01 數字化技術在上海中心大廈中的運用

2006年9月，上海有關部門開始組織“上海中心”項目的招投標，經過幾輪激烈的角逐之后，美國Gensler建筑設計事務所的“龍型”方案及英國福斯特建筑事務所“尖頂型”方案入圍，經過評選，“龍型”方案中標，大廈細部深化設計以“龍型”方案作為藍本，由同濟大學建筑設計研究院（集團）有限公司完成施工圖設計。

于是，上海中心大廈作為陸家嘴最后一棟超高層建筑，目前以632米的高度，刷新上海市浦東新區的城市天際線。這是中國第一次建造600米以上的建筑，巨大的體量、龐雜的系統分支、嚴苛的施工條件，給上海中心的建設管理者們帶來了全新的挑戰，而數字化技術與BIM技術在當時的建筑工程界還很陌生，上海中心大廈團隊在項目初期就決定將數字化技術與BIM技術引入項目的建設中來，事實證明，這些先進技術在上海中心的設計建造與項目管理中發揮了重要的作用。

上海中心大廈，位于上海市浦東新區陸家嘴金融中心，占地3萬多平方米，主體建筑結構高度為580米，總高度為632米，地下5層，地上121層，從規模上看，上海中心大廈有2個金茂大廈、1.5個環球金融中心的體量；從地理位置看，上海中心身處小陸家嘴中心成熟商務區，周圍高樓林立，施工條件苛刻，難度升級，成本增加；從建筑功能來看，上海中心涉及8大建筑功能綜合體，7種結構體系，30余個機電子系統，30余個智能化子系統；從管理角度看，項目參建單位眾多，工程信息量巨大，圖紙數量超過15 萬張。

綜上，在項目方案階段，當時國內建筑行業對BIM 尚無清晰認識，更無超高層BIM項目案例可循，上海中心管理團隊超前思考，多方論證，決定將BIM技術引入“上海中心”的設計、建造和運維的全生命周期過程。同時，上海中心的參建單位，也均是行業內各個領域技術領先型企業，對以BIM 技術為代表的工程建設行業新技術的研究和應用，有著獨特的優勢。

在這種前提下，上海中心充分發揮業主的優勢，率先在項目承發包過程中，通過招標條件和合同條款中加入BIM 技術要求來約束承包商必須在項目中應用BIM 技術。而這種運作最終形成“以建設單位為主導，參建單位共同參與的基于BIM 技術的精益化管理”的模式，并開始將BIM 滲透到整個項目的方方面面。

▲ 三維設計 | 由模型生成圖紙

由于上海中心在招標要求中明確提出中標單位應建立完整的可以勝任服務期內所有BIM 工作的專業團隊，所以本項目的參建單位需要從公司內部挑選人員，或者直接從外部直接聘請團隊組成其BIM 團隊為項目服務，據不完全統計，參與上海中心大廈項目的BIM技術人員超過100人，涵蓋土建、鋼結構、幕墻、機電、室內裝飾等多個專業。這些參建單位在業主的統一領導下，完成上海中心大廈的BIM工作。

▲BIM協同管理模式

面對如此龐大的技術團隊，BIM要想充分發揮出其價值，就要實現協同管理，2010 年5月，上海中心充分利用本項目的潛在影響力，與美國歐特克（Autodesk）公司簽訂戰略協議，歐特克公司為“上海中心”提供BIM 技術咨詢和軟件，上海中心提供示范性的BIM 使用經驗，幫助歐特克進行BIM 的市場推廣。

在這份戰略協議的指導下，歐特克公司開發的Autodesk Vault Professional成為上海中心大廈的統一工作管理平臺，這也是我國超高層建筑首次實現基于BIM的平臺化協同管理。

▲Autodesk Vault 協同管理平臺框架體系

該平臺在上海中心大廈項目中全面應用，參建單位按照項目進度安排通過該平臺上傳與下載資料，實現信息的共享與傳遞，業主也通過該平臺，實現對各參建單位的協同管理。

▲BIM工作流程

項目后期，上海中心通過學習國內外BIM運維系統，結合上海中心物業管理實際情況，在已有的3D引擎超圖上進行二次開發，并和大廈IBMS 系統，物業軟件進行有效結合，形成大廈的信息化管理系統，從而實現大廈的系統可視化管理，所見即所得，整棟建筑盡在掌握；實現基于BIM 的文檔管理，可進行信息的快速搜索和分類管理；實現可視化監控管理、危險源管理、門禁管理、應急管理等內容。該系統已部署在上海中心B2總控室，該系統在上海中心大廈正式投入運營之后被啟用。

在鋼結構設計階段，設計團隊利用Rhino+Grasshopper，Xsteel與Revit AR&ST軟件，搭建鋼結構模型，其技術優點體現在如下方面：由二維轉向三維設計，清晰明了地展示復雜的空間關系；由線條勾畫變成空間構件布置，完全考慮構件尺寸對于空間的影響，協調了鋼結構專業與其他專業的界面劃分問題。同時，設備專業會在鋼結構BIM模型的基礎上，進行管線綜合，對于梁下凈空不足的區域，可以直接在BIM模型中開洞，該模型經結構專業、設備專業確認后，可作為鋼結構加工、制作、安裝的參考依據，為鋼結構深化加工提供了精確的設計數據，壓縮了后續鋼結構加工制作與安裝工程的周期。

▲鋼結構BIM模型（局部）

▲ 模型拆分

▲Rhinoceros 至 Revit 兩種常用轉換方式

鋼結構設計完成之后，設計BIM模型導入Tekla軟件進行深化設計，所有的主體鋼結構構件都在Tekla軟件中按照加工要求生成詳細的三維數字模型，Tekla輸出加工數據到數控機床切割焊接，受限于廠房的規模，鋼構件必須限定在一定尺寸內，然后進行三維掃描，掃描后的鋼件模型在計算機里進行整體的數字化預拼裝，通過校驗拼裝結果對產生碰撞的鋼構件進行修型補缺處理，然后送至工地進行現場安裝，保證現場鋼結構安裝能順利進行。

▲BIM鋼結構深化設計

▲基于BIM模型的鋼結構制作安裝

此外，在施工期間，4臺塔吊的距離非常接近，地面還有300t的履帶吊輔助工作，不可避免相互之間會產生一些干擾，總包利用BlM模型對塔吊空間位置及運行狀態進行模擬，檢查相互間的干擾情況，并驗證應對措施的可行性，比如單臺塔吊在運作過程當中需要360 o旋轉，而其垂直運行角度應該控制在44 o～85 o之間，這些精準的數據對于施工的順利實施至關重要，而這些數據都是基于設計階段的BIM模型而得出的，如果僅靠傳統的設計施工手段，很難做到如此精準的控制。

▲ 基于BIM模型的鋼結構制作安裝

上海中心地上設備層有9處(6～7、20～2l、35～36、50～51、66～67、82～83、99～100、116～117、121F)，總計20層之多，這些設備層涉及專業多，設備管線復雜，空間緊張，利用傳統設計手段，難以協調設備管線與各專業之間的關系，這勢必對后期的機電設備安裝帶來不利影響，甚至導致現場窩工、返工。

▲復雜機電深化設計

上海中心在設計階段，引入BIM技術，通過搭建全專業BIM模型，對土建與設備專業進行碰撞檢測，各專業碰撞問題解決之后，機電專業進行進一步的管綜優化，壓縮凈空，提高空間利用率，確定管線排布與安裝順序，指導結構專業做好孔洞預留，為后續的深化設計與安裝工作提供良好的基礎條件。

▲設備層管線綜合

在機電設備安裝期間，由于施工現場周邊交通繁忙，施工現場用地緊張，現場布置十分困難，再加上參建單位多，更加劇了施工現場的用地矛盾，因此，全部管道在現場加工安裝是無法做到的，項目部經過充分調研與分析，決定對風管、部分水管、支架、電氣橋架等采用以BIM建模為基礎、深化設計為依據的后方預制、現場裝配模式來實施。

▲阻尼器觀光平臺部分BIM建模與出圖

管線安裝之前，安裝團隊對現場的建筑及結構實際數據進行全方位的掃描與復核，并基于實際數據修正土建及結構施工單位提供的BIM模型，最后將機電管線模型與修正后的建筑結構模型進行合模，并進行管線綜合、碰撞檢查及優化處理，并基于BIM模型生成各專業施工圖紙及構配件加工圖紙。

在這種工作模式下，機電管線減少60%現場制工作量，減少90%的焊接、膠粘等危險與有毒有害作業，管道預制率達到70%。

▲復雜設備層管線綜合

上海中心大廈設計初期，就將綠色建筑作為整個建筑的設計目標之一，對建筑相關各領域的尖端技術進行全方位的創造性整合和應用，而在諸多綠色專業設計技術中，分離式雙層幕墻是最關鍵的綠色設計技術策略。為了達到這一目標，上海中心大廈創造性地設計了從未在超高層建筑中大規模使用的內、外分離的雙層幕墻系統，在雙層幕墻之間形成環境緩沖區，雙層幕墻的外表皮成逐層旋轉并逐漸向上收分的形態，這意味著大樓的每個樓層均保持了幾乎相同的幾何外形，但是逐層旋轉縮小。

▲外幕墻遮風擋雨 內幕墻隔熱保溫 中庭人員憩息環境緩沖

為了達到設計目標，確定外幕墻的最佳形態，設計團隊制定并遵循一套嚴謹的參數化設計流程，從幾何學的角度對塔樓的扭轉和收分這兩種主要的運動方式進行準確的描述，其幾何生成的過程理論上可以被稱為生成算法（Generative Algorithms）。根據設定的算法在參數化軟件中建立關聯性模型（Accosiative Model），由計算機自動完成復雜的運算，創建起一個整合了建筑結構和表皮的關聯模型 。這一步的工作包括定義二維幾何、三維幾何的生成規則。在參數化軟件里，算法本身不斷被優化，直到快速，最直接的找到需要的信息。輸入參數也被限定在最小范圍，比如最主要的旋轉、收分等，通過這些關鍵參數就可以對模型進行從總體到局部的動態調整。模型調整完畢之后，設計團隊將設計結果提交給風工程顧問公司進行風洞實驗，以驗證和確定最終的外幕墻形態。

▲外幕墻參數化設計

在整個外幕墻的選型設計中，主要解決兩個關鍵問題：確定外幕墻水平向基準平面，確定外幕墻豎向旋轉角度和縮放比例。

在水平外形設計上，由于外立面45m 以下區域基本上被周邊建筑遮擋，為此以45m標高處的圓角三角形輪廓作為建筑表皮的基準平面沿高度方向逐層扭轉、收分形成整個光滑、連續的流線形建筑表皮，圓角三角形由兩段半徑分別88.38m 和19.453m的大小圓弧圍繞建筑的幾何中心交替銜接重復3次，并在其中一個圓角開95°的V形口。其中大圓弧圓心距建筑幾何中心47.565m，圓心角46.6°，小圓弧與大圓弧在端部相切連接，圓心角73.4°。

▲外幕墻設計理念

在外幕墻的豎向設計上，為了讓建筑形態更加優美、輕盈，在方案設計早期，建筑師從數學和美學的雙向角度，對建筑扭轉角度進行了反復論證和優化。從90°開始按10°量級遞增，一直到180°，每個遞增角度分別輸出模型進行比較。通過比較發現，旋轉角度越大，建筑體量動態效果就越強烈，但過于強烈的動態感將破壞上海中心和陸家嘴超高層建筑群體之間的和諧關系。為確保建筑幾何造型的最優化，最終借助風洞實驗對大樓外形進行空氣動力學優化。

▲外幕墻旋轉角度

相較于外表皮的線性旋轉，其收分并不是一個線性過程，收分表現在樓層平面上即為相對于基準平面的縮放比率。為了最大化外層表皮所能覆蓋的內層圓柱空間的使用面積，即實現最大體表比，收分按冪函數ex 的方式進行，整個外表皮的幾何可由下述公式準確描述，頂部相對基準平面縮小了45%。

▲外幕墻收縮比例

通過進行許多參數建模研究和物理測試所建立的原型后，設計團隊選擇一個從底部到頂端旋轉120°及縮放比例為55％的原型，該設計模型發給風工程顧問公司進行風洞實驗后，最終確定了幾何造型，同時，設計團隊以底傾覆彎矩為比較指標，與最初的設計旋轉100°造型相比，設計風荷載降低了約24%，等效體型系數僅為0.95，節省結構造價約3.5 億。

▲風洞實驗

▲BIM幕墻安裝

上海中心大廈幕墻方案確定之后，所設計的外立面共計約13萬平方米，19317個單元，以每個單元中平均包含30個不同種類的主要構件(不包括螺栓／釘等標準件)計算，約為58萬個主要構件，面對如此海量的設計數據，幕墻設計團隊必須用BIM技術代替傳統的設計手段，完成幕墻的初步設計、施工圖設計以及加工圖設計。

在初步設計階段，幕墻設計團隊采用Rhino與Grasshopper軟件，通過程序模塊驅動設計出初步的建筑外皮模型，建模精度達到LOD100，初步設計模型經由建筑師確認后，幕墻工程師將該模型導入REVIT軟件，繼續完成幕墻的施工圖設計；在施工圖設計階段，設計師團隊以REVIT軟件作為主要建模軟件，通過數據接口將REVIT模型與綠建分析軟件、結構設計軟件等進行模型對接，完成幕墻的性能設計、結構計算、系統構造等設計工作，并不斷與各個專業協調設計問題，經過多輪的“設計——審核——調整”，幕墻施工圖BIM模型逐漸豐滿與完善，建模精度達到LOD300；審圖通過之后，幕墻設計團隊在LOD300精度等級的基礎上，再對BIM模型進行深化，增加開孔、端切、板材與龍骨具體尺寸等加工數據，此時的BIM模型精度可達到LOD400，模型中包含的加工數據可以自動提取，為后續的幕墻加工深化奠定了基礎，大大提高了后續幕墻加工圖設計的準確率與工作效率。

▲BIM幕墻深化設計

▲BIM全程預控建造實錄

基于幕墻的BIM設計成果，幕墻施工安裝團隊有了精確的數據支撐，根據經驗，按照傳統的幕墻設計手段和工作流程，如此體量的幕墻加工圖設計，在高峰時段至少要投入50～80人的設計團隊，而上海中心采用BIM設計后，幕墻繪制加工圖效率提升200%，加工圖數據轉化效率提升50%，高峰階段實際投入不到30人即可匹配現場施工進度需求，2萬多塊玻璃幕墻板塊到達“上海中心”工地現場安裝后沒有一塊需要返工，同時，現場還實現了僅需16個工人即可開展的快速安裝。

▲幕墻安裝實錄

因此，上海中心的幕墻參數化設計與BIM設計，在500米以上的超高層建筑幕墻設計中，具有廣泛的指導意義。

來源：鋼結構