丁杰DING Jie

（無錫拈花灣文化旅游發(fā)展有限公司，上海 200040）

1 背景

2021 年3 月《中華人民共和國國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和2035 年遠景目標綱要》中提出將“城市更新”目標，“推進城市生態(tài)修復、功能完善工程，統(tǒng)籌城市規(guī)劃、建設(shè)、管理，合理確定城市規(guī)模、人口密度、空間結(jié)構(gòu)，促進大中小城市和小城鎮(zhèn)協(xié)調(diào)發(fā)展?！?/p>

據(jù)統(tǒng)計，截至2022 年底，我國城鎮(zhèn)化率達到65.22%，有9.2 億人生活在城鎮(zhèn)，城鎮(zhèn)化快速推進過程中積累了一些矛盾和問題，城市的整體性、系統(tǒng)性、宜居性、包容性逐步和生長性不足，大城市的“城市病”問題突出，不少城市老舊房屋和市政管線存在安全隱患，城市發(fā)展和功能受限制。

“城市更新”勢必會帶來城市建筑群的新建與改造，特別是高層建筑的新建。

上海市錦滄文華酒店位于南京西路，經(jīng)過30 年的發(fā)展，逐漸地不適應(yīng)地理區(qū)位的風貌和建筑設(shè)計要求，因此采用結(jié)構(gòu)拓換的城市更新方式，進行全方位的功能改造和性能提升，建筑功能由酒店轉(zhuǎn)變?yōu)樯虡I(yè)和辦公（如圖1）。原建筑包括主樓和裙房，主樓建筑面積約6 萬平方米，地上30 層，地下一層，屋面高度為99.500m；裙房地上四層。改建過程保持主樓結(jié)構(gòu)總高度不變，建筑結(jié)構(gòu)層高由3.2m 改建為4.5m，共22 層，結(jié)構(gòu)體系由框架-核心筒結(jié)構(gòu)拓換為鋼框架-核心筒，由地下室一層增至四層。

圖1 錦滄文華酒店改造項目

2 高層建筑改造施工現(xiàn)狀與問題

高層建筑與普通工程不同，施工過程有很多挑戰(zhàn)。特別是改造項目，往往具有以下施工難點：①施工規(guī)模大，施工周期長。高層建筑改造周期通常需要2 到3 年甚至更久。因為改造方案的不確定性，往往給施工管理帶來時間和成本壓力。②結(jié)構(gòu)復雜，改造施工難度大。高層建筑的基礎(chǔ)工程因為需要支撐上層建筑，基坑通常較大且深。在改造過程中，施工復雜程度提升。高層建筑一般外觀形式非常奇特，在改造過程中局限性較大，也為改造方案設(shè)計與施工帶來難度。③建筑高度大，材料吊裝風險高。高層建筑體量大，在改造過程中施工材料和設(shè)備多且雜，垂直運輸?shù)墓ぷ髁看?，由于場地狹小，吊裝風險較高。④高層建功能復雜，改造安裝難度大。高層建筑通常集辦公室、酒店、休閑、娛樂和購物功能為一體，大型而復雜。系統(tǒng)不僅包括給排水、暖通、電氣結(jié)構(gòu)，往往涉及智能建筑等現(xiàn)代化系統(tǒng)。新技術(shù)、新設(shè)備的采用和安裝，給項目改造過程帶來難度。⑤邊設(shè)計邊施工，不確定性高。高層建筑因涉及的改造范圍較大，往往設(shè)計方案不確定，可能存在分步設(shè)計和施工的情況，給管理和施工帶來難度，往往出現(xiàn)問題后，由于工期緊急，只能針對問題做相應(yīng)的調(diào)整，靈活性低。

3 BIM 在高層建筑改造施工中的應(yīng)用內(nèi)容設(shè)計

本項目建筑高度99.5m，接近超高層建筑，施工過程復雜且難度大。在本項目改造施工過程中，在結(jié)構(gòu)施工、安裝施工和數(shù)字化應(yīng)用中進行BIM 應(yīng)用設(shè)計，可以對重難點設(shè)計施工方案模擬應(yīng)用，合理判斷方案的可行性，輔助決策，確保施工有序進行。

3.1 基于BIM 的高層建筑改造結(jié)構(gòu)施工應(yīng)用

高層建筑通常為鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計，鋼結(jié)構(gòu)占地少、強度高、拆卸方便，具有較多優(yōu)點，實用性較強。涉及主要鋼結(jié)構(gòu)形式為鋼板墻，截面形式包括H 形、箱形、十字形、圓形等。在本項目的改造目標中，要求改變結(jié)構(gòu)層高，減少層數(shù)，施工難度較大，要重新進行結(jié)構(gòu)設(shè)計。由于項目改造施工工期緊，原有結(jié)構(gòu)和新結(jié)構(gòu)方案的施工方案銜接，如何確保施工安全和設(shè)計合理，極其重要。通過BIM 構(gòu)建原結(jié)構(gòu)，再構(gòu)建新的結(jié)構(gòu)方案，模擬拆除方案，鋼結(jié)構(gòu)施工方案，并對結(jié)構(gòu)方案進行合理性驗證，可確保項目設(shè)計方案可靠，施工方案合理可行。

3.2 基于BIM 的高層建筑改造安裝施工應(yīng)用

高層建筑的系統(tǒng)較一般建筑多且復雜，且安裝需要滿足造型設(shè)計。本項目為酒店功能轉(zhuǎn)變?yōu)樯虡I(yè)和辦公功能，系統(tǒng)多且安裝繁雜。商業(yè)和辦公的使用體驗注重感官視覺，凈高及視線比較重要。通過BIM 的可視化特性，在安裝施工前進行管線綜合，應(yīng)用BIM 模型出具二維圖紙，指導安裝，精確控制凈高。同時，在1:1 的BIM 環(huán)境下，進行安裝后的視線漫游模擬分析，有助于提前發(fā)現(xiàn)問題，確保最佳的使用體驗。本項目具有裙房，且地理位置處于繁華地段，對屋面、電梯等空間的視線模擬分析，對于項目方案的優(yōu)越性具有重要的作用。更加符合“城市更新”的目標。

3.3 基于BIM 的高層建筑改造數(shù)字化應(yīng)用

BIM 在城市數(shù)字化中的應(yīng)用在不斷發(fā)展。在本項目的改造施工過程中，構(gòu)建數(shù)字化管理和應(yīng)用方案，對后續(xù)的運維階段應(yīng)用，城市的數(shù)字化建設(shè)，具有很高的意義。在項目設(shè)計方案和施工過程中，通過數(shù)字化掃描技術(shù)，構(gòu)建原建筑的3D 模型，在BIM 模型中輸入數(shù)據(jù)信息，構(gòu)建監(jiān)測模型，對施工過程進行數(shù)字化管控，實現(xiàn)數(shù)字化監(jiān)控與管理。

4 BIM 在高層建筑施工中的應(yīng)用

4.1 BIM 在高層建筑結(jié)構(gòu)施工中的應(yīng)用

4.1.1 基于BIM 的高層建筑結(jié)構(gòu)拓換技術(shù)

既有高層建筑結(jié)構(gòu)拓換的技術(shù)特點為老結(jié)構(gòu)的拆除與新結(jié)構(gòu)的建立穿插實施，新老結(jié)構(gòu)體系通過構(gòu)件置換完成過渡轉(zhuǎn)換。錦滄文華酒店新老結(jié)構(gòu)體系特定的空間關(guān)系，提出了基于半永久過渡體系的結(jié)構(gòu)置換技術(shù)體系，其結(jié)構(gòu)改造的核心方案：先將原建筑部分構(gòu)件拆除，為新結(jié)構(gòu)豎向構(gòu)件和部分水平結(jié)構(gòu)的施工創(chuàng)造條件，施工新結(jié)構(gòu)的豎向構(gòu)件和部分水平樓層形成過渡體系，并與原剩余結(jié)構(gòu)空間并存；而后再將剩余老結(jié)構(gòu)拆除；最后施工的新建筑結(jié)構(gòu)部分從而形成新結(jié)構(gòu)體系的整體轉(zhuǎn)換（如圖2）。

圖2 錦滄文華酒店結(jié)構(gòu)拓換體系示意圖

高層建筑結(jié)構(gòu)改造是一項復雜的系統(tǒng)性工程，尤其在結(jié)構(gòu)改動較大的情況下，技術(shù)路線的確定具有相當?shù)膹碗s性。改造過程和施工必須經(jīng)過論證與評估的兩方面綜合考慮。

4.1.2 基于BIM 模型的受力分析及穩(wěn)定性驗算

與新建工程不同，既有高層建筑結(jié)構(gòu)改造過程中新、老建筑受力特點均屬于瞬變結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)體系的最薄弱環(huán)節(jié)往往發(fā)生在拆除過程中而不是新建中，拆除路線的設(shè)計不僅時刻關(guān)注改造完成狀態(tài)時的結(jié)構(gòu)安全，更加要注重過程中過渡結(jié)構(gòu)體系的安全元素。在將第一階段拆除和加固過程中，塔樓拆除過程屬于邊拆邊加固的過程，施工過程中隨著結(jié)構(gòu)的拆除造成老結(jié)構(gòu)混凝土建筑逐漸薄弱起來。此同時還需要在相應(yīng)的位置固定臨時鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件，從而容易造成結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。利用計算機系統(tǒng)中BIM 模型及動態(tài)仿真將從頂層至基礎(chǔ)拆除過程中每一個構(gòu)件的受力分析及余留結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性進行模擬，往往在實際施工過程中，拆除過程與加固過程同步進行（如圖3）。

圖3 結(jié)構(gòu)拆除過程中的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析

4.1.3 基于BIM 模型的施工技術(shù)可行性分析

建筑改造有各種各樣的客觀因素和限制條件，方案的落地必須充分考慮其現(xiàn)場可操作性，場地條件、操作界面、技術(shù)工藝、安全措施、設(shè)備資源等因素都會成為影響施工技術(shù)路線實現(xiàn)的因素。項目結(jié)構(gòu)拓換及加固采用鋼結(jié)構(gòu)形式，鋼結(jié)構(gòu)施工始終貫穿于混凝土結(jié)構(gòu)拆除過程中，如何確保鋼梁、鋼柱以及鋼支撐的順利吊裝是施工過程中面臨的重大難點。

第一階段鋼結(jié)構(gòu)加固過程中每層新增鋼柱36 根（主樓22 根，三角區(qū)1414 根），截面最大尺寸□1250*700*70*70，重量重達G=12.7t。在“滿目瘡痍”的混凝土結(jié)構(gòu)與腳手架之間吊裝鋼柱、鋼支撐經(jīng)過嚴格的工序模擬。利用于BIM 模型的可視化特點，首先進行拆除與加固模型碰撞檢查（如圖4）進行驗算加固模型的調(diào)整，然后模擬實際工況將混凝土結(jié)構(gòu)中拆除洞口、腳手架敷設(shè)可視化在模型中并進行虛擬吊裝模擬驗證可行性（如圖5）。

圖4 拆除結(jié)構(gòu)與結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)模型碰撞檢查

圖5 工況吊裝模擬及影響分析

4.2 BIM 在高層建筑施工安裝中的應(yīng)用

4.2.1 基于BIM 技術(shù)的管線深化及視線分析

城市更新目的就是針對城市建成區(qū)城市空間形態(tài)和功能進行整治、優(yōu)化、改善，實現(xiàn)房屋使用、市政設(shè)施、公共建設(shè)配套等完善。錦滄文華酒店從原有標準層高3.2m 改造的新標準層高4.5m，改造的目的就是取得更好地舒適體驗，為了更有效的、更節(jié)約的利用空間管線，利用BIM技術(shù)針對內(nèi)部建筑綜合管線深化設(shè)計進行合理設(shè)置。

4.2.2 基于BIM 的綜合管線深化設(shè)計

結(jié)構(gòu)拓換后的建筑為鋼結(jié)構(gòu)工程比混凝土結(jié)構(gòu)有比較多的支撐構(gòu)件，而傳統(tǒng)的該項目加第二次加固過程中因部分受力鋼構(gòu)重復利用未進行拆除，從而導致管線深化設(shè)計過程中綜合區(qū)域無法進行排布管線，利用BIM 模型將風口、燈槽、風機末端設(shè)置于鋼梁縫隙（如圖6），從而有效的合理的避開鋼結(jié)構(gòu)進而控制凈高。

圖6 裙房商業(yè)1-4F 綜合管線深化模型

4.2.3 基于BIM 的典型位置視線分析

項目位于上海市南京西路，周邊依舊是大量的城市綜合體及文物風貌建筑，錦滄文華酒店改造過程同時應(yīng)注重裙房屋面設(shè)備及電梯井道的高度及視線分析情況。依據(jù)項目設(shè)計部關(guān)于視線討論分析（如圖7），確定約20 個視線分析點和4 個總鳥瞰點，用于分析裙房商業(yè)屋面層設(shè)備突起情況，其中最遠距離到達南京東路與銅仁路路口，裙房設(shè)備層施工方案符合視線要求。

圖7 南京西路屋面設(shè)備柵欄視角分析

4.2.4 基于BIM 的地下室停車位漫游分析

南京西路隸屬于繁華地段，地下室建筑空間緊張造成項目設(shè)計本身停車位方案不足，利用BIM 模型將管線深化及完成面可視化的漫游展示（如圖8），經(jīng)過多次與設(shè)計院討論修改，增加車位達到約20 輛。

圖8 地下室停車方案漫游分析

4.3 BIM 在高層建筑施工中的數(shù)字化動態(tài)應(yīng)用

錦滄文華酒店改造工程作為典型的城市更新項目，和新建工程具有“設(shè)計信息完備、材料檢測充足”的條件并不一致，30 年前的手繪圖紙見證了時代的發(fā)展。結(jié)合現(xiàn)代化、數(shù)字化的技術(shù)在建筑數(shù)據(jù)復原、既有結(jié)構(gòu)受力分析、精細化材料管理等多方面的工具更大化的滿足項目。

4.3.1 BIM+3D 掃描技術(shù)

項目改造過程中既時刻進行地下室范圍糾偏調(diào)整，又要確保地上、地下合理的同時施工。采樣傳統(tǒng)建筑數(shù)據(jù)重建分析方法人工采用水準儀、全站儀等工具進行實測實量法具造成工作量大、效率較低?；谌S掃描與BIM 的地下連續(xù)墻與結(jié)構(gòu)外墻碰撞分析技術(shù)，通過3D 掃描技術(shù)獲取施工現(xiàn)場初始實際三維信息數(shù)據(jù)，將三維點云模型與BIM 設(shè)計模型高精度拼接，通過偏差色譜分析判別地下連續(xù)墻與結(jié)構(gòu)外墻碰撞情況，并將分析結(jié)果反饋給施工現(xiàn)場指導后續(xù)施工（如圖9）。提供高精度、高效率的數(shù)據(jù)模型重建與校核。

圖9 地下連續(xù)墻與外墻偏差色譜分析圖

4.3.2 BIM+信息監(jiān)測平臺

該項目共有兩個拆除階段和兩個加固階段，每一個階段都有混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)穿插，設(shè)計過程的模擬與分析僅是在實際結(jié)構(gòu)簡化基礎(chǔ)上進行分析計算，分析結(jié)果與實際情況往往存在一定程度的差異。因此，應(yīng)在施工過程模擬分析的基礎(chǔ)上，重視施工過程的監(jiān)測，通過監(jiān)測數(shù)據(jù)反饋和預警，為設(shè)計過程中的數(shù)據(jù)進行驗算，為項目技術(shù)和措施的調(diào)整提供決策依據(jù)。在基坑工程與結(jié)構(gòu)置換改造過程利用基于BIM 與信息化監(jiān)測平臺的結(jié)合，實現(xiàn)了模型終端展示、監(jiān)測數(shù)據(jù)自動上傳、預警提升、過程資料管理管控（如圖10）。

圖10 BIM+信息監(jiān)測平臺中監(jiān)測點位與終端顯示

5 結(jié)語

既有建筑的改造復雜且難度大，特別是高層建筑的改造，更加提升了施工管理的難度。基于BIM 的研究基礎(chǔ)，在結(jié)構(gòu)施工、安裝施工和數(shù)字化應(yīng)用過程中，設(shè)計應(yīng)用內(nèi)容并進行實踐，在結(jié)構(gòu)拆除和受力分析、安裝可視化應(yīng)用、視線分析、數(shù)字化應(yīng)用等方面，取得了良好的應(yīng)用效果。

未來在高層建筑的改造施工過程中，可進一步研究BIM 的應(yīng)用，如在一些深化設(shè)計和施工方案中，進行模擬和應(yīng)用，如高層建筑的幕墻改造、內(nèi)部裝飾改造、進度管理等方面，可為施工進度和質(zhì)量管理提供更多的優(yōu)化方案。