一文读懂数字技术在上海中心大厦中的运用

7月3日，由同济设计集团作为BIM设计方的上海中心大厦项目成为首批中国工程建设检验检测认证联盟中国BIM认证体系荣誉白金级认证项目，这也是本次认证的最高级别！（查看详情）

上海中心大厦作为中国首座在建筑全生命周期中应用BIM技术的项目，成功减少返工80%、节省投资3亿元。

同济设计集团在设计阶段利用BIM技术进行了复杂形态外幕墙参数化设计、异形空间密集管线综合、三维辅助出图、钢结构深化对接、幕墙深化对接、3D打印等应用，有效推进了此高难度项目的进程、提高了设计质量、保证施工有效对接。

值此荣膺桂冠之际，让我们跟随团队追根溯源，一同去探索中国第一高楼设计BIM应用的奥秘。

注：本文转载自TJAD上海建筑数字中心（SFAB）。SFAB前身为同济设计集团技术发展部BIM中心，专为配合上海中心大厦项目的BIM设计而组建。

本文将分为以下三个部分：

01：数字化技术在上海中心大厦中的运用

02：超高层钢结构的数字化设计与建造

03：外幕墙系统的参数化设计研究

01

数字化技术在上海中心大厦中的运用

2006年9月，上海有关部门开始组织“上海中心”项目的招投标，经过几轮激烈的角逐之后，美国Gensler建筑设计事务所的“龙型”方案及英国福斯特建筑事务所“尖顶型”方案入围，经过评选，“龙型”方案中标，大厦细部深化设计以“龙型”方案作为蓝本，由同济大学建筑设计研究院（集团）有限公司完成施工图设计。

于是，上海中心大厦作为陆家嘴最后一栋超高层建筑，目前以632米的高度，刷新上海市浦东新区的城市天际线。这是中国第一次建造600米以上的建筑，巨大的体量、庞杂的系统分支、严苛的施工条件，给上海中心的建设管理者们带来了全新的挑战，而数字化技术与BIM技术在当时的建筑工程界还很陌生，上海中心大厦团队在项目初期就决定将数字化技术与BIM技术引入项目的建设中来，事实证明，这些先进技术在上海中心的设计建造与项目管理中发挥了重要的作用。

首次在500米以上的超高层建筑中应用BIM技术

上海中心大厦，位于上海市浦东新区陆家嘴金融中心，占地3万多平方米，主体建筑结构高度为580米，总高度为632米，地下5层，地上121层，从规模上看，上海中心大厦有2个金茂大厦、1.5个环球金融中心的体量；从地理位置看，上海中心身处小陆家嘴中心成熟商务区，周围高楼林立，施工条件苛刻，难度升级，成本增加；从建筑功能来看，上海中心涉及8大建筑功能综合体，7种结构体系，30余个机电子系统，30余个智能化子系统；从管理角度看，项目参建单位众多，工程信息量巨大，图纸数量超过15 万张。

综上，在项目方案阶段，当时国内建筑行业对BIM 尚无清晰认识，更无超高层BIM项目案例可循，上海中心管理团队超前思考，多方论证，决定将BIM技术引入“上海中心”的设计、建造和运维的全生命周期过程。同时，上海中心的参建单位，也均是行业内各个领域技术领先型企业，对以BIM 技术为代表的工程建设行业新技术的研究和应用，有着独特的优势。

在这种前提下，上海中心充分发挥业主的优势，率先在项目承发包过程中，通过招标条件和合同条款中加入BIM 技术要求来约束承包商必须在项目中应用BIM 技术。而这种运作最终形成“以建设单位为主导，参建单位共同参与的基于BIM 技术的精益化管理”的模式，并开始将BIM 渗透到整个项目的方方面面。

▲ 三维设计 | 由模型生成图纸

首次在超高层建筑中实现BIM平台化项目管理

由于上海中心在招标要求中明确提出中标单位应建立完整的可以胜任服务期内所有BIM 工作的专业团队，所以本项目的参建单位需要从公司内部挑选人员，或者直接从外部直接聘请团队组成其BIM 团队为项目服务，据不完全统计，参与上海中心大厦项目的BIM技术人员超过100人，涵盖土建、钢结构、幕墙、机电、室内装饰等多个专业。这些参建单位在业主的统一领导下，完成上海中心大厦的BIM工作。

▲BIM协同管理模式

面对如此庞大的技术团队，BIM要想充分发挥出其价值，就要实现协同管理，2010 年5月，上海中心充分利用本项目的潜在影响力，与美国欧特克（Autodesk）公司签订战略协议，欧特克公司为“上海中心”提供BIM 技术咨询和软件，上海中心提供示范性的BIM 使用经验，帮助欧特克进行BIM 的市场推广。

在这份战略协议的指导下，欧特克公司开发的Autodesk Vault Professional成为上海中心大厦的统一工作管理平台，这也是我国超高层建筑首次实现基于BIM的平台化协同管理。

▲Autodesk Vault 协同管理平台框架体系

该平台在上海中心大厦项目中全面应用，参建单位按照项目进度安排通过该平台上传与下载资料，实现信息的共享与传递，业主也通过该平台，实现对各参建单位的协同管理。

▲BIM工作流程

首次在超高层建筑的运维中应用BIM技术

项目后期，上海中心通过学习国内外BIM运维系统，结合上海中心物业管理实际情况，在已有的3D引擎超图上进行二次开发，并和大厦IBMS 系统，物业软件进行有效结合，形成大厦的信息化管理系统，从而实现大厦的系统可视化管理，所见即所得，整栋建筑尽在掌握；实现基于BIM 的文档管理，可进行信息的快速搜索和分类管理；实现可视化监控管理、危险源管理、门禁管理、应急管理等内容。该系统已部署在上海中心B2总控室，该系统在上海中心大厦正式投入运营之后被启用。

02

超高层钢结构的数字化设计与建造

基于数字技术的钢结构构件设计与加工深化

在钢结构设计阶段，设计团队利用Rhino+Grasshopper，Xsteel与Revit AR&ST软件，搭建钢结构模型，其技术优点体现在如下方面：由二维转向三维设计，清晰明了地展示复杂的空间关系；由线条勾画变成空间构件布置，完全考虑构件尺寸对于空间的影响，协调了钢结构专业与其他专业的界面划分问题。同时，设备专业会在钢结构BIM模型的基础上，进行管线综合，对于梁下净空不足的区域，可以直接在BIM模型中开洞，该模型经结构专业、设备专业确认后，可作为钢结构加工、制作、安装的参考依据，为钢结构深化加工提供了精确的设计数据，压缩了后续钢结构加工制作与安装工程的周期。

▲钢结构BIM模型（局部）

▲ 模型拆分

▲Rhinoceros 至 Revit 两种常用转换方式

钢结构设计完成之后，设计BIM模型导入Tekla软件进行深化设计，所有的主体钢结构构件都在Tekla软件中按照加工要求生成详细的三维数字模型，Tekla输出加工数据到数控机床切割焊接，受限于厂房的规模，钢构件必须限定在一定尺寸内，然后进行三维扫描，扫描后的钢件模型在计算机里进行整体的数字化预拼装，通过校验拼装结果对产生碰撞的钢构件进行修型补缺处理，然后送至工地进行现场安装，保证现场钢结构安装能顺利进行。

▲BIM钢结构深化设计

▲基于BIM模型的钢结构制作安装

此外，在施工期间，4台塔吊的距离非常接近，地面还有300t的履带吊辅助工作，不可避免相互之间会产生一些干扰，总包利用BlM模型对塔吊空间位置及运行状态进行模拟，检查相互间的干扰情况，并验证应对措施的可行性，比如单台塔吊在运作过程当中需要360 º旋转，而其垂直运行角度应该控制在44 º～85 º之间，这些精准的数据对于施工的顺利实施至关重要，而这些数据都是基于设计阶段的BIM模型而得出的，如果仅靠传统的设计施工手段，很难做到如此精准的控制。

▲ 基于BIM模型的钢结构制作安装

基于数字化技术的复杂设备层协同设计

上海中心地上设备层有9处(6～7、20～2l、35～36、50～51、66～67、82～83、99～100、116～117、121F)，总计20层之多，这些设备层涉及专业多，设备管线复杂，空间紧张，利用传统设计手段，难以协调设备管线与各专业之间的关系，这势必对后期的机电设备安装带来不利影响，甚至导致现场窝工、返工。

▲复杂机电深化设计

上海中心在设计阶段，引入BIM技术，通过搭建全专业BIM模型，对土建与设备专业进行碰撞检测，各专业碰撞问题解决之后，机电专业进行进一步的管综优化，压缩净空，提高空间利用率，确定管线排布与安装顺序，指导结构专业做好孔洞预留，为后续的深化设计与安装工作提供良好的基础条件。

▲设备层管线综合

在机电设备安装期间，由于施工现场周边交通繁忙，施工现场用地紧张，现场布置十分困难，再加上参建单位多，更加剧了施工现场的用地矛盾，因此，全部管道在现场加工安装是无法做到的，项目部经过充分调研与分析，决定对风管、部分水管、支架、电气桥架等采用以BIM建模为基础、深化设计为依据的后方预制、现场装配模式来实施。

▲阻尼器观光平台部分BIM建模与出图

管线安装之前，安装团队对现场的建筑及结构实际数据进行全方位的扫描与复核，并基于实际数据修正土建及结构施工单位提供的BIM模型，最后将机电管线模型与修正后的建筑结构模型进行合模，并进行管线综合、碰撞检查及优化处理，并基于BIM模型生成各专业施工图纸及构配件加工图纸。

在这种工作模式下，机电管线减少60%现场制工作量，减少90%的焊接、胶粘等危险与有毒有害作业，管道预制率达到70%。

▲复杂设备层管线综合

03

外幕墙系统的参数化设计研究

外幕墙系统的设计理念

上海中心大厦设计初期，就将绿色建筑作为整个建筑的设计目标之一，对建筑相关各领域的尖端技术进行全方位的创造性整合和应用，而在诸多绿色专业设计技术中，分离式双层幕墙是最关键的绿色设计技术策略。为了达到这一目标，上海中心大厦创造性地设计了从未在超高层建筑中大规模使用的内、外分离的双层幕墙系统，在双层幕墙之间形成环境缓冲区，双层幕墙的外表皮成逐层旋转并逐渐向上收分的形态，这意味着大楼的每个楼层均保持了几乎相同的几何外形，但是逐层旋转缩小。

▲外幕墙遮风挡雨 内幕墙隔热保温 中庭人员憩息环境缓冲

外幕墙表皮的参数化选型研究

为了达到设计目标，确定外幕墙的最佳形态，设计团队制定并遵循一套严谨的参数化设计流程，从几何学的角度对塔楼的扭转和收分这两种主要的运动方式进行准确的描述，其几何生成的过程理论上可以被称为生成算法（Generative Algorithms）。根据设定的算法在参数化软件中建立关联性模型（Accosiative Model），由计算机自动完成复杂的运算，创建起一个整合了建筑结构和表皮的关联模型 。这一步的工作包括定义二维几何、三维几何的生成规则。在参数化软件里，算法本身不断被优化，直到快速，最直接的找到需要的信息。输入参数也被限定在最小范围，比如最主要的旋转、收分等，通过这些关键参数就可以对模型进行从总体到局部的动态调整。模型调整完毕之后，设计团队将设计结果提交给风工程顾问公司进行风洞实验，以验证和确定最终的外幕墙形态。

▲外幕墙参数化设计

在整个外幕墙的选型设计中，主要解决两个关键问题：确定外幕墙水平向基准平面，确定外幕墙竖向旋转角度和缩放比例。

在水平外形设计上，由于外立面45m 以下区域基本上被周边建筑遮挡，为此以45m标高处的圆角三角形轮廓作为建筑表皮的基准平面沿高度方向逐层扭转、收分形成整个光滑、连续的流线形建筑表皮，圆角三角形由两段半径分别88.38m 和19.453m的大小圆弧围绕建筑的几何中心交替衔接重复3次，并在其中一个圆角开95°的V形口。其中大圆弧圆心距建筑几何中心47.565m，圆心角46.6°，小圆弧与大圆弧在端部相切连接，圆心角73.4°。

▲外幕墙设计理念

在外幕墙的竖向设计上，为了让建筑形态更加优美、轻盈，在方案设计早期，建筑师从数学和美学的双向角度，对建筑扭转角度进行了反复论证和优化。从90°开始按10°量级递增，一直到180°，每个递增角度分别输出模型进行比较。通过比较发现，旋转角度越大，建筑体量动态效果就越强烈，但过于强烈的动态感将破坏上海中心和陆家嘴超高层建筑群体之间的和谐关系。为确保建筑几何造型的最优化，最终借助风洞实验对大楼外形进行空气动力学优化。

▲外幕墙旋转角度

相较于外表皮的线性旋转，其收分并不是一个线性过程，收分表现在楼层平面上即为相对于基准平面的缩放比率。为了最大化外层表皮所能覆盖的内层圆柱空间的使用面积，即实现最大体表比，收分按幂函数ex 的方式进行，整个外表皮的几何可由下述公式准确描述，顶部相对基准平面缩小了45%。

▲外幕墙收缩比例

通过进行许多参数建模研究和物理测试所建立的原型后，设计团队选择一个从底部到顶端旋转120°及缩放比例为55％的原型，该设计模型发给风工程顾问公司进行风洞实验后，最终确定了几何造型，同时，设计团队以底倾覆弯矩为比较指标，与最初的设计旋转100°造型相比，设计风荷载降低了约24%，等效体型系数仅为0.95，节省结构造价约3.5 亿。

▲风洞实验

外幕墙系统的参数化设计与建造

▲BIM幕墙安装

上海中心大厦幕墙方案确定之后，所设计的外立面共计约13万平方米，19317个单元，以每个单元中平均包含30个不同种类的主要构件(不包括螺栓／钉等标准件)计算，约为58万个主要构件，面对如此海量的设计数据，幕墙设计团队必须用BIM技术代替传统的设计手段，完成幕墙的初步设计、施工图设计以及加工图设计。

在初步设计阶段，幕墙设计团队采用Rhino与Grasshopper软件，通过程序模块驱动设计出初步的建筑外皮模型，建模精度达到LOD100，初步设计模型经由建筑师确认后，幕墙工程师将该模型导入REVIT软件，继续完成幕墙的施工图设计；在施工图设计阶段，设计师团队以REVIT软件作为主要建模软件，通过数据接口将REVIT模型与绿建分析软件、结构设计软件等进行模型对接，完成幕墙的性能设计、结构计算、系统构造等设计工作，并不断与各个专业协调设计问题，经过多轮的“设计——审核——调整”，幕墙施工图BIM模型逐渐丰满与完善，建模精度达到LOD300；审图通过之后，幕墙设计团队在LOD300精度等级的基础上，再对BIM模型进行深化，增加开孔、端切、板材与龙骨具体尺寸等加工数据，此时的BIM模型精度可达到LOD400，模型中包含的加工数据可以自动提取，为后续的幕墙加工深化奠定了基础，大大提高了后续幕墙加工图设计的准确率与工作效率。

▲BIM幕墙深化设计

▲BIM全程预控建造实录

基于幕墙的BIM设计成果，幕墙施工安装团队有了精确的数据支撑，根据经验，按照传统的幕墙设计手段和工作流程，如此体量的幕墙加工图设计，在高峰时段至少要投入50～80人的设计团队，而上海中心采用BIM设计后，幕墙绘制加工图效率提升200%，加工图数据转化效率提升50%，高峰阶段实际投入不到30人即可匹配现场施工进度需求，2万多块玻璃幕墙板块到达“上海中心”工地现场安装后没有一块需要返工，同时，现场还实现了仅需16个工人即可开展的快速安装。

▲幕墙安装实录

因此，上海中心的幕墙参数化设计与BIM设计，在500米以上的超高层建筑幕墙设计中，具有广泛的指导意义。

供稿：张东升、李莉

摄影：章勇

编辑：郭丹蕾、曹维益

根据《上海中心大厦建造关键技术设计研究报告》整理

部分图片与视频来源于网络

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