超高层建筑主体结构地下部分顺作法优化设计中的BIM技术应用研究

李 毅，周宏伟，陈 宇，康庄道（昆明建设咨询监理有限公司， 云南 昆明 650228）

0 引 言

建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）的提出和发展对建筑业的科技进步产生了重大影响。应用 BIM 技术可望大幅度提高建筑工程的集成化和效率，促进建筑业生产方式的转变，提高投资、设计、施工乃至整个工程生命期的质量和效率，提升科学决策管理水平。在投资方面，有助于业主提升对整个项目的控制能力和科学管理水平，提高效率，缩短工期，降低投资风险；在设计方面，可以强化设计协调，促进设计效率和设计质量的提升；在施工方面，支撑工业化建造和绿色施工，优化施工方案，促进工程项目实现精细化管理，提高工程质量，降低成本和安全风险[1]。

在应用过程中，结合工程项目体量大、专业多、协调工作复杂的特点，可以实施集标准规范、协同流程、针对性方案以及深化成果于一体的 BIM 技术深化设计模式和管理流程。这样不但能保证基于 BIM 技术深化设计的有效实施，而且还能将建设单位、设计、总包和分包等各参与单位的沟通协作统一在 BIM 模型提供的三维平台上进行，为项目开创了一种全新的技术管理模式，提升了项目部的整体管理水平。尤其是在设计和施工的衔接方面，传统的二维图纸无法完全将复杂结构的建筑信息表达清楚，而 BIM模型则能更直观地将二维图纸上不易清楚表达的复杂信息呈现出来，从而用精细化的手段为企业带来更大的价值[2]。

在本项目地下工程实施的前期，分别对基坑设计施工图纸和主体建筑初步设计图纸全面阅读的基础上，用准确的基础数据分类建立信息模型，借助软件碰撞检查功能，形成实体模型参数，完成临时结构与永久结构之间的构件碰撞检查工作，查找碰撞点或面并输出碰撞报告，为不拆除基坑内支撑体系工况下进行地下主体结构施工的方案优化创造了条件，为建设单位和设计单位提供决策依据，实现了经济效益、社会效益、环境效益的和谐统一。

1 工程概况

1.1 基本情况

本超高层建筑位于昆明 CBD 核心区，场地为拓东路、盘龙江、东风东路、北京路所围合，地上总建筑面积455 872.39 m2。5 层满堂地下室，建筑面积为 129 730.37 m2，另有 110 kV 变电站，建筑面积 6 876 m2，地下 3 层。本工程基坑呈不规则多边形，东西宽 134 m～170 m，南北长近248 m，设计安全等级为 1 级，基坑内支撑结构的设计使用年限为 2 a，地下连续墙与主体地下结构外墙两墙合一，设计使用年限 50 a。基坑总面积为 33 389.12 m2，周长为857 m，基坑深度为 22.6 m，其中 110 kV 变电站基坑面积为 2 537.11 m2，该局部基坑深度为 19.2 m。基坑内支撑体系由竖向钢格构柱和 3 道水平混凝土梁组成，另有一个 175 m长运输栈桥。土方开挖总量 74.5 万 m3。

1.2 周边建构筑物概况

（1）东侧。①文物保护建筑陈香梅故居，2 层砖木结构，天然浅基础，与坑边最近距离 12.8 m；②地铁风井，已建成并使用，地下 1 层，多跨箱型钢混结构，深度 9.75 m，最近距离 5.87 m；③文物保护建筑朱氏住宅楼，3 层砖木结构，天然浅基础，最近距离 5.27 m；④天主教堂，长边临基坑，地上 14 层地下 3 层，桩基础，在建待验收，最近距离 4 m；⑤中国大地保险云南公司大楼，长边临基坑，地上 24 层地下 2 层，桩基础，在使用，最近距离 17.33 m；⑥地铁 2 号线最近的区间长度 133 m（DK11+559～DK11+692），已投入使用，地下 1 层为站厅层，地下 2 层为轨道层，其范围内还有 W3 号出入口、D 组、C 组风亭等附属结构，基坑与地铁主体结构最小距离28.1 m，基坑与风亭最小距离 6.87 m。

（2）南侧。①地铁 6 号线二期工程塘子巷站，地下钢混结构深度 32.7 m，最近距离 24.15 m；②地下主体建筑紧邻正在建设的地铁值机大厅。

（3）西侧。盘龙江，最近距离 24.15 m。管线主要集中在西侧：DN500 污水混凝土管，埋深 1.2 m，最近距离 6.83 m；DN1200 污水混凝土管，埋深 7 m，最近距离 4.22 m；DN500 雨水混凝土管，埋深 1.62 m，最近距离 7.86 m；300×200 电信塑料管，埋深 1.1 m，最近距离 12.93 m。

（4）北侧。地下主体建筑紧邻未来东风广场大型地下商场。

1.3 地下连续墙概况

地下连续墙共分为 161 幅，标准幅宽 5 500 mm，厚度均为 1 000 mm，混凝土设计标号 C35，水下灌注，混凝土总方量为 39 019 m3，其中抗渗等级 P10 混凝土 32 544 m3，抗渗等级 P8（用于变电站）混凝土 6 475 m3。本工程 ±0.000标高相当于 1 893.200，基坑周边平均高程为 1 892.500。支护方式如下。

（1）东侧。LQ035～LQ089，自然地面以下 1 m 深度范围利用导墙兼做挡土墙；1 m 深度以下采用地下连续墙。深度为 43.2 m～45.5 m，墙底标高 1 848.300 ～1 846.000。

（2）南侧。LQ089～LQ0113，自然地面以下 1.2 m深度范围利用导墙兼做挡土墙；1.2 m 深度以下采用地下连续墙。深度为 43.91 m，墙底标高 1 847.388。

（3）西侧。LQ113～LQ161，自然地面以下 4 m 深度范围为喷锚支护；4 m 深度以下采用地下连续墙。深度为 40.2 m，墙底标高 1 848.300；盘龙江河床标高为1 887.420。

（4）北侧。LQ001～LQ035，自然地面以下 4 m 深度范围为喷锚支护；4 m 深度以下采用地下连续墙。深度为42.5 m，墙底标高 1 846.000。

1.4 地下主体结构概况

建筑分类为 1 类（超）高层公共建筑，建筑耐火等级（包括地下室）1 级，结构设计使用年限 50 a，结构抗震设防为乙类建筑，按 8 度设防。主要结构类型：裙房采用带耗能支撑钢框架结构体系，主塔采用带支撑框架-核心筒结构体系。地下室防水等级 2 级，局部（变电站、弱电机房、人防区域）1 级。5 层地下空间（B1～B5）：地下 1层主要为商业空间，局部设备机房；地下 2 层包括酒店后勤空间、商业后勤空间、卸货区、机动车、非机动车停车以及局部设备机房；地下 1 层及地下 2 层直接通往位于项目场地南侧的机场快线及北侧的地铁站；地下 3 层～ 5 层为机动车及非机动车停车场。按照有关部门意见，在地下3 层～地下 5 层，结合非机动车停车库，设置平战结合人防掩蔽体，战时为常 6 级 2 等人防掩蔽部和人防电站，人防面积 14 228.30 m2。

2 施工难点分析

2.1 基坑安全要求高

本工程为 400 m 以上超高层建筑，基坑面积、深度、挖土方量、地下建筑面积、地连墙与支撑、降水井、塔吊、监测检测等各个方面均超出一般的高层建筑工程，基坑周边密布重点文物保护建筑、高层建筑、市政基础设施、地铁干线、城市河流、城市干道，还涉及到原地下排洪沟渠的改造和托换、原地下工程的拆除等，因此本工程地下部分的实施是一个复杂的系统工程。如果按照常规的施工组织设计，势必带来施工周期延长、安全风险难以控制等一系列问题。如何深入研究每个工序的搭接，最大限度地进行技术上的优化，不仅是重要的，而且是必要的。基坑支护方案与主体建筑的设计施工图分属省外两家不同的设计单位，地下 110 kV 变电站由本地专业单位设计，基坑支护、桩基工程施工与主体建筑施工是分段招标，分属一个专业分包单位和一个总包单位，这给项目的管理也提出了新的课题。

2.2 施工难度大

基坑以内、圆环以外的水平投影面积为 17 727.6 m2，此范围内共有主体竖向结构柱 256 根，其中，钢筋混凝土柱 126 根，型钢混凝土柱 43 根，钢筋混凝土扶壁柱 87根。由于变电站部分为专业单位设计，为地下 3 层，屋面结构整层与第一道支撑梁竖向碰撞，因此采用顺作法施工，该局部的独立结构柱并未计入其中。经过计算，基坑范围内还设有 161 口降排水井，其中，疏干井 129口，井深 25 m～28 m；降压井 32 口，井深 36 m。内支撑格构柱共 251 根，格构柱为型钢柱，分为 600×600 和450×450 两种断面，其中格构桩基与工程桩共用 100 根。水平支撑分为 3 道，第一道顶标高为 -4.700，圆环梁截面 2 600×800，主梁截面 1 000×800，腰梁截面1 000×800，混凝土方量 7 213 m3，钢筋用量 1 676 t；第二道顶标高为 -11.150，圆环梁截面 3 200×1 000，主梁截面 1 200×1 200，腰梁截面 2 100×1 200，混凝土方量 10 674 m3，钢筋用量 2 053 t；第三道顶标高为 -15.950，圆环梁截面 3 200×1 200，主梁截面 1 200×1 200，腰梁截面 2 100 ×1 200，混凝土方量 11 342 m3，钢筋用量 2 147 t。

2.3 设计要求特殊

基础底板厚度分别为 5 500 mm、3 600 mm、1 500 mm、1 200 mm，面积达 32 532 m2，地下主体结构柱型钢要求通长整体一次性吊装就位，5 层地下室平均每层建筑面积27 656 m2，另需执行 ANSI/AISC 360—10《钢结构建筑设计规范》、FEMA 274/365《抗震加固设计标准》。基坑内支撑体系设计对施工与拆除工况的要求复杂，尤其是安全性要求很高。

2.4 顺逆作法分析

多层地下室采用常规的“正作法”施工方法，其总工期为地下结构工期、地上结构工期，再加上装修等所占工期。而采用“逆作法”进行多层地下室施工，一般情况下地下结构只有第一层占用绝对工期，其他各层与地上结构同时施工，并不占用绝对工期，因此总工期可缩短，可加快施工速度。工程实践证明：利用地下连续墙和中间支承柱进行“逆作法”施工，对市区建筑密度大、邻近建筑物及周边环境沉降敏感、施工场地狭窄、施工工期紧、软土地基大面积、3 层或多于 3 层的地下室结构施工是十分有效的[3]。鉴于本工程各方面的条件，按照原设计采用“正作法”或直接改用“逆作法”施工，均不能取得理想的效果和经济与技术上的平衡，在分析正逆作法适用性的基础上，经过反复计算和方案比选，借用逆作法的原理，结合正作法的优点，可避免重叠占用绝对工期而又能改善换撑条件，使业主裙楼（地上 9 层）部分提前开业的里程碑目标的实现成为可能。

3 解决过程及方案

本工程基坑超大超深且不规则，内支撑系统采用圆形支撑形式；主体结构 5 层地下室的近 2 000 根梁中一半排布走向不规则，大量斜板、升板、降板；还包含地下 3 层含夹层的 110 kV 变电站、1 条雨水箱涵和 1 座长运输栈桥。极其复杂的结构关系通过人脑根本无法想象其空间位置关系，利用二维图纸及人工计算也无法系统、全面地排查出碰撞点，合理制定施工工序及提前制定应对措施。为确保项目顺利实施，施工质量及安全保障，降低投资成本，采用 BIM 技术建立模型提前介入，使得调整结构设计、优化支护方案成为可能（见图 1）。

图 1 碰撞检查模型

3.1 软件选取方案

模型绘制、出图：Autodesk Revit；进度及施工方案：Autodesk Naviswoeks；工程算量：广联达 BIM5D；二维图纸处理：Autodesk AutoCAD。

3.2 实施流程

模型建立→图纸校对→施工图纸修改→模型复核→碰撞检查结果→识别有效碰撞→研究碰撞解决方案→复核碰撞结果→施工图纸修改→确定施工方案。

3.3 碰撞检查结果

通过基坑模型、内支撑系统模型、地下室主体结构模型、110 kV 变电站结构模型及雨水箱涵模型，共进行了九大项碰撞检查，实现地下室结构模型与基坑支护结构的碰撞识别。如主体地下室结构柱与基坑三道内支撑梁碰撞、主体地下室结构梁与基坑三道内支撑梁碰撞、基坑腰梁和环梁与地下室主体结构碰撞、基坑三道内支撑与 110 kV 变电站碰撞、地下室主体结构与雨水箱涵碰撞等。通过识别有效碰撞后，根据碰撞间距、碰撞位置等对碰撞点进行同类型归类统计，便于研究碰撞解决方案。

主体地下独立结构柱与基坑内支撑梁碰撞点共 270处，主体地下结构扶壁柱与基坑支撑腰梁碰撞点 147 处，其中第一道支撑独立柱碰撞点 72 处；第二道支撑独立柱碰撞点 99 处，扶壁柱碰撞点 87 处；第三道支撑独立柱碰撞点 99 处，扶壁柱碰撞点 87 处，其中完全碰撞 106 个，局部碰撞 164（见图 2）。地下 2 层楼板降板区与第一道支撑碰撞面积 765 m2，地下消防水池与第一道支撑碰撞。

图 2 碰撞检查结果模型图例

3.4 碰撞解决方案

（1）支撑主梁加宽，增设圆形钢套管（内径 800 mm），主筋打孔穿过圆洞，混凝土浇灌，型钢柱或混凝土结构柱施工时，打开圆洞混凝土并切断钢筋。

（2）支撑环梁上增设圆形钢套管（内径 1 232 mm），主筋钻孔穿过，混凝土浇灌，型钢混凝土柱施工时，打开圆洞混凝土并切断钢筋（见图 3）。

（3）混凝土结构柱与支撑梁局部碰撞时，有条件破除，基础筏板整体形成且混凝土强度达到 85% 后，破除第三道支撑节点混凝土及切断钢筋，地下四层楼板整体形成且混凝土强度达到 85% 后，破除第二道支撑节点混凝土及切断钢筋。

（4）第二道、第三道支撑腰梁加宽，增设构造钢筋，竖向开洞（见图 4），结构四周扶壁柱施工时直接穿过。

（5）加厚水平支撑板上留圆洞，结构柱直接穿过，结构柱与支撑次梁局部碰撞时，结构柱施工时直接破除。

（6）型钢结构柱与环梁局部碰撞时，采用 DN600（厚12 mm）钢管托换，楼面结构柱节点后施工。

（7）型钢柱与支撑次梁碰撞时，次梁改道避让结构柱。

（8）降低第二道内支撑面标高 0.15 m，避免地下 2 层楼板轴线结构主梁整层梁底碰撞。

（9）水平栈桥板上分舱开孔，使得其下结构楼板有施工的空间。

（10）结构楼板局部降板范围较小且处在水平支撑梁系受力较小的部位，先局部拆除支撑再施工楼板及结构梁。

（11）地下 1 层周边结构外墙（基坑喷锚支护）改为支承于地下连续墙冠梁顶部，地下 1 层内凸扶壁柱全部改成暗柱。

（12）调整降排水方案的井位布置。

（13）基坑及桩基施工塔吊与地下主体结构施工塔吊合二为一。

（14）压缩 110 kV 变电站地下 1～3 层层高，调低地下室顶板 0.5 m。

图 3 环梁碰撞处理

图 4 腰梁碰撞处理

3.5 施工主要流程

地下连续墙→第一层土开挖→工程桩施打→内支撑格构柱→第一道水平支撑→降排水井→第二层土开挖→第二道水平支撑→第三层土开挖→第三道水平支撑→第四层土开挖→主体结构底板→结构钢柱吊装定位→地下 2 层楼面→拆除第三道水平支撑→地下 3 层楼面→地下 2 层楼面→拆除第二道水平支撑→地下 1 层楼板→拆除第一道水平支撑→地下 1 层顶板→上部结构。

4 结 语

目前，我国建筑业普遍存在技术基础薄弱、产业化程度低、管理落后等问题，这与当前建筑业的蓬勃发展存在着较大的反差。与此同时，建筑业现代化的行业机制尚未完全建立和形成，因此在建筑业中推广应用新技术、新材料、新工艺对于提高建筑业产业效率、促进传统技术水平革新、培养和重塑企业的核心竞争力、增强国民经济发展都具有重要意义[3]。现代大型建设项目一般都具有投资大、建设周期长、参建单位众多、项目功能要求高以及全寿命周期信息量大等特点，建设项目设计以及工程管理工作极具复杂性，传统的信息沟通和管理方式已远远不能满足要求。随着 BIM 技术在建筑业的逐步发展与应用，为大型建筑工程建设项目提供了实现设计、施工一体化的良好技术平台和解决思路，为建设领域目前存在的协调性差、整体性不强等问题提供借鉴，从而为超高层建筑地下工程工期、质量、安全、环境、成本五大目标相互关系的协调和改善探索新的途径，在项目管理和施工技术方面有所突破。