[摘要] 中国尊大厦为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，项目建设全过程中应用BIM技术，有效提高设计质量和效率，提升项目管理水平，促进项目节能减排绿色环保。
中国尊大厦即北京中信大厦，北京市朝阳区CBD核心区Z15地块项目，西侧与北京目前最高的建筑国贸三期对望，集办公、多功能中心等功能于一体。项目施工总承包单位为中国建筑股份有限公司和中建三局集团有限公司联合体，工程为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。项目于2013年7月开工建设，2019年底顺利通过竣工验收。
一起来看看该项目的BIM技术应用。
一、项目难点
(1)工期紧张：本项目工期仅为62个月，在同类超高层项目中工期最短。建筑功能复杂且专业单位众多，对工程的进度计划管理提出非常高的要求。
(2)工艺复杂：土建、钢结构、装饰装修、机电专业等都存在设计复杂节点的问题，施工工艺超常规且存在多专业间的相互影响。
(3)参建方多、协调难度大：本工程为超高大型项目，施工过程多专业、多工种的交叉设计、施工管理、立体作业情况十分普遍，给施工总承包单位的协调管理工作带来较大难度。
(4)品质要求高：考虑到大厦未来的用途和定位，建设方对品质要求非常高。在满足功能的基础上，对细节的高标准使得大厦设计和施工过程优化工作量大大增加，并需要采用预制化的手段提高品质。
二、应用目标
中国尊大厦项目采用全生命期的BIM应用，按照设计阶段全面介入、施工阶段深度应用、运维阶段增值创效的理念，减少规划、设计、建造、运营等各个环节之间沟通障碍，提高效率、节约成本、减少拆改。
三、工程概况
北京中央商务区核心区的标志性超高层建筑项目——中国尊大厦，工程场地位于北京市朝阳区东三环北京商务中心区(CBD)核心区Z15地块，建筑面积约43.7万m2(地上约35万m2，地下约8.7万m2)。主要建筑功能为办公、观光和商业。该塔楼地上108层，地下7层(局部设夹层)，建筑高度528m，外轮廓尺寸从底部的78m×78m向上渐收紧至54m×54m，再向上渐放大至顶部的59m×59m，似古代酒器“樽”而得名，建筑效果图如图1所示。
图1 中国尊大厦
工程主要结构体系由外框筒和核心筒组成，其中外框筒由巨型柱、巨型斜撑、转换桁架以及次框架组成。巨型柱位于塔楼角部，贯通至结构顶部，并在各区段分别与转换桁架、巨型斜撑连接。巨型柱底部截面形状为多边形，中部及上部为矩形，采用多腔钢管混凝土柱。在设备层及避难层共设置8道转换桁架，其杆件截面采用焊接箱形截面。巨型斜撑沿各区外皮设置，也为焊接箱形截面。次框架包括重力柱和外环梁，均为焊接H形截面，其仅承担本区重力荷载，不参与整体抗侧。
四、巨型外框筒建筑-结构一体化设计
中国尊大厦外轮廓的水平截面形状为倒圆角的正方形，并沿着高度平滑收放，其外完成面几何控制尺寸见图2。巨型外框筒的外控制面采用分段折面的形式，既可以较好控制巨型外框筒与建筑外完成面的距离，又可降低结构自身的加工难度。
图2 外完成面几何控制尺寸
巨型柱从基础顶面(-31.3m)至106层(503.2m)的截面形式根据一定的规则进行变化，其具有三种截面形式：1)7层以下(-31.3～43.15m)为4根八边形截面，截面面积约为63.9m2;2)7~19层(43.15～98.65m)为8根六边形截面，截面面积约为19.5～21.3m2;3)19~106层(98.65～503.2m)为8根矩形截面，截面面积约为19.2～2.56m2。巨型柱共设置12个控制转折标高，具体见表1。
为使结构受力最优，要求12个控制转折标高位置对应的巨型柱截面形心都位于竖直面γ内，此面与水平或竖直夹角为27°，如图3所示。
图3 巨型柱截面示意
综合巨型柱12个控制转折标高位置截面形心共于竖直面γ内、角点(P，P′点)连续、每层巨型柱角点与外完成面的距离不小于500mm(底部为1200mm)等3个条件，最终确定巨型柱的几何定位。其俯视定位图如图4所示。
图4 巨型柱俯视定位图
在确定外框筒外控制面及巨型柱外轮廓后，可以确定转换桁架、巨型斜撑及次框架等定位。此处控制的目的是各构件之间的连接要做到平齐对接，避免出现错边，并且方便加工和安装。整个塔楼由8道转换桁架分成了9个区段，每个区段生成的规则是一致的，不同的只是巨型柱倾斜的程度，本节仅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
转换桁架、巨型斜撑及次框架的外皮均与外框筒外控制面平齐。转换桁架弦杆、巨型斜撑等构件与巨型柱连接位置均需要设置水平加劲肋，且结合与巨型柱转折标高位置的关系，转换桁架弦杆的截面形式控制为平行四边形截面(图6(a))，而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
例如截面尺寸为800×700，表示截面垂直高度为800mm，沿水平向宽度为700mm，此截面定义规则可认为由相距800mm的一对水平面和平行于巨型柱外控制面、水平距离(非垂直距离，下同)为700mm的一对斜面，所围区域作为弦杆轮廓尺寸。
转换桁架腹杆的截面定义规则也参照弦杆的截面定义规则，例如截面为900×700的斜腹杆，由相距900mm平行于腹杆轴线，且都垂直于竖直面的一对斜面和平行于巨型柱外完成面、水平距离为700mm的另一对斜面，所围区域作为斜腹杆轮廓尺寸。角部桁架弦杆与腹杆的生成规则与转换桁架的生成规则也基本一致。
巨型斜撑的生成规则与转换桁架腹杆的生成规则类似。略有不同的是转换桁架的斜腹杆、弦杆与巨型斜撑轴线交点标高与外框筒转折标高不在同一标高(相差半个弦杆高)(图7)。为避开上述问题，巨型斜撑截面生成方案按如下方案进行：例如1 600×900截面，取平行于巨型斜撑轴线、相距1 600mm且垂直于竖直面的一对斜面，和平行于下轮廓面、水平距离为900mm的一对斜面，所围区域作为巨型斜撑轮廓尺寸。
图7 巨型斜撑节点定位示意
次框架的空间定位主要以分析重力柱为主。重力柱的定位与幕墙玻璃分格对应，幕墙分格规则则是以外完成面为基础，按照加强层建筑完成面标高水平剖切出其对应的幕墙轮廓线，等分为128份(图8)，进而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个分格点取一格点再投影到转换桁架上弦、下弦中心线上。连接相邻两道转换桁架上、下弦的交点即为重力柱中心线定位，连接每道转换桁架上、下弦的交点即为转换桁架竖腹杆中心线定位。在确定重力柱轴线定位之后，以平行于轴向且垂直于竖直面的一对斜面与平行于外框筒外完成面的一对斜面所围区域作为重力柱外轮廓，重力柱采用焊接H形截面，以便施工。
整个外框筒结构构件的截面生成规则可以用如下模型进行形象说明：剪切刚度很小而弯曲刚度很大的结构，在一对水平力作用下，发生剪切变形之后的形状，作为中国尊大厦外框筒结构的构件截面的主要形式，而确定截面倾斜的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
五、桩筏基础设计
工程基础形式为桩筏基础。桩筏体系可理解为是地基土-桩-筏板相互作用的一个有机整体。本工程桩基础设计使用年限为50年，耐久性100年;建筑桩基设计等级甲级，安全等级为一级;主要抗震性能目标为桩身强度满足中震弹性和大震不屈服要求。工程桩主要包括三种类型：位于核心筒和巨型柱下P1型(桩径1 200mm、桩长44.6m);塔楼下其他区域P2型(桩径1 000mm、桩长40.1m);塔楼与纯地下室间过渡桩P3型(桩径1 000mm、桩长26.1m，为边缘过渡桩)，桩位布置见图10。
图10 桩位布置
工程桩P1和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。所有工程桩均采用桩侧桩端组合后注浆工艺。
桩筏基础设计总体思路：考虑桩筏协同作用(图11)，按变形控制条件合理选择桩端持力层，优化设计桩长、桩径和桩间距。桩基础结构设计计算应考虑上部结构、筏板基础和地基(桩与土)共同作用分析。经过反复比选，最终将超高层主塔楼与裙房之间的沉降后浇带予以取消，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。
数值分析得出的基底反力在主楼区域约为150kPa;上部结构传递到基础底面的平均压力值约1200kPa;桩间土承担的荷载约为总荷载的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
全部工程基桩施工完成以后，通过单桩静载荷试验进行了工程桩承载力检验，其Q-s曲线如图13所示。检测结果表明桩基施工质量良好，100%为Ⅰ类桩，为实现设计构想奠定了坚实的基础。
图13 工程桩Q-s曲线
六、BIM在“中国尊”中的应用
1、BIM应用内容
以解决问题、创造效益、减少浪费为基本出发点，项目各参建单位从全过程的BIM工作入手，践行了一系列BIM应用。项目施工阶段在常规BIM应用基础之上，团队创新了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、全方位的三维扫描等深度应用。
(1)图纸审核及优化：与传统二维图纸审核配合，交叉审核图纸并进行改进。
(2)BIM深化设计：基于BIM模型进行各个专业的二维与三维之间的校核，以及各专业之间的三维综合协调。
(3)综合协调与碰撞检查：在现场施工前对复杂节点进行综合协调与碰撞检查。
(4)施工模拟：选择重要且有必要的施工方案和重点部位进行工艺和进度模拟。
(5)预制化建造：高精度的BIM模型可以直接与工厂预制化加工结合。
(6)BIM+三维激光扫描：做BIM+三维扫描的应用尝试。
(7)轻量化应用：探索基于BIM技术的现场指导施工和验收方式。
(8)基于BIM模型的智慧运维：实现完整的集成化BIM运维平台管理。
2、BIM应用策划
(1)软件选取方案：项目以Autodesk公司系列软件为基础软件平台，同时为配合钢结构、幕墙、装饰等专业的特殊需求，在部分区域用Tekla、T-fas、Rhino等软件进行建模。最终所有专业模型需要导入Navisworks轻量化平台进行综合应用。
(2)组织架构与分工：在施工阶段，由于分包单位众多，施工总承包单位专门设置BIM管理部并牵头组织项目BIM工作，对各分包进行BIM工作协调管理，并完成总承包范围内BIM模型深化和BIM各项应用。施工阶段参与总人数超过120人。同时，为了促进BIM技术在总承包管理过程中的推广，总承包管理团队在各个职能部门均配备BIM专员，深入践行BIM在各职能部门中的应用。
(3)应用顺序：在业主方的总体规划下，本项目BIM模型做到完整的流转，施工阶段继承设计阶段的BIM模型，并进行模型深化，替换部分设计模型，增加必要过程信息，最终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要的所有信息，并最终用于基于BIM模型的可视化运维系统。
3、BIM实施过程
（1）BIM应用准备
①制度准备：由于参建方众多，需要统一的管理标准和技术标准对BIM工作进行约定，保证BIM工作在不同单位之间协调推进。另外，项目在设计初期，就已经完成了第一版基于本项目实际情况的《中国尊项目BIM实施导则》，导则是本项目所有参建人员的BIM行动准则和技术指南。随着项目的推进不断完善导则，增加对应的BIM工作指标、流程和要求。
②人员准备：根据导则的规定，所有参加单位，须应用指定的软件。对所有参建方人员，各层级BIM团队采用集中培训、发放资料等手段，确保项目团队熟练掌握相关软件的使用，同时要求业务部门掌握可以满足实际工作需要的基本模型操作能力。
③技术准备：为了达成全员应用BIM的目标，项目在软硬件方面为员工进行全面配置，并确保每个部门至少有一台工作站或同级别电脑。针对现场管理工作，项目BIM管理部将所有模型进行轻量化，并定期更新，其他各部门管理人员可以方便导入配备的移动终端，进行模型现场使用。而模型中的信息，也会根据最新的现场需要进行新增和更新，确保模型使用的时效性和准确性。
（2）BIM应用过程
①图纸审核及优化：根据统计，施工图设计阶段，共对北京院完成五轮设计成果报审。由业主单位、顾问单位、施工单位提出审核意见11981项。其中对施工图的BIM复核24批次，解决了各种设计问题4959项，大幅降低施工过程中因碰撞、拆改及因设备未选定而造成的成本浪费和工期延误问题发生的概率。
②BIM深化设计：根据中国尊项目要求所有专业全面应用BIM深化设计的总原则，以及要求模型与图纸同步提交，保证深化图纸质量和模型的及时性，项目部开展了各专业的BIM深化设计工作。
a.结构深化：钢结构所有构件均采用三维设计，并且精度达到加工级别。同时将钢结构与钢筋的复杂交叉节点进行了完整模拟，在现场施工前，将节点优化方案表达在图纸中。深化成果直接用三维形式表现在图纸会审中，并用于施工三维可视化施工交底，帮助参建人员理解复杂工艺和节点。对设计单位提供的BIM模型进行二次结构的深化，包括增加构造柱、圈梁、过梁及墙留洞。深化过程中实现与机电模型的协调，在模型中精确预留穿墙洞口位置，生成留洞图，避免错漏。
b.机电深化：在设计单位提供的机电模型基础上进行深化设计，利用BIM可视化的优势，在三维环境中对机电不同系统展开综合排布。深化设计过程中，机电专业制作了大量的BIM构件。设备构件按导则要求统一命名，并根据模型信息详表将信息完整导入模型，在实现机电设备合理排布的基础上，还为未来大厦的智慧运维提供数据基础。
同时对原设计水泵布置凌乱、水泵支管不整齐、检修空间不合理等问题进行优化。水泵房内管道经过方案优化后，将现场焊接方式调整为工厂预制化加工、现场组装的施工方案，减少现场焊接会引起漏水、误差等问题的出现。
机电设备排布深化
c.装饰装修深化：项目部建立了大量的装饰族文件，并以此完成了所有楼层的地面、墙面、吊顶模型。过程中对于吊顶吊杆、石膏板墙分缝、地板板块排布等进行统一的三维设计，并且可以直接输出综合排布图。在大堂等精装修区域，采用Rhino进行造型参数化设计，并辅助方案选型。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
d.幕墙深化：幕墙专业利用BIM模型确认单元板块分隔和定位，建立幕墙加工模型，直接生成施工节点详图。另外，幕墙BIM模型可以实现直接进入数控机床进行加工生产，保证幕墙异型曲面的加工精度。
幕墙BIM深化并出图
③综合协调与碰撞检查：利用全专业的高精度BIM深化模型，并基于相同的标准格式，项目各专业之间的超细度综合协调可以真正做到深化设计的有效性、及时性和可实施性。综合协调报告作为正式的协调文件，分区域下发各相关专业部门和分包单位，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，针对模型中发现的问题，可以共同在模型中解决模型和现场问题。针对某一区域的多轮综合协调，一般可以将设计图纸及模型中的错、碰、漏、缺发现并解决80%以上，有效提高深化图纸的设计质量，并保持专业间交叉部位的合理设计，减少现场拆改。
多专业模型综合协调
④施工模拟：施工阶段的施工模拟是对施工方案、工艺的再验证，并进行细节优化。项目对施工过程中的重大方案进行完整且精细化的模拟，综合考虑工艺方法、时间、空间等因素，完成大型方案的综合模拟，并在实施前进行专项方案论证和三维预演，发现综合环境下隐藏的矛盾，并提前解决，最终应用完善的三维施工模拟方式进行技术交底。
⑤预制化加工：项目多专业践行预制化、装配式建造，其中重点应用在异形装饰构件、机电预制立管、组合桥架、幕墙等专业。通过信息化管理平台对构件的下料、运输、安装进行全过程管理，优化排版取料顺序，实时更新材料精确位置，减少材料浪费。
⑥BIM+三维激光扫描：项目对每一个楼层都开展了三维扫描工作，完成了全部108层的结构扫描和主要装修、机电设备间的扫描，仅原始点云数据量已经超过2TB。后期将作为工程过程资料的一部分，辅助业主进行运维管理。
点云代表实际，BIM模型为虚拟。综合在一起分析设计是否正确，施工是否存在误差。通过点云数据开展碰撞检查更具有真实性，避免了因为现场偏差造成下一道工序无法安装的情况发生。通过扫描点云数据与BIM模型误差报告的大数据分析，能准确捕捉质量控制的关键部位，有针对性的进行纠偏，为工程质量管理提供了新思路。
点云数据与机电深化模型整合
⑦轻量化BIM应用：项目采购了30余台iPad用于施工管理，覆盖深化设计、现场管理、质量控制等各业务的BIM应用，显著提升现场管理效率。现场管理人员摆脱携带大量图纸的传统，同时综合全专业的模型更容易理解现场安装是否准确，也弥补了工程师的专业偏科的局限性。
⑧基于BIM模型的智慧运维：BIM解决了图纸管理难、保管难、复制难、查找难等问题，通过BIM实现全方位三维场景观察，通过鼠标点击BIM模型即可查看设备的详细信息，更能在设备发生故障时，同步调出备品备件信息及处理方案。为了实现完整的BIM运维管理，集成化的运维平台必不可少。由建设单位牵头，指定专业团队研发的运维平台逐步搭设和完善，进一步将机电设备、门禁系统等进行挂接，实现实时动态显示、远程控制等需求。随着需求的进一步完善，系统将逐渐落地，实践智慧运维。
七、BIM应用总结
1、项目实际应用问题的应用效果总结
(1)项目各参与方全面应用BIM技术，实现中国尊大厦建设全过程应用中的BIM信息交换连续性的要求，在国内首次实现BIM模型从设计到施工再到运营的流转和传递，避免了多次建模的资源浪费。采用BIM进行设计，在设计及施工阶段累计发现12500余个问题，大量减少了可能发生的拆改和返工。据初步统计，现场变更数量较同类超高层降低70-80%。(被动变更占比更低)。
(2)在实施过程中，各参建方利用BIM技术在可视、协调、模拟的优势，有效的提高设计质量和效率，提升项目管理水平，促进项目节能减排、绿色环保工作的开展。据初步测算，结合BIM对建筑空间进行的优化，为大厦增加了超过7000平方米的使用面积;优化了超过20个大型设备用房的机电排布，使物业运维更加便捷;大量构件实现场外加工或预制生产，有效减少现场扬尘及污染，产生建筑垃圾仅为LEED金级评定标准的10%。
2、BIM应用方法总结
(1)中国尊项目在BIM践行过程中，逐步发展出一套基于BIM的超高层管理流程和方法，在多单位协同、标准化模型传递、解决实际问题等方面起到突出作用。《中国尊项目BIM实施导则》已经升版至第6版，其中不仅包含全面的技术指标规定，更有一套适用于本项目的BIM实施流程，详细规定BIM模型在不同阶段应完成的操作，在此基础上形成一套可在其它项目复用的BIM管理方法。
(2)项目BIM人员也参与了多项地方标准、行业间数据融合标准、企业标准等BIM标准的制定工作，将中国尊项目BIM应用过程中的经验和成果融入其中，为整个行业的管理升级做出贡献。
(3)BIM人才培养总结：中国尊项目所有BIM专职和参与人员超过200人，在不同的应用领域培养了一批有BIM实践经验，同时又具备专业能力的工程师。原则上，项目BIM人员需要是专业工程师出身，本身具备专业知识后再学习BIM技术和理念，用于解决实际问题。这些员工并不局限于专职BIM管理人员，更多的是业务部门的骨干。这样的培养方式，真正培养出一批掌握BIM与专业应用的复合型人才，而不只是一些少数会操作BIM软件的操作人员。
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