EPC模式下BIM技術在裝配式市政公用工程中的應用研究

摘要

本文在介紹EPC模式及BIM技術各自特點的基礎上，通過在EPC模式下引入BIM技術，使EPC模式在項目管理中更具優(yōu)勢。以國內(nèi)首條裝配式空中自行車橋工程為案例，針對該項目體量大、建設工期短、受既有BRT高架橋影響、施工環(huán)境復雜、項目管理難度大等特點，在建設過程中借助Revit建立三維模型，協(xié)同優(yōu)化設計方案，減少設計變更；利用Navisworks進行進度管理，即有利于施工技術交底、縮短工期，又有利于提高施工質量；通過BIM技術開展現(xiàn)場平面管理可避免或減少施工過程中的安全事故。實踐表明，BIM技術的應用，有效提高了EPC模式下的項目管理水平，對今后類似工程建設具有一定的實踐指導意義。

關鍵詞：EPC總承包；BIM技術；設計優(yōu)化；進度管理；安全管理

引 言

EPC（Engineering Procurement Construction）總承包管理模式在我國工程建設領域已推廣多年，最初以建筑貿(mào)易的形式出現(xiàn)。隨著工程建設的發(fā)展，設計及施工難度越來越大，設計和施工互相分離，成為2個獨立領域，導致出現(xiàn)一系列設計變更、責任劃分不清等問題。1970年的CM承包模式也并未從本質上解決該問題。直到20世紀80年代，總承包模式引入我國，得到了廣泛關注。在30多年的發(fā)展過程中，我國設計、施工單位已從單一的設計、施工逐漸朝EPC模式發(fā)展，通過多種不同方式進行EPC總承包管理[1]。然而相較于國外，我國EPC項目總承包模式在利用信息技術輔助項目生產(chǎn)與管理方面較為欠缺，對EPC項目管理水平有一定的影響[2]。

建筑信息模型（Building Information Modeling）簡稱BIM，BIM技術應用最先從美國開始，之后在英國、芬蘭、韓國、新加坡、日本、澳大利亞、歐洲其他地區(qū)得到廣泛的應用，應用范圍已貫穿建設項目的全生命周期[3][4]。我國從2003年開始引進BIM技術，起初主要是在學術領域進行研究，后來國家從政策層面推廣BIM技術的應用。王同軍（2019）[5]借助BIM技術提出一種全新的鐵路工程建設管理模式，覆蓋鐵路勘察、設計、施工、運維全過程，實現(xiàn)項目協(xié)同、階段協(xié)同、專業(yè)協(xié)同，優(yōu)化工程項目管理；孫建誠等（2019）[6]結合某公路邊坡工程實例，對比研究Revit和Civil 3D軟件在公路邊坡工程中的BIM應用，結果表明這兩款軟件從不同建模思路出發(fā)，在參數(shù)設置、信息量化、模型分析等技術功能上各有側重；王勝軍（2019）[7]通過應用Navisworks Manage平臺，提出了一套基于BIM 4D虛擬建造技術的施工進度管理方案，實現(xiàn)了三維模型與施工進度的耦合關聯(lián)；張立茂等（2018）[8]基于傳統(tǒng)建筑工程安全管理存在的問題，對BIM在施工安全管理中的適用性展開分析，重點研究在項目實施各階段現(xiàn)場安全控制的關鍵技術。

從整體建筑業(yè)發(fā)展來看，充分地應用BIM技術，改變現(xiàn)行的建設模式是一種必然趨勢。BIM經(jīng)過十幾年的發(fā)展，應用已越來越廣泛，但關于EPC總承包如何與BIM技術結合的研究報道較少。本文在分析EPC總承包模式和BIM技術應用各自特點及兩者結合優(yōu)勢的基礎上，依托于國內(nèi)首條裝配式空中自行車橋工程，介紹EPC項目組織架構，從項目設計階段和施工階段等方面，對BIM模型、設計方案優(yōu)化、碰撞檢測，以及施工進度管理和工程安全管理展開研究，總結出對裝配式市政公用工程進行“EPC+BIM”一體化建設具有參考價值的結論。

1   EPC模式特點及BIM技術優(yōu)勢

EPC總承包模式主要具有以下4個特點：

①單一責任主體。②固定總價。③設計主導。④設計、采購、施工深度融合。工程總承包不是簡單的“設計+采購+施工”，而是把三者捆綁在同一個利益體上。

隨著城市化的發(fā)展，市政公用工程的重要性越發(fā)突出。市政公用工程項目主要包括道路、橋梁、軌道交通、管道工程以及城市園林綠化工程等。與其他工程建設項目相比，市政公用工程不僅具備一次性、不可復制等工程建設項目共有的屬性，還具有公益性、復雜性、不確定性，且管理難度大。因此，對于市政公用工程來說，采用EPC總承包模式有助于銜接項目建設過程中各個階段（設計-采購-施工），加快進度，提高工程質量，獲得較好的投資效益[9]。但在傳統(tǒng)的CAD二維模式下，各參建方溝通及效率低下，協(xié)同管理困難，信息的傳達可能出現(xiàn)流失和缺漏。

BIM旨在從技術上打通“設計、施工、運維”環(huán)節(jié)，這一點與EPC模式異曲同工。具有可視化，協(xié)調(diào)性，模擬性，優(yōu)化性和可出圖性等五大特點，它是以三維模型為載體的數(shù)據(jù)庫，是模型和信息的共同體[10]。BIM技術可使工作流程集成化，提高設計質量，提升施工和運維管理水平。

EPC總承包模式特別強調(diào)設計與施工的深度融合，避免設計與施工互相脫離，這也是總承包成功與否的關鍵。推動BIM技術在工程設計、施工、運行維護全過程的應用，可有效解決設計與施工“各自為政、內(nèi)部產(chǎn)生利益糾葛、無法形成合力”的弊端。“EPC+BIM”組合的應用價值主要可概括為3點：①協(xié)同設計，直觀展現(xiàn)；②動態(tài)采購，接口管理；③整合現(xiàn)場，精益施工[11]。

為進一步研究BIM技術的引入是如何發(fā)揮EPC模式的優(yōu)勢，本文將通過一個實際工程案例，做詳細剖析。

2   工程實例分析

2.1項目概況

廈門市空中自行車高架橋位于廈門島東部云頂路段，沿線與6處BRT站點、2處軌道站點、4處主要商業(yè)和行政辦公銜接，總長約7.5km。該項目為全國首條裝配式空中自行車高架橋，無論是設計，還是施工技術，均無經(jīng)驗可借鑒，需要自主探索創(chuàng)新建設技術[12]。該項目主要難點為：

（1）體量大，建設工期短

自行車橋設計為裝配式鋼橋，用鋼量達30000噸，工程任務重。由于2017年在廈門召開金磚五國領導人會議，為了盡快完成工程任務，需在設計階段壓縮時間，并盡快啟動施工，在施工過程中逐步優(yōu)化設計，使設計及施工交叉同步推進。

（2）施工環(huán)境復雜

裝配式自行車鋼橋施工涉及鋼構件的水平運輸、空中吊裝及安裝，在既有BRT高架橋下施工，作業(yè)空間有限，且施工期間BRT需正常運營，因此施工難度大。

2.2 EPC總承包管理模式

廈門市自行車橋項目施工工期緊，施工任務重，項目管理難度大，因此通過采用EPC聯(lián)合體管理模式，集成“央企+地方龍頭企業(yè)”的優(yōu)勢，對項目進行統(tǒng)一管理，對項目進度、成本、質量目標等各方面進行有效把控，實現(xiàn)一加一大于二的效果。在EPC聯(lián)合體內(nèi)，成員各方基本利益及目標一致，施工過程中融合了各自不同的企業(yè)文化，相互信任、相互尊重和資源共享，通過有效的溝通交流，使設計、采購和施工有機結合，保證項目目標實現(xiàn)。本項目由中交第三航務工程局有限公司、中建鋼構有限公司以及廈門市市政設計院三家單位組成聯(lián)合體，對項目進行統(tǒng)一管理。項目組織架構如圖1所示。為加強項目參與方的協(xié)同管理，有效銜接項目設計與施工階段的信息共享，通過運用BIM技術進行設計，提升設計及施工過程的管理水平。

圖1項目組織架構圖

2.3 項目設計階段中的BIM應用

2.3.1   BIM模型的建立

圖2廈門空中自行車橋

采用BIM技術建立三維模型，使橋梁從傳統(tǒng)的二維平面轉為三維空間，不僅有利于自行車橋與BRT的碰撞檢測，減少設計錯誤，而且有利于施工技術交底，縮短工期，提高施工質量。由于自行車橋結構形狀較為復雜，因此建模存在以下難點：①存在整體式、分離式以及過渡段鋼箱梁三種類型；②與橫向人行天橋結合的部分較為復雜；③與既有BRT及車站距離較近的路段較為復雜；④與停車平臺連接的部分較為復雜；⑤部分采用異形橋墩。三維建模主要內(nèi)容包括自行車橋樁基、承臺、墩柱和主梁結構等。模型中的信息含構件名稱、材質要求、制作方法以及與相關構件的邏輯關系。

（1）樁基、承臺和墩柱模型

基于“公制常規(guī)模型族”將樁基、承臺和墩柱作為一個整體創(chuàng)建。采用實例參數(shù)，保證樁長、墩柱高度能按需變化。由于花瓶墩漸變段部分難以在“公制常規(guī)模型族”建立，采用“基于公制體量族”建立，再與標準段拼接，如圖3所示。

（2）整體式鋼箱梁模型

利用“內(nèi)建模型”，放樣出標準斷面。分別進行2次放樣，一次是以“頂板、底板、中心腹板和外側腹板”為輪廓；另一次是以“底部的裝飾板”為輪廓；接著在“內(nèi)建模型”中，將中間與兩側的橫隔板放樣后再陣列，如圖4所示。

（3）分離式鋼箱梁模型

新建分離式標準斷面的左右兩側“輪廓族”，分別在“內(nèi)建模型”中放樣。中間橫隔板和外側隔板同整體式鋼箱梁的建模方法，如圖5所示。

（4）鋼蓋梁模型

首先以縱斷面圖的鋼箱梁頂標高連成參照平面，通過“基于線的常規(guī)模型族”建立鋼蓋梁；再通過右視圖導入橫斷面，前視圖導入縱斷面；利用拉伸命令將分離式和整體式的鋼蓋梁的頂板、底板、腹板、橫隔板、裝飾板等一并建立完整，如圖6所示。

（5）牛腿模型

建立分離式標準斷面的牛腿族，由于橋面坡度為2.499%，因此采用“基于線的常規(guī)模型”創(chuàng)建，如圖7所示。

BIM建模要點可概括為：①基于工作面利用“公制常規(guī)模型族”建立橋墩，增加其限制條件，設置樁底標高；定好鋼箱梁標高，調(diào)整橋墩頂標高；最后通過預先建立好的輔助線設定出參照平面，自動調(diào)整樁長和承臺厚度。②利用公制輪廓族，繪制路徑，實現(xiàn)鋼箱梁拼裝。③采用放樣融合創(chuàng)建族，生成不同截面的鋼箱梁；再通過創(chuàng)建有坡度的工作平面，放置不同截面之間的銜接段。④在做放樣融合時，遇到工作平面有坡度，即應在族里新建一個工作平面，再測量出新舊2個參照平面的高差。也就是，將族放入軟件中，基于工作平面下偏移的距離，確定高差。⑤在賦予族材質參數(shù)時，應關聯(lián)其組成構件。⑥坡度不一樣的鋼箱梁，需要制作不一樣的族。

2.3.2   設計方案優(yōu)化

由于自行車快速道部分是沿BRT橋兩側雙幅布置，因此在設計時應嚴格控制自行車橋的標高，滿足其凈空條件。在設計方案時，無法基于二維的圖紙進行優(yōu)化，此時可利用BIM技術，通過三維模型可視化，確定自行車橋的標高。具體如下：基于Revit建模軟件，依次建立BRT和自行車橋的三維模型；利用軟件直接測出自行車橋與既有BRT橋的標高，針對不滿足設計要求的位置進行優(yōu)化，如圖8所示。

圖8空中自行車橋與BRT三維關系

2.3.3   碰撞分析

通過Navisworks軟件一鍵式搜索BIM模型中的碰撞問題并記錄，不斷反饋修改直至無碰撞。Navisworks碰撞檢測示意圖如圖9所示（紅色為出現(xiàn)碰撞）。

圖9Navisworks碰撞檢測示意圖

2.4項目施工階段中的BIM應用

2.4.1施工進度管理

在鋼箱梁拼裝和吊裝施工過程中，基于BIM的動態(tài)施工管理，發(fā)揮其各項功能，如在鋼梁施工過程中進行動態(tài)實時進度管控，對鋼梁構件制造、運輸、存儲、架設等工序進行全方位、多尺度施工模擬，可以有效地提高施工效率，精確計劃，減少返工。

下面以吊裝施工過程為例，介紹Navisworks動畫模擬的方法：首先導入已設計好的Project進度計劃，與自行車橋三維模型進行關聯(lián)，形成4D施工信息模型；其次，對整個施工過程進行可視化模擬，展示自行車橋施工工序，進行動態(tài)進度管理，如圖10所示；最后，對重要工序進行施工模擬，優(yōu)化施工方案，見圖11。

圖10施工進度模擬展示圖

圖11分幅式鋼箱梁吊裝

（采用50t和80t汽車吊進行雙機抬吊安裝）

2.4.2工程安全管理

利用BIM技術，可對施工場地的設備設施進行動態(tài)模擬，對各種施工機械之間及與周邊建（構）筑物之間的相互交叉進行碰撞分析，對道路通達性以及消防安全隱患進行辨識。

自行車橋設計為裝配式鋼橋，施工涉及鋼構件的水平運輸、空中吊裝及安裝，現(xiàn)場需要調(diào)用多種機械設備。由于受現(xiàn)狀BRT高架橋下影響，現(xiàn)場作業(yè)空間有限，為掌握現(xiàn)場各機具之間的空間位置關系，保證施工現(xiàn)場平面管理的順利進行，基于設計階段已建好的BIM模型，構建所需各種機具設備進行仿真模擬，如圖12所示。

圖12整幅式鋼箱梁吊裝示意圖

3   結論     

（1）通過應用BIM技術，打通設計、采購、施工環(huán)節(jié)，可使EPC模式管理更加高效，真正實現(xiàn)總承包模式下的設計、施工一體化。

（2）借助BIM技術能夠為EPC總承包提供更多的項目安全管理措施，如施工現(xiàn)場平面的仿真模擬，避免或減少項目實施過程中的安全事故及其帶來的損失。

（3）對于裝配式市政公用工程，在EPC模式下，BIM技術的加入可增強項目信息的共享和互動，也可以達到提高施工效率、節(jié)約成本、減少風險和提高建設管理水平的目的。

（編輯：奚雅青）