BIM正向設(shè)計在EPC項目設(shè)計管理中的應用研究

李 仲，楊樹英，蔡秋婉

（中新廣州知識城財政投資建設(shè)項目管理中心 廣州 511363）

0 引言

近年來我國在政策方面大力推進建筑信息化（BIM）和工程總承包模式（EPC），以此來推動行業(yè)的綠色成長、技術(shù)發(fā)展以及管理水準提升。設(shè)計在整個EPC 項目體系中居于關(guān)鍵地位，設(shè)計管理也是項目最為重要的管理工作［1］?！霸O(shè)計是龍頭”，設(shè)計階段決定了整個項目全生命周期內(nèi)80%的成本和投資。在設(shè)計環(huán)節(jié)采用BIM 技術(shù)，尤其是運用BIM 正向設(shè)計開展工作，是激活整體BIM 技術(shù)，在工程全壽命周期范圍內(nèi)運用極為關(guān)鍵的步驟［2］。

廣州某EPC 項目采用國內(nèi)常用的EPC 項目發(fā)包模式，項目的規(guī)模和體量適合應用BIM 正向設(shè)計的方法進行設(shè)計管理的實踐研究。項目實施過程前，首先建立與BIM 正向設(shè)計適配的組織架構(gòu)，搭建協(xié)同平臺，為基于BIM的全過程設(shè)計管理提供保障。

經(jīng)過在該工程項目的實踐，BIM 正向設(shè)計在EPC項目設(shè)計管理中可以充分發(fā)揮BIM 可視化的優(yōu)點，打通設(shè)計全過程管理，對工程總承包管理工作進行升級優(yōu)化，降低前期設(shè)計方案反復修改次數(shù)，實施中降低設(shè)計變更率，加速推進EPC 項目定版定樣和認質(zhì)認價工作，綜合效益較未采用正向設(shè)計的EPC項目顯著提升，為未來EPC項目設(shè)計管理提供可借鑒的案例和方法。

1 項目概況

1.1 工程概況

本項目占地12 846.52 m2，建筑面積41 904.80 m2，分為科研樓和公用設(shè)施配套樓，建成后將成為大灣區(qū)培訓規(guī)模最大、面向?qū)ο笞顝V、培訓技術(shù)最新的專業(yè)培訓機構(gòu)。

1.2 設(shè)計管理流程

本項目為聯(lián)合體EPC 項目，整體造型通過方案競賽中選確定。設(shè)計全過程聯(lián)合體與業(yè)主充分溝通，不斷修改、確認各專項設(shè)計方案［3］。

⑴方案設(shè)計階段，進行場地BIM 建模、市政BIM建模、地下室BIM 建模以及單體建筑建模，通過設(shè)計協(xié)同落實設(shè)計指標，并初步計算工程量；

⑵初步設(shè)計階段，開始主體建筑結(jié)構(gòu)及機電管線構(gòu)件化建模，在主體模型的基礎(chǔ)上進行各專項的方案設(shè)計，同時插入綠色建筑、智能化、外水外電等分項設(shè)計，專項方案經(jīng)業(yè)主確認后加入模型中，豐富、細化主體模型內(nèi)容；

⑶施工圖設(shè)計階段，導出初步設(shè)計圖，并對模型進行多輪深化和優(yōu)化，協(xié)調(diào)整合各專業(yè)設(shè)計內(nèi)容后完成全套施工圖出圖［4］。

2 基于BIM的正向設(shè)計

2.1 場地規(guī)劃與體量建模

2.1.1 場地整體布局

項目位于廣州市黃埔區(qū)中新知識城，場地北側(cè)為高架成績鐵路，用地面積約1.3 公頃。在進行場地布局及方案草圖設(shè)計階段，相關(guān)方綜合分析項目區(qū)位條件以及功能需求，如圖1所示，主要考慮因素有：

圖1 項目場地分析Fig.1 Site Analysis

⑴項目位于區(qū)域主干道交匯處，東北面向城際高鐵，其東北、西北立面構(gòu)成主要建筑形象；

⑵項目地處亞熱帶沿海，溫暖多雨、光熱充足、夏季長，南側(cè)為夏季風主導風向；

⑶建筑用地緊張，總占地1.3 公頃，場地布局需緊湊得當。

2.1.2 體量模型推敲

通過Sketch Up 軟件，設(shè)計師可以對項目的建筑輪廓進行快速構(gòu)思及調(diào)整，如圖2 所示。項目立面設(shè)計采用多元功能單元垂直組合的模式，將業(yè)務、科研、交流、生活等功能根據(jù)各自的空間、結(jié)構(gòu)特征組合成獨立的模塊，在將這三組模塊有機融合為一個整體，功能分區(qū)緊湊整潔，形成一個集中式的地表建筑，為試驗場地及遠期建設(shè)預留充足的空間。

圖2 利用Sketch Up繪制草圖Fig.2 Draft Drawing by Sketch Up

2.2 體量模型構(gòu)件化

根據(jù)項目方案的整體思路，科研樓采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架-剪力墻為主要結(jié)構(gòu)，局部大跨度、弱連接及轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)采用型鋼混凝土結(jié)構(gòu)體系，中庭連廊及平臺采用鋼結(jié)構(gòu)及鋼筋桁架樓承板構(gòu)成；公用設(shè)施配套樓采用鋼筋混凝土框架體系；地下室共兩層，如圖3所示。

圖3 結(jié)構(gòu)整體模型Fig.3 Whole Structure Model

2.3 施工圖深度模型設(shè)計

2.3.1 利用工作集實現(xiàn)專業(yè)協(xié)同建模

項目負責人在協(xié)作開啟前構(gòu)建以及設(shè)定Revit 工作集，確認中心文件的存儲位置，定義全部參與項目工作的權(quán)限數(shù)據(jù)。利用協(xié)同平臺，輔助設(shè)計團隊各專業(yè)之間的交流以及資料查閱等任務，提升協(xié)同設(shè)計效率［5］，如圖4所示。

圖4 模型局部剖切視Fig.4 Chart View on Local Part of Model

2.3.2 機電BIM正向制圖

本項目利用BIM 正向設(shè)計技術(shù)，鏈接土建模型開展機電建模，提資機電預留洞，如圖5、圖6所示。設(shè)計模實一致，從根源上避免了專業(yè)接口導致的錯漏碰缺。

圖5 項目機電模型Fig.5 Mechanical Model

圖6 機電預留孔洞提資視圖Fig.6 View of Reserved Mechanical Hole for Raising Capital

除此以外，利用插件進行機電智能設(shè)計，推演消防煙感和噴淋，實現(xiàn)自動化布置，避免了繁復的人力工作，如圖7 所示。管線排布妥當后，由Revit 模型輸出機電管線綜合平面圖紙［6］，如圖8所示。

圖7 噴淋智能布置Fig.7 Intelligent Spray Layout

圖8 管線綜合正向出圖Fig.8 Export Drawing after Pipeline Synthesis

2.3.3 幕墻模型深化

幕墻形式復雜，采用鋁板-幕墻間隔的方式，拼接出不斷變化的角度，組合成水平方向漸變流動的效果，如圖9所示。

圖9 幕墻模型Fig.9 Curtain Wall Model

利用嵌板的報告參數(shù)，可設(shè)置多種幕墻橫條、豎梃、連接件的連接方式，滿足高精度的立面效果表達，體現(xiàn)幕墻施工深化設(shè)計，從而實現(xiàn)模型與建筑實體的高度契合，如圖10所示。

圖10 折線幕墻分隔參數(shù)生成方式Fig.10 Parameter Method for Polygonal Lined Curtain Wall

建立高精度幕墻模型后，在導出建筑圖時就能自動實現(xiàn)建筑圖紙與幕墻專項圖紙一致，從而避免兩個圖紙之間的交互協(xié)調(diào)工作，提高了設(shè)計效率，如圖11所示。

圖11 施工圖的幕墻表達Fig.11 Construction Drawing of Curtain Wall

2.4 基于BIM的綠建分析

設(shè)計目標為綠色建筑三星級，需滿足《綠色建筑評價標準：GB/T 50738—2019》的技術(shù)要求。項目應用了BIM 技術(shù)計算分析建筑綠色節(jié)能參數(shù)［7-8］。在主體模型建立后，將Revit 模型導入斯維爾軟件進行綠建分析，計算成果如圖12、圖13所示。

圖12 場地噪聲分布俯瞰Fig.12 Bird’s-Eye View of Site Noise Distribution

圖13 2F 1.5 m高度室內(nèi)風速云圖Fig.13 Inoor Wind Speed Nephogram for 2F 1.5 Height

3 BIM正向設(shè)計的設(shè)計管理

3.1 利用BIM模型的設(shè)計優(yōu)化論證

由于BIM 正向設(shè)計帶來的流程轉(zhuǎn)變，EPC 總包能夠?qū)IM 技術(shù)應用到方案選型及優(yōu)化的過程中，使BIM 模型真正成為業(yè)主、設(shè)計、施工方推演設(shè)計方案的高效平臺［9］。

3.1.1 論證裝配式建筑可行性

立項初期，根據(jù)相關(guān)政策文件指標要求，項目采用裝配式建筑。但在構(gòu)件化建模過程中，EPC 聯(lián)合體發(fā)現(xiàn)科研樓中存在大懸挑、轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)區(qū)域，不宜采用預制柱；通過模型導出的構(gòu)件清單統(tǒng)計，本項目所需預制構(gòu)件規(guī)格種類繁多，僅預制疊合板。

綜合考慮項目投資限額、構(gòu)件采購及場地、運輸條件后，EPC 聯(lián)合體向業(yè)主及住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部門提議，取消該項目科研樓部分的裝配式評分，規(guī)避了嚴重的工期、超概風險。

3.1.2 基于模型的中庭樓梯優(yōu)化

原方案設(shè)計在6層圓形中庭處設(shè)置了一部5～6層的鋼樓梯，跨度16.7 m，寬度2.0 m，樓梯下方?jīng)]有樓板，凈高約20 m，如圖14 所示。為保證行走安全性，樓梯扶手及梯邊梁需要加高加固，導致樓梯的美觀性不能達到預想效果，且影響中庭豎直方向的視覺通透性，取消前后對比如圖15所示。

圖14 中庭樓梯模型Fig.14 Stair Model in the Central Atrium

圖15 中庭樓梯取消前后對比Fig.15 Compare of The Central Atrium before and after Removing Stair

EPC 聯(lián)合體通過建模過程，結(jié)合實際施工條件，對中庭樓梯進行了系統(tǒng)性分析，并向業(yè)主呈報分析結(jié)果。最終，項目各參建方綜合樓梯的功能性、美觀性、安全性和經(jīng)濟性，一致決定取消此樓梯。

3.1.3 露臺裝修方案論證

科研樓5樓的露臺位置，原方案不設(shè)置吊頂，在裝飾建模過程中發(fā)現(xiàn)此處直接將鋼梁暴露的原方案過于粗獷，影響美觀。因此，聯(lián)合體以模型為參考依據(jù)向業(yè)主匯報論證，在此處補充吊頂，對比如圖16所示。

圖16 科研樓5F露臺土建模型補充吊頂后效果Fig.16 Effect Drawing of 5F Civil Model with Suspended Ceiling

3.1.4 機電管線綜合排布與樓層凈高優(yōu)化

在機電設(shè)計過程中，EPC 聯(lián)合體對管線的排布進行了多輪優(yōu)化，以圖17 所示區(qū)域為例，在機電建模的過程中，設(shè)計師對管線排布進行了初步優(yōu)化；隨后施工方介入管線排布設(shè)計，將弱電線槽移至高位，噴淋管道移至弱電線槽下方，進一步節(jié)省了層高，同時方便安裝及運維檢修。最終此區(qū)域?qū)痈邽?.4 m，較設(shè)計師優(yōu)化的排布方案提高了0.3 m，較初設(shè)排布方案提高了0.5 m。

圖17 機電管線綜合排布Fig.17 Mechanical Pipeline Synthesis Layout

3.2 圖紙問題共享文檔

設(shè)計與施工利用共享文檔，在工作群中共享問題紀要及回復意見、修改記錄，實現(xiàn)信息的實時高效互通；同時針對已發(fā)現(xiàn)的設(shè)計問題，總包與設(shè)計可以相互校對、互相提醒；在線文檔實現(xiàn)了信息的多人共享，協(xié)調(diào)不依賴于個人作為溝通節(jié)點；施工方參與設(shè)計過程；文檔記錄項目設(shè)計修改的過程［10］。

3.3 模型服務業(yè)主決策

由于項目業(yè)主不是建筑專業(yè)人員，利用平面圖紙的審圖往往由業(yè)主委托給第三方機構(gòu)，業(yè)主需求也只能局限在設(shè)計提供的需方案選型的部位，而無法直接參與項目整體的設(shè)計審核及意見反饋。利用BIM 模型相較圖紙具有更直觀的優(yōu)勢，向業(yè)主全面展示設(shè)計內(nèi)容，收集業(yè)主意見［11］。圖18 所示地下室坡道入口處，業(yè)主在瀏覽模型時提出坡道擋墻設(shè)計不合理，設(shè)計直接修改優(yōu)化擋墻形式。

圖18 坡道擋墻優(yōu)化Fig.18 Optimization of Ramp Way Retaining Wall

3.4 基于BIM的施工交底

設(shè)計管理人員通過模型對施工員、專業(yè)分包單位進行全專業(yè)設(shè)計交底，傳達設(shè)計意圖，明確細部復雜區(qū)域的施工注意事項，包括施工范圍、工程量、工作量、建筑全專業(yè)設(shè)計情況、施工方案措施、質(zhì)量保證措施、安全文明施工注意事項、檢查驗收要求等［12］。

3.5 模實一致復核

將Revit 模型導出為Navisworks 軟件對應的nwc文件，在Navisworks 里打開nwc 文件，并保存為nwd 文件，作為可用平板瀏覽的輕量化模型，在iPad 上安裝BIM 360 Glue，打開模型并攜帶至現(xiàn)場對細部的施工重難點構(gòu)造進行模型-現(xiàn)場對比復核，及時發(fā)現(xiàn)施工過程中可能的誤差，為模實一致增加保障，如圖19所示。

圖19 模實一致對比Fig.19 Comparison of Model and Site

4 結(jié)語

本文基于某實際EPC 項目的設(shè)計過程，對EPC 模式下的BIM正向設(shè)計技術(shù)實施進行探討。

⑴設(shè)計前期便引入BIM 正向設(shè)計，通過“輔助模型的建立”、“體量模型的分析”等應用，施工圖設(shè)計階段真正實現(xiàn)BIM 正向設(shè)計模式下的“3D?2D 設(shè)計大轉(zhuǎn)變”。

⑵由于EPC 工程總承包項目管理優(yōu)勢尤其是設(shè)計主導的統(tǒng)籌優(yōu)勢，建立基于BIM 正向設(shè)計之下的EPC 項目設(shè)計管理體系。BIM 正向設(shè)計在設(shè)計-招采-施工全階段為項目建設(shè)提供支持，取得了良好的綜合效益，證實了BIM 正向設(shè)計技術(shù)在房建類EPC 項目核心設(shè)階段的可行性。

⑶ EPC 工程總承包項目設(shè)計階段可充分發(fā)揮BIM 正向設(shè)計的特點，通過各階段設(shè)計分析、三維可視化設(shè)計、數(shù)據(jù)信息調(diào)取、多專業(yè)協(xié)同與碰撞檢查等BIM 應用，提高圖紙設(shè)計的合理性與科學性。施工階段利用“模實一致”，模型與現(xiàn)場緊密結(jié)合，保證了工程高質(zhì)量高標準建設(shè)完成，為“中國建造”貢獻力量。