渐落地，从而实践智慧运维。
— BIM应用总结 —
1.项目实际应用问题的应用效果总结
项目各参与方广泛应用 BIM 技术，达成了中国尊大厦建设全过程应用中 BIM 信息交换连续的要求。在国内首次实现了 BIM 模型从设计到施工再到运营的流转与传递，从而避免了多次建模所导致的资源浪费。通过采用 BIM 进行设计，在设计及施工阶段累计找出了 12500 余个问题，极大地减少了可能出现的拆改和返工情况。初步统计显示，现场变更的数量相较于同类超高层而言降低了 70%至 80%。并且被动变更所占的比例更低。
在实施过程里，各参建方借助 BIM 技术所具备的可视优势、协调优势以及模拟优势，从而能够有效地提升设计的质量与效率，并且也能提升项目的管理水平，同时还促进了项目节能减排以及绿色环保工作的开展。初步测算表明，通过结合 BIM 对建筑空间进行优化，为大厦增添了超过 7000 平方米的使用面积。对超过 20 个大型设备用房的机电排布进行了优化，让物业运维变得更加便捷。大量构件能够在场外加工或预制生产，有效地减少了现场扬尘和污染，所产生的建筑垃圾仅为 LEED 金级评定标准的 10%。
2.BIM应用方法总结
中国尊项目在践行 BIM 的过程中，逐渐形成了一套以 BIM 为基础的超高层管理流程与方法，在多个单位协同工作方面发挥了突出作用，在标准化模型传递方面起到了突出作用，在解决实际问题方面也起到了突出作用。《中国尊项目 BIM 实施导则》已升版到第 6 版。此导则包含全面的技术指标规定。同时，还有一套适用于本项目的 BIM 实施流程。该流程详细规定了 BIM 模型在不同阶段应完成的操作。基于这些规定，形成了一套可在其他项目复用的 BIM 管理方法。
项目 BIM 人员参与了多项标准的制定工作，包括地方标准、行业间数据融合标准以及企业标准等。他们将中国尊项目 BIM 应用过程中的经验和成果融入到这些标准之中，从而为整个行业的管理升级贡献了力量。
BIM 人才培养进行了总结：中国尊项目中，所有的 BIM 专职人员以及参与该项目的人员数量超过 200 人。在不同的应用领域，培养出了一批既拥有 BIM 实践经验，又具备专业能力的工程师。按照原则，项目的 BIM 人员应当是专业工程师出身，他们本身先具备专业知识，然后再学习 BIM 技术和理念，以便用来解决实际问题。这些员工不仅仅是专职的 BIM 管理人员，更多的是业务部门的骨干。这种培养方式，切实培养出了一批既掌握 BIM 又精通专业应用的复合型人才，而并非仅仅是一些会操作 BIM 软件的操作人员。
