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智能建造案例 | 物联网、BIM、云计算......中建四局建造“黑科技”,打造416.6米南京金融新地标!
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发布时间:2024-01-08

项目位于江苏省南京市建邺区河西CBD,总建筑面积约42.9万平方米,包含2栋超高层及4栋配套裙楼,其中C1塔楼总高416.6米,建成后将成为南京新的地标建筑。项目定位打造“具有国际水准、地标性的金融企业聚集区”,建成后将汇聚优质金融业态,成为备受瞩目的金融新高地,助力南京高质量建设重要金融中心。


智能建造成果简介

在智能建筑创新方面搭建智慧指挥中心,集成物联网、BIM等技术,实现建设过程的智能建设,创新开展智能建筑新范式。研究解决金融城二期东区建筑工程施工总承包项目建设过程中遇到的难题,总结解决思路、方法和技术,结合科学、智慧、安全的建造理念,在工程建造过程中,实现工程质量、安全、进度等方面管理的数据化、可视化,降低工程建设风险和投资,同时提高企业经济效益。为智慧城市建设赋能,为产业绿色建造升级增加助力,以创新驱动发展,推动企业转型升级和高质量发展贡献力量。

重点难点一

偏心超高层核心筒经历了3次截面变化,导致:(1)模架高空3次拆改,模架设计困难、高空换拆安装危险性高;(2)三大垂直运输到达模架核心筒顶部施工作业面转换困难。3)核心筒结构采用“超密钢骨柱+钢筋混凝土”结构体系,国内400m以上超高层建筑罕见采用该体系,核心筒包含89根钢骨柱,钢骨柱间距最小仅为250mm,钢密柱区混凝土浇筑困难、振捣不均匀。

解决思路:

发明一套模架体系及智能监控预警系统,利用模块化设计实现高空快速安全拆改,集成硬防护平台、布料机、振捣机器人随模架液压爬升,电梯创新换向附着非对称上模架,解决垂直运输难题,实现超高层建筑智能模架多功能一体化集成技术。该模架体系功能齐全、变化多样,适用于各种核心筒或外框存在截面变化的工况,无论是截面退台收缩,还是墙体倾斜变直、直墙变倾斜转换等结构工况。

做法:

做法1:变截面核心筒智能集成模架体系关键技术研究与应用

设计一种便于拆卸的模块化空间桁架,通过模块化空间桁架,单榀模架与多榀模架平台可互相组装、转换,支撑受力点位置不变;核心筒截面退台收缩时,部分单榀模架根据主体结构施工进展进行施工,实现空中快速组装转换,少占用核心筒关键线路。

做法2:智能人机交互三维交底系统

开发一套人机交互三维交底系统,增加直观性、沉浸式、可视化、便利化、可追溯的交互式仿真学习方式。整个架体安装之前,首先进行模架人机交互三维交底与考核。对模架组装、爬升、拆除施工交底进行视频交底,并且针对关键步骤设置考核,保证现场、方案一致性,简单易理解、避免重复交底。

做法3:基于数字孪生技术的液压模架智能监控预警系统

发明设计一种基于数字孪生技术的液压模架智能监控预警系统,通过实时预控及报警模块实现对液压模架的调整和预警。模架智能控制系统,是模架架体爬升的数据监测及安全保护的控制系统。该系统具有爬升行程设定、位移同步监测报警、压力超限监测报警及数据显示等功能。从而满足模架同步爬升,实现控制位移精度的需求。

    ▲ 智能模架监测系统                           ▲ 智能模架联控系统

做法4:井筒内施工电梯换向附着非对称上模架技术

发明⼀种施工电梯与模架⼀体化运行系统,集成自主研发专利核心技术,并采用高位换向附着的方式,两种附着形式的水平⽅向90度交叉,形成施工电梯有效附着,在不影响水平结构施工、核心筒竖向结构安拆模板前提下,实现了施工电梯占用永久电梯井道、成功上模架顶部的国内成功案例。

▲ 90°交叉附着上模架顶原理图      ▲ 井筒内施⼯电梯换向附着⾮对称上模架设计

做法5:钢密柱区多节长臂布料机与模架平台同步爬升布料施工技术

为了解决超长、超密柱等障碍物影响下混凝土浇筑困难问题,设计⼀种与模架⼀体化运⾏的多节⻓臂布料设备,可跨越多道超⾼、超密钢密柱墙体,全方位无死角浇筑混凝土,解决超长、超密柱等障碍物影响下混凝土浇筑困难问题。

做法6:模架平台集成智能振捣机器人施工技术

为了解决人工控制精度低、剪力墙表观质量差、振捣效率低、劳动强度高和施工安全不易保障等问题,发明⼀款集成至模架体系的智能振捣机器人,可沿预设路径进行振捣,高感知、低时延及无线控制方式,提高超高层智能化施工水平。

做法7:超高层井筒内智能自爬升安全防护平台施工技术

为了解决井道内低位水平结构施工、高位塔吊施工、高位爬模与竖向结构同时施工存在较大安全风险等问题,设计超高层井筒内智能自爬升安全防护平台,实现了塔吊筒交差作业的安全防护;该平台同时解决了内筒塔吊牛腿和钢梁操作面的问题。

重难点二

整体结构有2次大截面变化,主体结构受力不对称,结构竖向压缩变形、水平侧移监测、控制难度较大。

解决思路:基于有限元计算结果与结构检测结果,对数据进行对比,分析施工过程压缩变形和水平侧移的影响,获得一整套施工过程压缩变形和水平侧移补偿方法。尤其是考虑偏心超高层在自重荷载下,可能产生水平侧移影响电梯运行的情况,针对电梯井进行水平补偿。

做法

做法1:基于人工智能的结构行为监测与安全分析

为对超高层的结构行为监测与安全分析,建立塔楼有限元模型,并基于修正后的有限元模型与部分实测数据,利用生死单元技术实现了超高层建筑分层计算及预测。此外,通过实测数据不断训练机器学习模型,并建立快速预测模型,可实现建筑结构的行为预测和安全分析。结构相关监测包括:核心筒动态特性监测,结构层间压缩变形监测,结构整体倾斜监测,结构不均匀沉降监测,核心筒伸臂桁架应变监测,风速风向监测,振动强度监测。

▲ 结构智能监测与数据处理分析

针对施工过程结构安全监测,开发一套基于物联网的超高层施工结构的智能安全控制可视化平台,包含安全预警系统功能。从设备-数据-算法-预测-云平台管理形成全流程解决方案,实现了监测可视、预警及时、分析精准、管控高效。实现了施工过程中塔楼结构安全状态的可视化监测、数字化表征和智慧化管理,可在线高效指导现场施工,保障了建筑结构安全的可靠性。

▲ 智能安全控制全流程

做法2:超高层竖向压缩变形与水平侧移补偿技术

基于有限元计算结果与结构监测数据,形成一整套施工过程压缩变形补偿技术,并在塔楼实施应用。

▲ 数据对比分析,确定各阶段竖向压缩变形补偿值  

基于有限元计算结果与结构监测数据,形成一整套施工过程水平侧移补偿方法,尤其是考虑偏心超高层在自重荷载下易产生的水平侧移对电梯运行影响工况,实现了对电梯井水平侧移的控制与补偿。

▲ 水平侧移变形检测  

▲ 水平侧移有限元计算  

  ▲ 水平侧移变形现场实施

重难点三

随着建设高度的增加,大型动臂塔吊的爬升安全管理难度越来越大,尤其是墙体厚度变化、风荷载变化对大型设备受力的影响,和多次爬升精度的控制。

解决思路:塔吊的全方位安全监测,监测塔吊施工过程中的基本运行状态及使用效能、主要受力部位的应变监测。采用分级预警制度和及时预警措施以保障塔吊施工安全。

做法

做法1:基于数据融合的塔吊监测数据处理及预警研究

结合现场监测应变数据、监测位置对应的钢材强度设计值和有限元分析结果,根据标准偏差经验法则,对应变值设置红色预警、橙色预警和黄色预警三道预警阈值,针对预警分别设置不同处理措施。

▲ 塔吊监测数据处理及预警    

▲ 塔吊有限元计算分析

做法2:施工设备的智能安全控制平台开发

针对大型动臂塔吊提供安全监测,开发一套基于物联网的超高层施工设备的智能安全控制可视化平台。系统平台由传感器布设、数据监测、硬件采集、数据清洗、安全校验预测、智慧建造云平台组成,从设备-数据-算法-预测-云平台管理形成全流程解决方案,实现了监测可视、预警及时、分析精准、管控高效等功能。

重难点四

该项目大型桁架分布楼层众多,大型桁架的安装精度控制困难。项目伸臂桁架分布楼层:F18-F19;F50-F51。环带桁架分布:F18-F19;F50-F51;F60-F61;F77-F78;F86-F87

解决思路:采用基于BIM技术的桁架整体预拼装技术、三维激光扫描的桁架测量复核技术来控制安装精度。

做法

做法1:基于BIM技术的桁架整体预拼装技术

基于BIM技术的桁架整体预拼装技术,通过BIM建立工厂预拼装各阶段施工工况,提前发现预拼装可能存在的问题,并采用BIM深化进行解决,同时制作施工模拟动画进行可视化交底。工厂采用BIM交底工况顺序进行安装复核,与BIM模型进行一一比对,相互验证。

▲ BIM预拼装模拟

做法2:基于三维激光扫描的桁架测量复核技术

基于三维激光扫描的桁架测量复核技术。通过BIM建立桁架层钢结构、钢筋、爬模、施工机械等模型,分析各阶段施工工况,制作施工模拟动画进行可视化交底。同时现场应用三维激光扫描,进行安装质量复核,扫描的模型可用BIM进行一一比对,相互验证。

▲ BIM现场拼装过程模拟

▲ 三维激光扫描复核

重难点五

该项目共六个单体,其中两座超高层建筑高度为416.6m、195.7m。涉及作业面众多,交叉作业难、流水组织施工和管理困难。

解决思路:建立智慧建造指挥中心体系,运用物联网、云计算、5G、AI 人工智能、BIM 信息化等技术,对项目施工过程进行大数据分析,从施工进度、材料消耗等可视化数据实现精细化智能建造管理。

做法

(1)通过创新搭建“ 智慧建造指挥中心”,建立智慧工地管理,对工地上的人员、物料和设备进行科学化管理与监控,掌握工地建设的全过程,对于大型工程获得足够的控制能力,确保施工顺利进行,保障施工人员的生命安全。基于数据采集,形成生产要素,尤其进度、物料消耗、能源消耗、机械设备消耗、机械设备的运行效率,形成可量化的管理指标,实现项目管理人员对施工的质量、进度、安全进行可视化管理,提高绿色施工管理水平,降低成本。

(2)开发了一套建造过程关键数据分析系统。

基于数据采集,形成生产要素,尤其进度、物料消耗、能源消耗、机械设备消耗、机械设备的运行效率,形成可量化的管理指标,为项目决策人员开展绿色施工、文明施工、高效施工提供数据支撑。

(3)智能安全、质量系统

针对施工现场人员流动大、安全交叉作业多,危险源复杂多变,同时项目质量标准高,建立安全质量管理平台,提高管理的效率,使管理行为可视化、管理效果可追溯。

 ▲ 智能安全、质量系统

(4)智能进度计划系统

制定出切实可行、操作性强的工程进度计划,在总目标不变的前提下,通过“对比—预警—纠偏”的流程来控制工程进度信息化、数据化。

▲ 智能进度计划系统

(5)施工电梯效能监测技术

为减少电梯能耗,通过对施工电梯效能进行监测分析,合理的确定电梯每天运行时间段,确定人员错峰上下班、材料运输时间。采用该技术后,平均每月耗电量较之前节约20%、电梯每天运行减少0.25个台班。

▲ 施工电梯效能监测系统

(6)塔吊效能监测技术

为减少塔吊能耗,通过对塔吊效能进行监测分析,合理的确定塔吊每天工作时间段,确保各专业塔吊使用。采用该技术后,平均每月耗油量较之前节约15%、塔吊每天运行减少0.2个台班。

(7)智能水电监测技术

实时检测每个施工阶段用水用电量,进行分区管理,并控制机械的使用时间,节约电能,另可判断某一施工阶段的施工进程。采用该技术后,平均每月用水用电量较之前节约20%。

▲ 智能水表、电表

(8)环境监测技术

自动喷淋系统,通过智能检测系统,实时检测项目周围的PM2.5空气质量指数,当空气质量指数超过合理设定值时,平台自动预警。并启动自动喷淋程序,即时降尘,大大减少了扬尘污染,2020-2021年度获得扬尘污染防控工作先进单位。

▲ 环境监测技术

(9)智能插座系统

中建四局创新研发智能插座系统,实时智能插座在线状态,手动/自动控制智能插座开关。

▲ 智能插座系统

(10)智能喷淋系统

中建四局创新研发智能喷淋系统,实时监测喷淋在线状态,手动/自动控制喷淋开关。

▲ 智能喷淋系统

(11)智能大灯系统

中建四局创新研发智能大灯系统,实时监测大灯在线状态,手动/自动控制大灯开关。

▲ 智能大灯系统

(12)智能地磅系统

中建四局创新研发智能地磅系统,实时进行施工现场智能地磅收料统计,自动导出施工现场智能地磅收料材料列表。

▲ 智能地磅系统

(13)开发AI智能识别系统

为实现现场安全隐患排查,项目依托现场视频监控,结合独立研发的AI算法识别,对视频中不安全图像进行自动识别,实时预警,消除安全隐患,实现现场智能安全管理目标。

▲ AI智能识别系统

(14)5G智慧应急广播系统及无人机直播系统

5G应用到应急广播,尤其在应急事件发生时,可以把应急预案的关键信息及时传递到相关的人员;应用到5G无人机航拍直播,可以实现远程巡检与决策管理,尤其在疫情时代,可以减少人员流动,提高安全管控效果。 

▲ 5G智慧应急广播系统

  ▲ 5G无人机直播系统

重难点六

该项目机电工程复杂,场地空间有限,机房、管道安装精密度要求高。

解决思路:利用BIM建模与三维实景智能融合技术,实现机房、管道预安装,加强构件制作与现场的适配性,提高现场安装精度。

做法

做法1:基于REVIT超高层管道构件编码应用

开发了基于REVIT管道构件编码技术,实现管道模型一键断管、构件自动编码、安装进度可视化和软件自动化算量等功能,在材料加工、材料进场、现场构件安装等过程中具有广阔的应用前景,助力BIM软件应用扩展开发与现场实施高度融合的一体化映射流程。

▲ 构件编码参数设置

做法2:模块化机房施⼯技术

基于构建编码及工厂预制技术,通过BIM模型绘制部件定位详图及机器人现场放样,根据BIM施工模拟及现场组装进度要求,实现部件现场的高效组装。

▲ BIM预拼装模拟 

 ▲ 工厂预拼装模拟

▲ 现场安装  


应用效果

社会效益

南京金融城二期东区总承包项目获得二星绿色建筑运行标识、三星绿色建筑设计标识证书。项目创新引进搭建智慧建造平台管理,在建设过程中发明和创新新技术,共计授权国家发明专利3项、受理国家发明专利6项、授权实用新型专利15项,荣获江苏省省部级工法2项、发表学术论文9篇(EI2篇),软件著作权3项、国家协会级BIM奖9项、省级BIM奖2项、省部级QC7项、中施企优胜工法获奖1项、中施企高推广价值专利获奖4项、中施企协微创技术2项、入选中施协绿色施工专家1名、中施协交流1次等。成果在多个重点工程中得到较广泛推广应用,社会经济效益显著。

与华东设计研究总院、东南大学、南京工业大学、江苏东印研究院等共同进行中建集团偏心超高层智慧建造关键技术(CSCEC4B-2020-KT-12)攻关,已获江苏省科技示范推广、中建集团科技示范推广、江苏省BIM示范推广项目。

目前,已获得南京市智慧建造试点项目,江苏省智慧建造试点项目正在申报中。

项目成功举办南京市云观摩、江苏省云观摩、第二届绿色建造与智能建筑创新大会暨国家级项目观摩、“智慧建造,铸就精品”暨国家级项目观摩,获得了院士、专家、行业内人士一致认可,引发了社会广泛关注,为行业内超高层智慧建造的发展提供借鉴做法。同时获得江苏省智慧建造工地(二星)工地。

经济效益

1.工期节约

通过对项目实施中遇到的工程难点问题提前进行策划解决可以极大的减少项目无效工期的浪费。

2.人力节约

通过开发一些先进平台、设备、方法可以达到节约人力的目的。

3.先进性

针对超高层建筑智慧建造领域,基于物联网、5G、大数据、云计算和边缘计算等新技术,依托于南京金融城二期东区等多个超高层项目开展了系列关键技术研究。研发并建立超高层建筑模架体系及集成智能安全控制技术、针对大型设备、超高层结构的智能监测技术、超高层精细化管理体系、BIM预拼装自动编码技术等。项目实现了经济效益、社会效益以及环境效益的统一,推广前景广阔。研发与应用这些先进技术,可以为后续相关的项目提供借鉴。


总结与展望

1、“超高层建筑核心筒智能模架体系及集成关键技术”,创新发明并研发了井筒内施⼯电梯换向附着⾮对称上模架、钢密柱区多节⻓臂布料机与模架平台同步爬升布料等关键技术,解决了超高层核心筒截面多变与施工装备集成及智慧管理的关键问题。

2、“超高层塔吊及塔楼结构安全监测预警关键技术”,一方面实现了无人化与智能化的监管方式;另一方面实现了施工过程中塔吊及塔楼结构安全状态的可视化监测、数字化表征和智慧化预警,保障建筑结构安全可靠。尤其形成一整套施工过程压缩变形和水平侧移补偿方法。

3、“大型桁架层智能安装施工技术”,采用基于BIM技术的桁架整体预拼装技术、三维激光扫描的桁架测量复核技术来控制安装精度,实现了桁架层高效安装、确保安装精度的目的。

4、项目智慧建造体系核心思路是以实用为导向,将物联网、云计算、5G、AI人工智能、BIM信息化技术集成于智慧协同云平台,最终实现项目人员、物资、设备、质量、安全、环境等智慧建造的目标。

5、利用BIM预拼装提高了现场安装的精度和现场的适配性;利用BIM进行深化设计,BIM模型搭建各专业族库制作BIM深化图纸出图,自动生成管道及管件算量,实现自动编码及BIM轻量化应用。

以上技术可为类似项目提供数据支撑和经验参考。

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