BIM技術(shù)在城市隧道工程EPC項目管理中的探索與實踐

奚靈智 忻偉明 楊 宇 穆朝銀

(1.中國電建集團(tuán)華東勘測設(shè)計研究院有限公司，杭州 311122；2.浙江華東工程咨詢有限公司，杭州 310014， 3.河海大學(xué)，南京 210098)

引言

隨著國家經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型升級，發(fā)展進(jìn)入“新常態(tài)”，作為我國支柱產(chǎn)業(yè)之一的建筑行業(yè)亟待改革。EPC(Engineering Procurement Construction)模式是指總承包商或總承包商聯(lián)營體依據(jù)工程總承包合同要求對整個工程項目的設(shè)計、采購、施工和試運營等全過程、全方位的總承包，對比傳統(tǒng)項目運作模式，總承包商在項目未竣工前承擔(dān)所有責(zé)任，極大降低了業(yè)主面臨的風(fēng)險，同時統(tǒng)一的管理和運作也充分保證了解決問題的全面性、及時性和靈活性。BIM(Building Information Modeling)本質(zhì)是一個針對建筑綜合信息一體化的概念，BIM技術(shù)可使項目整個生命周期都用信息化模型進(jìn)行追蹤和調(diào)整，施工各方協(xié)同也更加透明化、清晰化，與EPC結(jié)合，可更高效和多維化地傳遞客戶訴求，提升項目管理效率。BIM技術(shù)在工程項目中的應(yīng)用模式多種多樣，設(shè)計階段運用BIM技術(shù)輔助設(shè)計； 施工階段運用BIM技術(shù)指導(dǎo)現(xiàn)場施工，減少返工、窩工等浪費資源的現(xiàn)象[1-2]。且隨著科技進(jìn)步，BIM技術(shù)的應(yīng)用模式也在不斷地創(chuàng)新，如BIM與GIS(Geographic Information System)集成技術(shù)不斷的深入開發(fā)，兩者融合也是土木行業(yè)信息化未來努力的方向[3-5]。我國建筑行業(yè)信息化管理水平較低，導(dǎo)致總承包商在管理過程中無法獲得深入、全面、準(zhǔn)確的項目信息，這就制約著 EPC 項目集成、協(xié)同管理優(yōu)勢的發(fā)揮，最終導(dǎo)致質(zhì)量、進(jìn)度和成本難以達(dá)到預(yù)期效果，因此只有在EPC 項目中提高建設(shè)項目的信息化管理水平，通過信息化技術(shù)手段對進(jìn)度、質(zhì)量、成本等進(jìn)行控制，才能保證 EPC 項目各參與方之間的高效溝通與協(xié)作，從而縮短項目工期，降低工程成本[6]。國內(nèi)外關(guān)于EPC 模式和 BIM技術(shù)作為一個整體的研究較少，未能充分地研究兩者的優(yōu)勢互補(bǔ)性，并且缺少完善的標(biāo)準(zhǔn)體系、具體的實施流程及管理架構(gòu)。本文在現(xiàn)有研究基礎(chǔ)上，從設(shè)計、施工兩階段出發(fā)，將BIM技術(shù)與城市隧道工程EPC項目管理進(jìn)行融合，并基于工程項目進(jìn)行了EPC+BIM集成管理平臺的開發(fā)。

1 工程概況

工程內(nèi)容含隧道工程、道路工程、綜合管廊工程、橋涵工程、管線工程、機(jī)電工程、景觀綠化工程、其他附屬工程等。地下隧道于綠汀路以南下穿，至文二西路止，總長約1.8km，雙向6車道規(guī)模，設(shè)計車速60km/h。綜合管廊與地下隧道同期建設(shè)，布置于隧道的西側(cè)，總長約1.8km。過未來湖段布置10m寬慢行道。全線共布置橋涵4座，管理用房1處，隧道與杭州地鐵3號線盾構(gòu)區(qū)間有760m的并線，如圖1所示。

圖1 良睦路項目示意

由于本工程屬于大型綜合性城市隧道工程，設(shè)計意圖的表達(dá)、施工方案與工藝的呈現(xiàn)、多方參與協(xié)作尤為重要，因此本項目采用以總承包方為主導(dǎo)，專業(yè)BIM咨詢，各方參與的BIM實施模式，管理架構(gòu)如圖2所示。本項目BIM技術(shù)主要應(yīng)用于兩階段，具體實施流程如圖3所示。

圖2 BIM項目管理架構(gòu)

圖3 BIM實施流程

(1)設(shè)計階段：項目啟動后總承包單位項目領(lǐng)導(dǎo)班子立即組建由總承包項目總工、總承包技術(shù)人員、業(yè)主代表、BIM咨詢單位負(fù)責(zé)人組成的BIM項目管理組，該組主要負(fù)責(zé)BIM技術(shù)應(yīng)用的可行性及需求分析，并根據(jù)分析結(jié)果編排進(jìn)度計劃，隨后BIM項目管理組從各參建方中抽調(diào)技術(shù)人員組建模型制作組，平臺開發(fā)組則對模型制作組人員進(jìn)行BIM軟件建模培訓(xùn)及技術(shù)指導(dǎo)，通過培訓(xùn)后模型制作組開始模型建立，通過多方參與BIM建模的過程發(fā)現(xiàn)設(shè)計中的問題并及時反饋。

(2)施工階段：設(shè)計完成后，平臺開發(fā)組在施工準(zhǔn)備階段將BIM模型導(dǎo)入至平臺基本框架中，并根據(jù)前期需求分析結(jié)果對施工過程綜合展示、安全文明施工、進(jìn)度管理及安全監(jiān)測四方面進(jìn)行功能性開發(fā)，過程中BIM項目管理組進(jìn)行監(jiān)督管理，確保平臺開發(fā)進(jìn)度及質(zhì)量滿足使用要求，在工程進(jìn)入正式的施工階段前平臺開發(fā)需基本完成并投入試用，后續(xù)平臺應(yīng)用組進(jìn)行使用并幫助平臺開發(fā)組進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化，通過線上平臺輔助施工現(xiàn)場安全文明施工及項目整體進(jìn)度管理。

2 BIM技術(shù)在EPC項目管理中的應(yīng)用[7]

2.1 BIM在設(shè)計階段管理中的應(yīng)用

圖4 BIM在設(shè)計流程中的應(yīng)用

總承包項目設(shè)計流程需經(jīng)過施工圖設(shè)計初稿、總包收集各方設(shè)計反饋、施工圖設(shè)計完善、施工圖終稿、施工圖圖審等階段。在項目進(jìn)入施工階段前總包單位協(xié)調(diào)各參建方對施工圖進(jìn)行優(yōu)化，首先總承包從設(shè)計方、施工方以及總承包內(nèi)部抽調(diào)技術(shù)人員組建模型制作組，各參建方通過結(jié)合現(xiàn)場實際情況、施工可操作性及BIM模型初稿發(fā)現(xiàn)設(shè)計存在的問題，總包單位負(fù)責(zé)意見歸集并反饋至設(shè)計單位，設(shè)計單位對意見作出回復(fù)并繪制施工圖終稿，BIM建模組在施工圖圖審后對模型進(jìn)行修改并確定BIM模型最終稿，如圖4所示?？偝邪鼏挝辉谠O(shè)計階段通過集約式管理充分發(fā)揮BIM技術(shù)優(yōu)勢為設(shè)計服務(wù)，并在BIM建模過程中調(diào)動各參建方的積極性，促使各參建方技術(shù)人員提前對設(shè)計有更加深刻的理解，為后續(xù)施工奠定基礎(chǔ)。

本工程內(nèi)容多樣，綜合性強(qiáng)，包含道路、隧道、橋涵、綜合管廊、管線、機(jī)電等，如圖5所示。多參建方完成BIM建模，并通過進(jìn)行碰撞檢測，檢查建筑、結(jié)構(gòu)、機(jī)電等各個專業(yè)之間是否沖突，圖紙是否滿足施工要求，施工工藝與設(shè)計要求是否矛盾等，如圖6所示。根據(jù)碰撞檢測結(jié)果跟蹤、定位碰撞的部位，同時及時分析碰撞產(chǎn)生的原因，判斷是否需要調(diào)整，當(dāng)面臨需要修改的情況，根據(jù)軟件輸出帶有坐標(biāo)定位的報告，設(shè)計人員進(jìn)行快速定位，對出現(xiàn)的問題進(jìn)行深入分析，并與總承包單位協(xié)商解決，以減少設(shè)計錯誤傳遞，避免由于設(shè)計問題導(dǎo)致施工階段返工的現(xiàn)象，最大程度保證施工圖設(shè)計階段與施工階段之間的良好溝通，如圖7所示。

圖5 多參建方協(xié)同建模

圖6 碰撞檢測

2.2 BIM在施工階段管理中的應(yīng)用

項目綜合展示、施工進(jìn)度管理、安全文明施工管理及施工安全監(jiān)測管理屬于施工過程管理的重要組成部分。傳統(tǒng)BIM模型僅展示建筑本身無法實現(xiàn)建筑與環(huán)境融合展示的效果，通過將BIM模型與現(xiàn)有信息采集技術(shù)進(jìn)行有效結(jié)合使得項目展示更加美觀、細(xì)致、全面； 傳統(tǒng)的工程項目進(jìn)度管理以設(shè)計圖紙為基礎(chǔ)，結(jié)合施工方案將施工任務(wù)進(jìn)行分解，最后根據(jù)各項任務(wù)工期時間及任務(wù)間邏輯關(guān)系制定進(jìn)度計劃表，然而當(dāng)工程體量較大、較復(fù)雜時，這種進(jìn)度管理模式就容易受到多種因素影響，如作業(yè)工人、工程材料、施工機(jī)械等的影響，引入BIM技術(shù)，可建立包含材料屬性、數(shù)量； 施工機(jī)械布局、數(shù)量等信息的三維模型，在此基礎(chǔ)上引入時間信息即可建立四維模型，通過模型可以實現(xiàn)資源配置優(yōu)化、施工進(jìn)度計劃模擬、計劃進(jìn)度與實際進(jìn)度對比分析等功能。

安全文明施工管理及安全監(jiān)測管理是保障工程順利推進(jìn)的重要措施，國內(nèi)外工程安全事故的頻發(fā)卻在不斷地給建筑行業(yè)敲響警鐘，傳統(tǒng)安全文明施工管理及安全監(jiān)測管理耗費大量的資源，卻效果平平，通過引入BIM技術(shù)，將安全文明施工信息化工具、工程監(jiān)測預(yù)警數(shù)據(jù)等與BIM模型進(jìn)行結(jié)合，形成綜合性的管理模塊可以節(jié)約成本、提高管理效率，降低工程風(fēng)險。

圖7 碰撞檢測結(jié)果定位

圖8 項目管理云平臺登入界面 圖9 項目管理云平臺主界面

圖10 電子沙盤底圖切換 圖11 電子沙盤圖層切換

為實現(xiàn)BIM技術(shù)在施工階段的多方聯(lián)合管理，通過在華東院工程項目管理云平臺上定制BIM進(jìn)度管理模塊、電子沙盤、測點預(yù)警等功能模塊，并向總承包管理人員、業(yè)主相關(guān)人員等各方人員發(fā)放具有相應(yīng)權(quán)限的賬號、密碼即可進(jìn)入該平臺，如圖8所示。除定制化模塊以外，平臺本身具有許多其他可提高總承包管理效率的模塊，如綜合辦公、設(shè)計管理、采購管理等，如圖9所示。

2.2.1 綜合展示

本項目將BIM、GIS、傾斜攝影等信息采集技術(shù)進(jìn)行結(jié)合，將BIM模型數(shù)據(jù)導(dǎo)入至GIS平臺中，形成項目電子沙盤，可展示項目主體工程及其周邊環(huán)境的融合情況，主要功能包括：

(1)底圖切換：用戶自主選擇天地圖、微軟地圖、谷歌地圖等作為電子沙盤底圖，如圖10所示；

(2)圖層控制：基于GIS配準(zhǔn)疊加傾斜攝影、BIM模型、地質(zhì)模型等數(shù)據(jù)，對各顯示元素進(jìn)行圖層化展示，通過圖層樹及圖層勾選框控制圖層的顯示與隱藏，如圖11所示；

(3)飛行漫游：支持預(yù)設(shè)傾斜攝影、BIM模型飛行路線，視角跟隨預(yù)設(shè)路線漫游，如圖12所示。

(4)常用工具：圖上量算、卷簾、透明度、模型裁剪等常規(guī)操作，如圖13所示。

圖12 電子沙盤飛行漫游 圖13 電子沙盤常用模型修改工具

BIM與三維GIS優(yōu)勢互補(bǔ)，兩者的結(jié)合已經(jīng)成為建筑業(yè)信息化發(fā)展的重要趨勢，搭建BIM+GIS電子沙盤不僅可以達(dá)到更好的展示效果，同時也為BIM技術(shù)在總承包項目管理施工階段所存在的諸多問題提供了新的解決思路。

2.2.2 施工進(jìn)度可視化管理

我們采用一系列的技術(shù)手段實現(xiàn)了BIM進(jìn)度管理，具體流程如圖14所示。首先采用Bentley系列軟件中的OpenRoads Designer軟件建立如圖15所示的三維模型，然后根據(jù)施工工區(qū)將模型進(jìn)行切分，再將模型發(fā)布至BIMVIz模型輕量化平臺，如圖16所示。為實現(xiàn)進(jìn)度計劃可視化管理，需將編制好的進(jìn)度計劃表通過基于Web的項目管理中間件控件 PlusProject導(dǎo)入至BIM進(jìn)度管理模塊中，導(dǎo)入完成的進(jìn)度計劃表可進(jìn)行二次編輯，例如填寫每項任務(wù)的實際開始時間及完成時間或更改計劃開始時間及完成時間等，如圖17所示。最后通過將導(dǎo)入并編輯完成的進(jìn)度計劃與模型進(jìn)行手動關(guān)聯(lián)，如圖18所示。根據(jù)進(jìn)度對比模擬可在模型上直觀地觀察到進(jìn)度推進(jìn)情況，實際進(jìn)度與計劃進(jìn)度的偏差，如圖19所示。通過每日更新進(jìn)度計劃表中的實際開始日期及完成日期便可清楚地了解項目實際進(jìn)展情況，極大地提高總承包方的管理效率。

圖14 BIM進(jìn)度管理模塊技術(shù)流程圖

圖15 良睦路主體結(jié)構(gòu)BIM模型

圖16 模型發(fā)布

圖17 進(jìn)度計劃導(dǎo)入及編輯

2.2.3 安全文明施工全方位實時監(jiān)控

(1)建筑行業(yè)是頻發(fā)安全事故的高危行業(yè)，有關(guān)部門對建筑工地安全文明施工的監(jiān)管力度也越來越大。根據(jù)規(guī)定，現(xiàn)在任何建筑工地施工必須安裝視頻監(jiān)控設(shè)備來對施工過程中各種不安全因素進(jìn)行實時監(jiān)控，從而營造出一個健康安全的建筑工地現(xiàn)場環(huán)境。為了充分發(fā)揮視頻監(jiān)控的作用，我們將現(xiàn)場實時監(jiān)控與電子沙盤進(jìn)行結(jié)合，具體流程如圖20所示。通過將監(jiān)控硬盤錄像機(jī)接入?？滴炇破脚_，平臺再為每個監(jiān)控點分配一個直播地址，根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)控位置在電子沙盤中相應(yīng)位置標(biāo)注出視頻監(jiān)控圖標(biāo)，如圖21所示。點擊視頻監(jiān)控圖標(biāo)，彈出視頻監(jiān)控窗口，窗口資源地址指向螢石云平臺上對應(yīng)的直播地址，如圖22所示。

圖18 進(jìn)度計劃與模型關(guān)聯(lián)

圖19 進(jìn)度對比模擬

圖20 電子沙盤現(xiàn)場實時監(jiān)控技術(shù)路線

圖21 電子沙盤中視頻監(jiān)控

圖22 現(xiàn)場監(jiān)控視頻顯示

(2)大型市政工程的工地現(xiàn)場跨度通常較大，作業(yè)人員較為分散，為保障工人的人身安全，本項目將所有工作人員進(jìn)行信息歸檔管理，同時實行一卡通管理模式，實現(xiàn)工人考勤信息統(tǒng)計和定位信息的采集等，所有工作人員在進(jìn)場時根據(jù)身份證和勞動合同統(tǒng)一辦理一卡通，同時將身份證復(fù)印件及勞動合同歸檔，建立員工檔案，進(jìn)行實名制管理。工作人員進(jìn)出工地和生活營地須使用一卡通或進(jìn)行人臉識別通過，同時在閘機(jī)旁裝有攝像頭進(jìn)行監(jiān)控，安排門衛(wèi)值守，如圖23所示。一卡通內(nèi)置定位芯片，如圖24所示。農(nóng)民工在日常作業(yè)時，通過雙路遠(yuǎn)距離讀寫器(圖25)可接收100m直徑范圍內(nèi)定位一卡通信號，工地安裝若干個信號讀寫器覆蓋整個現(xiàn)場，如圖26所示，從而確定所有工人在工地現(xiàn)場內(nèi)的相對坐標(biāo)，可隨時查看各個工作面農(nóng)民工的分布情況； 在遇險情搶救時，可查看被困人員數(shù)量，確保在救援時不漏下任何一個人。為使該功能更好地為總承包施工階段安全管理服務(wù)，我們將農(nóng)民工一卡通及檔案管理系統(tǒng)與電子沙盤進(jìn)行結(jié)合具體流程如圖27所示，點擊某個功能設(shè)備，可以彈出設(shè)備的業(yè)務(wù)信息，比如點擊打卡機(jī)模型，可以彈出考勤統(tǒng)計信息，如圖28所示。這些信息來源于現(xiàn)場設(shè)備通過物聯(lián)網(wǎng)上傳，人員定位位置信息在電子沙盤中的顯示需要確定雙路運距離讀寫器在電子沙盤中的位置，農(nóng)民工在電子沙盤中的坐標(biāo)信息則通過定位一卡通相對于讀寫器的偏移量來確定，通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換得到GIS系統(tǒng)中的經(jīng)緯度坐標(biāo)，采用頭像圖標(biāo)的形式顯示人員位置，如圖29所示。

圖23 農(nóng)民工出入閘機(jī) 圖24 農(nóng)民工定位一卡通

圖25 雙路遠(yuǎn)距離讀寫器 圖26 讀寫器現(xiàn)場布置位置

圖27 人員定位信息技術(shù)路線

圖28 閘機(jī)考勤信息

圖29 人員定位信息

2.2.4 實時監(jiān)測及預(yù)警

本項目涉及深基坑開挖，為確保開挖過程安全可控，對基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)、支撐進(jìn)行安全監(jiān)測，為使電子沙盤中相應(yīng)位置，如基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)、支撐等部位能夠?qū)崟r顯示監(jiān)測變化值，并進(jìn)行預(yù)警，本項目將監(jiān)測數(shù)據(jù)接入至電子沙盤中，并設(shè)置相應(yīng)報警值實現(xiàn)實時預(yù)警，上傳數(shù)據(jù)包包括測點編號、測點數(shù)據(jù)等。通過在BIM模型中測點位置建立測點模型，并在對應(yīng)測點模型處添加動畫圖標(biāo)，圖標(biāo)顏色根據(jù)預(yù)警等級改變，如圖30所示。點擊圖標(biāo)后，讀取保存的測點信息并顯示，如圖31所示。

圖30 測點位置及預(yù)警動態(tài)圖標(biāo)

圖31 測點預(yù)警信息

3 結(jié)語

EPC模式與BIM技術(shù)具有很好的融合性，但目前為止，EPC+BIM集成管理模式缺少成熟的實時標(biāo)準(zhǔn)、流程及管理架構(gòu)作為該集成技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展的基礎(chǔ)，本項目嘗試性地通過以總承包為主導(dǎo)，BIM專業(yè)咨詢、多方參與模式作為BIM項目管理體系，重點進(jìn)行了BIM技術(shù)在EPC項目設(shè)計階段及施工階段管理中探索及實踐，設(shè)計階段BIM技術(shù)能為EPC項目的協(xié)同工作提供技術(shù)基礎(chǔ)，提高設(shè)計效率，優(yōu)化設(shè)計方案，減少變更等，對EPC管理而言具有極大的應(yīng)用價值； 施工階段BIM技術(shù)不僅能夠為EPC項目進(jìn)度管理提供高效管理工具，為項目進(jìn)度提供保障，而且通過現(xiàn)有現(xiàn)場安全文明保障技術(shù)與BIM技術(shù)的結(jié)合可顯著改善EPC項目安全管理效果，同時節(jié)約管理成本。