北京市朝陽區CBD核心區Z15地塊（中國尊大廈）項目，西側與北京目前最高的建築國貿三期對望，建成後將集辦公、多功能中心等功能於一體。本項目施工總承包單位為中國建築股份有限公司和中建三局集團有限公司聯合體，工程為首幢在抗震八度設防的高設防烈度地區超過500米的超高層建築，建成後作為北京市新的地標性建築，社會影響大。於2011年9月12日左右動工，2016年底封頂，預計總投資達240億元。
項目難點
（1）工期緊張：本項目工期僅為62個月，在同類超高層項目中工期最短。建築功能複雜且專業單位眾多，對工程的進度計劃管理提出非常高的要求。
（2）工藝複雜：土建、鋼結構、裝飾裝修、機電專業等都存在設計複雜節點的問題，施工工藝超常規且存在多專業間的相互影響。
（3）參建方多、協調難度大：本工程為超高大型項目，施工過程多專業、多工種的交叉設計、施工管理、立體作業情況十分普遍，給施工總承包單位的協調管理工作帶來較大難度。
（4）品質要求高：考慮到大廈未來的用途和定位，建設方對品質要求非常高。在滿足功能的基礎上，對細節的高標準使得大廈設計和施工過程優化工作量大大增加，並需要採用預製化的手段提高品質。
應用目標
中國尊大廈項目採用全生命期的BIM應用，按照設計階段全面介入、施工階段深度應用、運維階段增值創效的理念，減少規劃、設計、建造、運營等各個環節之間溝通障礙，提高效率、節約成本、減少拆改。
工程概況
北京中央商務區核心區的標誌性超高層建築項目——中國尊大廈，工程場地位於北京市朝陽區東三環北京商務中心區(CBD)核心區Z15地塊，建築面積約43.7萬m2(地上約35萬m2，地下約8.7萬m2)。主要建築功能為辦公、觀光和商業。該塔樓地上108層，地下7層(局部設夾層)，建築高度528m，外輪廓尺寸從底部的78m×78m向上漸收緊至54m×54m，再向上漸放大至頂部的59m×59m，似古代酒器“樽”而得名，建築效果圖如圖1所示。
圖1 中國尊大廈
工程主要結構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、轉換桁架以及次框架組成。巨型柱位於塔樓角部，貫通至結構頂部，並在各區段分別與轉換桁架、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，採用多腔鋼管混凝土柱。在設備層及避難層共設置8道轉換桁架，其杆件截面採用焊接箱形截面。巨型斜撐沿各區外皮設置，也為焊接箱形截面。次框架包括重力柱和外環梁，均為焊接H形截面，其僅承擔本區重力荷載，不參與整體抗側。
巨型外框筒建築-結構一體化設計
中國尊大廈外輪廓的水平截面形狀為倒圓角的正方形，並沿著高度平滑收放，其外完成面幾何控制尺寸見圖2。巨型外框筒的外控制面採用分段折面的形式，既可以較好控制巨型外框筒與建築外完成面的距離，又可降低結構自身的加工難度。
圖2 外完成面幾何控制尺寸
巨型柱從基礎頂面(-31.3m)至106層(503.2m)的截面形式根據一定的規則進行變化，其具有三種截面形式：1)7層以下(-31.3～43.15m)為4根八邊形截面，截面面積約為63.9m2;2)7~19層(43.15～98.65m)為8根六邊形截面，截面面積約為19.5～21.3m2;3)19~106層(98.65～503.2m)為8根矩形截面，截面面積約為19.2～2.56m2。巨型柱共設置12個控制轉折標高，具體見表1。
為使結構受力最優，要求12個控制轉折標高位置對應的巨型柱截面形心都位於豎直面γ內，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個控制轉折標高位置截面形心共於豎直面γ內、角點(P，P′點)連續、每層巨型柱角點與外完成面的距離不小於500mm(底部為1200mm)等3個條件，最終確定巨型柱的幾何定位。其俯視定位圖如圖4所示。
圖4 巨型柱俯視定位圖
在確定外框筒外控制面及巨型柱外輪廓後，可以確定轉換桁架、巨型斜撐及次框架等定位。此處控制的目的是各構件之間的連接要做到平齊對接，避免出現錯邊，並且方便加工和安裝。整個塔樓由8道轉換桁架分成了9個區段，每個區段生成的規則是一致的，不同的只是巨型柱傾斜的程度，本節僅選取典型區段進行介紹，如圖5所示。
圖5 外框筒典型區段示意
轉換桁架、巨型斜撐及次框架的外皮均與外框筒外控制面平齊。轉換桁架弦杆、巨型斜撐等構件與巨型柱連接位置均需要設置水平加勁肋，且結合與巨型柱轉折標高位置的關係，轉換桁架弦杆的截面形式控制為平行四邊形截面(圖6(a))，而沒有采用常規截面形式(圖6(b))。
圖6 轉換桁架截面生成方案
例如截面尺寸為800×700，表示截面垂直高度為800mm，沿水平向寬度為700mm，此截面定義規則可認為由相距800mm的一對水平面和平行於巨型柱外控制面、水平距離(非垂直距離，下同)為700mm的一對斜面，所圍區域作為弦杆輪廓尺寸。
轉換桁架腹杆的截面定義規則也參照弦杆的截面定義規則，例如截面為900×700的斜腹杆，由相距900mm平行於腹杆軸線，且都垂直於豎直面的一對斜面和平行於巨型柱外完成面、水平距離為700mm的另一對斜面，所圍區域作為斜腹杆輪廓尺寸。角部桁架弦杆與腹杆的生成規則與轉換桁架的生成規則也基本一致。
巨型斜撐的生成規則與轉換桁架腹杆的生成規則類似。略有不同的是轉換桁架的斜腹杆、弦杆與巨型斜撐軸線交點標高與外框筒轉折標高不在同一標高(相差半個弦杆高)(圖7)。為避開上述問題，巨型斜撐截面生成方案按如下方案進行：例如1 600×900截面，取平行於巨型斜撐軸線、相距1 600mm且垂直於豎直面的一對斜面，和平行於下輪廓面、水平距離為900mm的一對斜面，所圍區域作為巨型斜撐輪廓尺寸。
圖7 巨型斜撐節點定位示意
次框架的空間定位主要以分析重力柱為主。重力柱的定位與幕牆玻璃分格對應，幕牆分格規則則是以外完成面為基礎，按照加強層建築完成面標高水平剖切出其對應的幕牆輪廓線，等分為128份(圖8)，進而得到各層的幕牆分格點。
圖8 重力柱中心線定位
然後在外完成面每6個分格點取一格點再投影到轉換桁架上弦、下弦中心線上。連接相鄰兩道轉換桁架上、下弦的交點即為重力柱中心線定位，連接每道轉換桁架上、下弦的交點即為轉換桁架豎腹杆中心線定位。在確定重力柱軸線定位之後，以平行於軸向且垂直於豎直面的一對斜面與平行於外框筒外完成面的一對斜面所圍區域作為重力柱外輪廓，重力柱採用焊接H形截面，以便施工。
整個外框筒結構構件的截面生成規則可以用如下模型進行形象說明：剪切剛度很小而彎曲剛度很大的結構，在一對水平力作用下，發生剪切變形之後的形狀，作為中國尊大廈外框筒結構的構件截面的主要形式，而確定截面傾斜的程度主要依據各段外框筒外完成面的傾斜程度，如圖9所示。
圖9 截面生成原理
樁筏基礎設計
工程基礎形式為樁筏基礎。樁筏體系可理解為是地基土-樁-筏板相互作用的一個有機整體。本工程樁基礎設計使用年限為50年，耐久性100年;建築樁基設計等級甲級，安全等級為一級;主要抗震性能目標為樁身強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：位於核心筒和巨型柱下P1型(樁徑1 200mm、樁長44.6m);塔樓下其他區域P2型(樁徑1 000mm、樁長40.1m);塔樓與純地下室間過渡樁P3型(樁徑1 000mm、樁長26.1m，為邊緣過渡樁)，樁位佈置見圖10。
圖10 樁位佈置
工程樁P1和P2以第層卵石、圓礫為樁端持力層，要求進入持力層的深度不小於2.5m。純地下室部分採用天然地基。所有工程樁均採用樁側樁端組合後注漿工藝。
樁筏基礎設計總體思路：考慮樁筏協同作用(圖11)，按變形控制條件合理選擇樁端持力層，優化設計樁長、樁徑和樁間距。樁基礎結構設計計算應考慮上部結構、筏板基礎和地基(樁與土)共同作用分析。經過反覆比選，最終將超高層主塔樓與裙房之間的沉降後澆帶予以取消，實現了樁筏基礎設計的創新。樁與筏板基礎聯合變調平設計的構想與技術思路如圖12所示。
數值分析得出的基底反力在主樓區域約為150kPa;上部結構傳遞到基礎底面的平均壓力值約1200kPa;樁間土承擔的荷載約為總荷載的12.5%。
圖11 樁筏共同工作示意圖
圖12 樁與筏板聯合變調平設計概化示意圖
全部工程基樁施工完成以後，通過單樁靜載荷試驗進行了工程樁承載力檢驗，其Q-s曲線如圖13所示。檢測結果表明樁基施工質量良好，100%為Ⅰ類樁，為實現設計構想奠定了堅實的基礎。
圖13 工程樁Q-s曲線
BIM在“中國尊”中的應用
1.BIM應用內容
以解決問題、創造效益、減少浪費為基本出發點，項目各參建單位從全過程的BIM工作入手，踐行了一系列BIM應用。項目施工階段在常規BIM應用基礎之上，團隊創新了大廈超精度的深化設計、超難度的施工模擬、超體量的預製加工、全方位的三維掃描等深度應用。
（1）圖紙審核及優化：與傳統二維圖紙審核配合，交叉審核圖紙並進行改進。
（2）BIM深化設計：基於BIM模型進行各個專業的二維與三維之間的校核，以及各專業之間的三維綜合協調。
（3）綜合協調與碰撞檢查：在現場施工前對複雜節點進行綜合協調與碰撞檢查。
（4）施工模擬：選擇重要且有必要的施工方案和重點部位進行工藝和進度模擬。
（5）預製化建造：高精度的BIM模型可以直接與工廠預製化加工結合。
（6）BIM+三維激光掃描：做BIM+三維掃描的應用嘗試。
（7）輕量化應用：探索基於BIM技術的現場指導施工和驗收方式。
（8）基於BIM模型的智慧運維：實現完整的集成化BIM運維平臺管理。
2.BIM應用策劃
（1）軟件選取方案：項目以Autodesk公司系列軟件為基礎軟件平臺，同時為配合鋼結構、幕牆、裝飾等專業的特殊需求，在部分區域用Tekla、T-fas、Rhino等軟件進行建模。最終所有專業模型需要導入Navisworks輕量化平臺進行綜合應用。
（2）組織架構與分工：在施工階段，由於分包單位眾多，施工總承包單位專門設置BIM管理部並牽頭組織項目BIM工作，對各分包進行BIM工作協調管理，並完成總承包範圍內BIM模型深化和BIM各項應用。施工階段參與總人數超過120人。同時，為了促進BIM技術在總承包管理過程中的推廣，總承包管理團隊在各個職能部門均配備BIM專員，深入踐行BIM在各職能部門中的應用。
（3）應用順序：在業主方的總體規劃下，本項目BIM模型做到完整的流轉，施工階段繼承設計階段的BIM模型，並進行模型深化，替換部分設計模型，增加必要過程信息，最終將模型深度提升至竣工模型標準。最終的竣工模型包含了運維所需要的所有信息，並最終用於基於BIM模型的可視化運維繫統。
— BIM實施過程 —
1.BIM應用準備
（1）制度準備：由於參建方眾多，需要統一的管理標準和技術標準對BIM工作進行約定，保證BIM工作在不同單位之間協調推進。另外，項目在設計初期，就已經完成了第一版基於本項目實際情況的《中國尊項目BIM實施導則》，導則是本項目所有參建人員的BIM行動準則和技術指南。隨著項目的推進不斷完善導則，增加對應的BIM工作指標、流程和要求。
（2）人員準備：根據導則的規定，所有參加單位，須應用指定的軟件。對所有參建方人員，各層級BIM團隊採用集中培訓、發放資料等手段，確保項目團隊熟練掌握相關軟件的使用，同時要求業務部門掌握可以滿足實際工作需要的基本模型操作能力。
（3）技術準備：為了達成全員應用BIM的目標，項目在軟硬件方面為員工進行全面配置，並確保每個部門至少有一臺工作站或同級別電腦。針對現場管理工作，項目BIM管理部將所有模型進行輕量化，並定期更新，其他各部門管理人員可以方便導入配備的移動終端，進行模型現場使用。而模型中的信息，也會根據最新的現場需要進行新增和更新，確保模型使用的時效性和準確性。
2.BIM應用過程
（1）圖紙審核及優化：根據統計，施工圖設計階段，共對北京院完成五輪設計成果報審。由業主單位、顧問單位、施工單位提出審核意見11981項。其中對施工圖的BIM複核24批次，解決了各種設計問題4959項，大幅降低施工過程中因碰撞、拆改及因設備未選定而造成的成本浪費和工期延誤問題發生的概率。
（2）BIM深化設計：根據中國尊項目要求所有專業全面應用BIM深化設計的總原則，以及要求模型與圖紙同步提交，保證深化圖紙質量和模型的及時性，項目部開展了各專業的BIM深化設計工作。
1）結構深化：鋼結構所有構件均採用三維設計，並且精度達到加工級別。同時將鋼結構與鋼筋的複雜交叉節點進行了完整模擬，在現場施工前，將節點優化方案表達在圖紙中。深化成果直接用三維形式表現在圖紙會審中，並用於施工三維可視化施工交底，幫助參建人員理解複雜工藝和節點。對設計單位提供的BIM模型進行二次結構的深化，包括增加構造柱、圈樑、過樑及牆留洞。深化過程中實現與機電模型的協調，在模型中精確預留穿牆洞口位置，生成留洞圖，避免錯漏。
2）機電深化：在設計單位提供的機電模型基礎上進行深化設計，利用BIM可視化的優勢，在三維環境中對機電不同系統展開綜合排布。深化設計過程中，機電專業製作了大量的BIM構件。設備構件按導則要求統一命名，並根據模型信息詳表將信息完整導入模型，在實現機電設備合理排布的基礎上，還為未來大廈的智慧運維提供數據基礎。
同時對原設計水泵佈置凌亂、水泵支管不整齊、檢修空間不合理等問題進行優化。水泵房內管道經過方案優化後，將現場焊接方式調整為工廠預製化加工、現場組裝的施工方案，減少現場焊接會引起漏水、誤差等問題的出現。
機電設備排布深化
3）裝飾裝修深化：項目部建立了大量的裝飾族文件，並以此完成了所有樓層的地面、牆面、吊頂模型。過程中對於吊頂吊杆、石膏板牆分縫、地板板塊排布等進行統一的三維設計，並且可以直接輸出綜合排布圖。在大堂等精裝修區域，採用Rhino進行造型參數化設計，並輔助方案選型。大量異形構件可通過BIM模型直接進行工廠預製化加工。
裝飾構件深化
4）幕牆深化：幕牆專業利用BIM模型確認單元板塊分隔和定位，建立幕牆加工模型，直接生成施工節點詳圖。另外，幕牆BIM模型可以實現直接進入數控機床進行加工生產，保證幕牆異型曲面的加工精度。
幕牆BIM深化並出圖
（3）綜合協調與碰撞檢查：利用全專業的高精度BIM深化模型，並基於相同的標準格式，項目各專業之間的超細度綜合協調可以真正做到深化設計的有效性、及時性和可實施性。綜合協調報告作為正式的協調文件，分區域下發各相關專業部門和分包單位，很好地解決了實際設計衝突問題。在定期組織的協調例會上，針對模型中發現的問題，可以共同在模型中解決模型和現場問題。針對某一區域的多輪綜合協調，一般可以將設計圖紙及模型中的錯、碰、漏、缺發現並解決80%以上，有效提高深化圖紙的設計質量，並保持專業間交叉部位的合理設計，減少現場拆改。
多專業模型綜合協調
（4）施工模擬：施工階段的施工模擬是對施工方案、工藝的再驗證，並進行細節優化。項目對施工過程中的重大方案進行完整且精細化的模擬，綜合考慮工藝方法、時間、空間等因素，完成大型方案的綜合模擬，並在實施前進行專項方案論證和三維預演，發現綜合環境下隱藏的矛盾，並提前解決，最終應用完善的三維施工模擬方式進行技術交底。
（5）預製化加工：項目多專業踐行預製化、裝配式建造，其中重點應用在異形裝飾構件、機電預製立管、組合橋架、幕牆等專業。通過信息化管理平臺對構件的下料、運輸、安裝進行全過程管理，優化排版取料順序，實時更新材料精確位置，減少材料浪費。
（6）BIM+三維激光掃描：項目對每一個樓層都開展了三維掃描工作，完成了全部108層的結構掃描和主要裝修、機電設備間的掃描，僅原始點雲數據量已經超過2TB。後期將作為工程過程資料的一部分，輔助業主進行運維管理。
點雲代表實際，BIM模型為虛擬。綜合在一起分析設計是否正確，施工是否存在誤差。通過點雲數據開展碰撞檢查更具有真實性，避免了因為現場偏差造成下一道工序無法安裝的情況發生。通過掃描點雲數據與BIM模型誤差報告的大數據分析，能準確捕捉質量控制的關鍵部位，有針對性的進行糾偏，為工程質量管理提供了新思路。
點雲數據與機電深化模型整合
（7）輕量化BIM應用：項目採購了30餘臺iPad用於施工管理，覆蓋深化設計、現場管理、質量控制等各業務的BIM應用，顯著提升現場管理效率。現場管理人員擺脫攜帶大量圖紙的傳統，同時綜合全專業的模型更容易理解現場安裝是否準確，也彌補了工程師的專業偏科的侷限性。
（8）基於BIM模型的智慧運維：BIM解決了圖紙管理難、保管難、複製難、查找難等問題，通過BIM實現全方位三維場景觀察，通過鼠標點擊BIM模型即可查看設備的詳細信息，更能在設備發生故障時，同步調出備品備件信息及處理方案。為了實現完整的BIM運維管理，集成化的運維平臺必不可少。由建設單位牽頭，指定專業團隊研發的運維平臺逐步搭設和完善，進一步將機電設備、門禁系統等進行掛接，實現實時動態顯示、遠程控制等需求。隨著需求的進一步完善，系統將逐漸落地，實踐智慧運維。
— BIM應用總結 —
1.項目實際應用問題的應用效果總結
（1）項目各參與方全面應用BIM技術，實現中國尊大廈建設全過程應用中的BIM信息交換連續性的要求，在國內首次實現BIM模型從設計到施工再到運營的流轉和傳遞，避免了多次建模的資源浪費。採用BIM進行設計，在設計及施工階段累計發現12500餘個問題，大量減少了可能發生的拆改和返工。據初步統計，現場變更數量較同類超高層降低70-80%。（被動變更佔比更低）。
（2）在實施過程中，各參建方利用BIM技術在可視、協調、模擬的優勢，有效的提高設計質量和效率，提升項目管理水平，促進項目節能減排、綠色環保工作的開展。據初步測算，結合BIM對建築空間進行的優化，為大廈增加了超過7000平方米的使用面積；優化了超過20個大型設備用房的機電排布，使物業運維更加便捷；大量構件實現場外加工或預製生產，有效減少現場揚塵及汙染，產生建築垃圾僅為LEED金級評定標準的10%。
2.BIM應用方法總結
（1）中國尊項目在BIM踐行過程中，逐步發展出一套基於BIM的超高層管理流程和方法，在多單位協同、標準化模型傳遞、解決實際問題等方面起到突出作用。《中國尊項目BIM實施導則》已經升版至第6版，其中不僅包含全面的技術指標規定，更有一套適用於本項目的BIM實施流程，詳細規定BIM模型在不同階段應完成的操作，在此基礎上形成一套可在其它項目複用的BIM管理方法。
（2）項目BIM人員也參與了多項地方標準、行業間數據融合標準、企業標準等BIM標準的制定工作，將中國尊項目BIM應用過程中的經驗和成果融入其中，為整個行業的管理升級做出貢獻。
（3）BIM人才培養總結：中國尊項目所有BIM專職和參與人員超過200人，在不同的應用領域培養了一批有BIM實踐經驗，同時又具備專業能力的工程師。原則上，項目BIM人員需要是專業工程師出身，本身具備專業知識後再學習BIM技術和理念，用於解決實際問題。這些員工並不侷限於專職BIM管理人員，更多的是業務部門的骨幹。這樣的培養方式，真正培養出一批掌握BIM與專業應用的複合型人才，而不只是一些少數會操作BIM軟件的操作人員。
閱讀更多 心曉天地 的文章
