基于“大設計管理”的BIM 技術在某船廠車間EPC 模式中的應用

周艷桃，熊峰，張?zhí)焐?，潘欣鈺，盛?/p>

(1.中船第九設計研究院工程有限公司，上海 200090；2.上海寶冶集團有限公司，上海 200941)

1 引言

EPC 項目是承包商承接從設計、采購、施工乃至建成試運行后交付業(yè)主的一體化工程總承包模式，也是國家現(xiàn)在所倡導的工程建設項目的承建模式。其主要特點之一是，在項目實施過程中，除了業(yè)主的需求改變而引起的變更以外，承包商因設計錯漏碰缺（Design Flaws）所產(chǎn)生的變更以及因施工技術和工法應用不當而產(chǎn)生的缺陷(Construction Defects)所導致的返工，并由此引起的工期延誤和造價增加，是不能向業(yè)主索賠的。應用BIM技術，可以提高水運工程設計質量，有效控制工程的生產(chǎn)效率、成本、工期，對水運工程的建設具有積極意義[1]。

所以，EPC 項目中，管控好設計很重要。高質量的設計文件、施工技術方案，能夠有效地銜接好對材料和分包的采購；結合好現(xiàn)場的施工，使得建筑設備和材料具有可采購性，從而減少采購成本；現(xiàn)場施工具有可實施性，從而節(jié)省建造成本；運營階段具有可維護性，從而降低運營成本[2]。真正做到設計聯(lián)系施工，減少設計變更，因地制宜采購，方便施工，實現(xiàn)“設計、采購、施工”的深度融合，這既能為業(yè)主提高項目建成后的獲得感，也能為項目創(chuàng)造出更大的盈利[3]。

因此，EPC 項目中應有統(tǒng)管主體設計、深化設計和施工組織設計的“大設計”管理的觀念，而BIM（Building Information Modeling）技術在EPC 項目的設計及其管理中的應用，是聯(lián)系設計與施工的紐帶和橋梁，是重要的技術管理抓手之一[4-5]。

2 工程概況簡介

某船廠車間單層工業(yè)廠房，主要柱距為十多米。其中AB 跨為高跨，設二層起重機行車，上層設起重能力超過200 t 的大跨度行車，下層設常規(guī)噸位行車；BC、CD 跨為低跨，設二層起重機行車，上層設起重能力超過200 t的大跨度行車，下層設常規(guī)噸位行車。結構形式為鋼排架，為特重型鋼管混凝土鋼結構廠房。耐火等級為二級，防水等級為Ⅱ級。廠房主要用于船舶加工、裝配與焊接。項目采用EPC 工程總承包的模式。

3 工程特點和難點

1）項目啟動時，工藝設備尚未定型。

2）工期緊，2 年的正常工期縮短為10 個月。

3）鋼結構體量大、吊裝時間緊，約1.5 萬t 用鋼量，需在3 個月內(nèi)吊裝完成。

4）結構型式復雜，車間三跨、雙層行車，高低跨處柱子左右側承載行車的肩梁和牛腿4 層錯落；除各軸線有作業(yè)鋼平臺外，C 軸還有參觀平臺和電梯；柱子加工制作要求時間緊、精準度高。因此，要求鋼結構三維深化設計提前介入，與鋼結構二維設計協(xié)同同步進行，并與機電專業(yè)三維管線模型協(xié)同。

5）設計階段的機電管線路由、鋼結構的預留孔洞、支吊架的預留空間需與鋼結構模型協(xié)同深化；設計階段的機電模型要能夠傳遞至施工階段進行深化設計，需預先考慮預留與施工模型協(xié)同。

6）要求屋面鋼結構網(wǎng)架體系與機電系統(tǒng)在地面安裝后整體提升，需要設計與施工協(xié)同，確保機電管線及其支吊架在網(wǎng)架結構中精確定位安裝。

7）工藝設備定型后，其設備基礎及其電纜溝、電纜井需與機電供電設備協(xié)同，確保工藝設備進場安裝時，在已完成的地坪上不重新開溝挖槽。

4 BIM 技術的應用策劃

針對項目的上述特點和難點，制訂BIM 技術應用的方案。

首先，建立起EPC 項目中“大設計管理”的理念，從設計源頭上把控好項目的起點。將項目的設計內(nèi)容分解為“六大設計”部分，即：（1）主體建安工程設計（包括主體工程的土建和機電的設計）；（2）主體建安工程的深化設計；（3）專項工程設計；（4）專業(yè)領域的功能（工藝）設計；（5）工程總體施工組織設計；（6）專項工程施工方案設計。

“六大設計”內(nèi)容既相互獨立又相互聯(lián)系，不僅要確保這些設計自身的設計質量，更要管理好它們之間的協(xié)同和銜接，尤其是后續(xù)施工技術方案需要前置至設計階段的內(nèi)容，應是設計管理的重點。BIM 技術的應用，是實現(xiàn)上述協(xié)同應用的重要技術手段。

其次，制訂三維設計的工作計劃，設定設計和施工階段的BIM 應用目標，建立相應的組織架構，選定適用的BIM 軟件。

5 BIM 技術的協(xié)同應用

5.1 設計階段的協(xié)同應用

1）以三維可視化設計為核心，充分應用各專業(yè)實體化的三維模型，并進行集成整合，在設計過程中開展設計協(xié)同和優(yōu)化，以優(yōu)化各專業(yè)間的空間關系、機電管線的路由走向等。

2）穿越車間的機電管線，可以利用大門上方結構的抗風桁架，在其內(nèi)部穿越，而不必在屋架內(nèi)穿越，可以在較大程度上節(jié)約機電管線的路由和降低施工難度。

3）行車采用包絡體方式，能單獨顯隱，可通過碰撞檢查一鍵查詢與鋼柱的關系，避免碰撞。

4）對行車司機室與登機平臺的相對關系，采用了跨模型提取數(shù)據(jù)實時對比的方式，從工藝模型提取駕駛室高度，在建筑模型提取登機平臺高度，二者對比，一目了然，減少錯漏。

5）對山墻區(qū)域的機電管線路由進行了優(yōu)化，管線從50m 縮短到37 m，抗風桁架穿行較之傳統(tǒng)方案，節(jié)省管材，隱蔽美觀。

6）對電纜橋架鋼平臺下方敷設進行優(yōu)化，電纜橋架從12 m 降至3.5 m 鋼平臺下敷設，較之傳統(tǒng)方案，節(jié)約電纜，降低安裝難度。

5.2 設計與施工的協(xié)同應用

設計階段充分考慮施工階段的可施工性對模型的需求，針對施工階段的深化設計內(nèi)容，包括機電管線的支吊架、支管、閥門和接頭箱的位置等做好預留空間，這樣就能將設計階段的模型有效地傳遞至施工階段。施工階段在設計模型的基礎上做進一步的深化和細化，而不至于要重新建模，體現(xiàn)了設計階段BIM 模型的價值，提高了設計與施工協(xié)同應用水平和效率。

5.2.1 鋼結構深化設計

鋼結構深化設計單位提前介入設計階段，應用Tekla軟件，采用“伴隨式”與二維設計同步開展三維建模，并進行協(xié)同，先將主體鋼結構模型建成后，與其他專業(yè)進行協(xié)同，同時進一步開展節(jié)點的深化設計，這樣在二維設計完成的同時，可以同時完成鋼結構加工制作圖的深化設計，也能準確地統(tǒng)計出用鋼量，提高了對分包招標的議價能力。

5.2.2 機電深化設計

1）機電管線路由的深化設計

應用BIM 模型，對出車間需要穿越基礎梁的機電管線做進一步的梳理排列，做到在基礎梁里預埋套管位置，既合理、準確無誤又排列整齊。

2）綜合支吊架的深化

原機電各專業(yè)設計均選擇各自管線的支吊架，并提出參照圖集或畫出示意圖，以及抗震支吊架的要求。但實際工程中各機電專業(yè)的管線是相對集中走線的，需要深化設計綜合支吊架。設計階段在機電管線綜合時，充分考慮了預留支吊架的位置，以便在施工準備階段進行深化設計時，可以在設計模型的基礎上進一步進行綜合支吊架和抗震支吊架的設計和布置，尤其對重點部位進行特別關注，如鋼平臺下方橋架支吊架布置，高空懸掛支吊架布置，通道大門上方支吊架布置，網(wǎng)架內(nèi)電纜橋架支撐架布置。

3）對電氣供電箱APF、工藝設備控制柜、電纜溝位置進行了深化和優(yōu)化

由于工藝設備一般至最后才能確定，因此，以往在工藝設備進場前缺乏供電箱位置，與工藝設備電纜溝、控制柜位置的復核，往往導致設備進場安裝時，發(fā)現(xiàn)電纜溝、電纜井的位置與供電箱的位置錯位，進而導致需要開溝挖槽、電纜或不夠長或有一段會明敷等問題，造成返工，延誤工期、引起索賠。BIM 設計提前介入，對于這些重點部位進行復核，提前解決問題，以免造成延誤和索賠。

4）機電末端設備安裝位置的深化和優(yōu)化

對設計不合理的檢修閥門位置進行了優(yōu)化，以方便后期使用與維護。

5.3 施工階段的協(xié)同應用

施工階段，當各專業(yè)分包或設備供貨商確定后，由于各個分包和供貨商雖然在技術參數(shù)上能夠滿足設計要求，但在安裝方法、節(jié)點處理上具有各自的特點，因此，非常有必要在正式施工前，應用BIM 技術，將各分包或供貨商的模型進行集成和整合。針對以往項目中屋面彩鋼板、采光帶、屋面通風器、天溝、虹吸排水漏斗在交界面處容易產(chǎn)生節(jié)點不匹配、經(jīng)常發(fā)生滲漏水的現(xiàn)象，將上述模型進行整合集成，事前發(fā)現(xiàn)問題，改進了節(jié)點做法或對節(jié)點予以了加強。

6 BIM 的可視化應用

6.1 設計階段的可視化應用

在設計階段，利用專業(yè)軟件，對BIM 模型進行渲染，可實時觀看室內(nèi)漫游環(huán)境，直觀表現(xiàn)生產(chǎn)環(huán)境，與業(yè)主溝通更加順暢。

6.1.1 基于模型的設計會審

運用三維快速布局，可高效可視化推敲、修改、優(yōu)化方案；SketchUp 設備方案模型深化后導入施工圖設計平臺Revit，方便快捷，不重復建模，快速發(fā)現(xiàn)問題；總裝工藝、機電專業(yè)，土建模型，進行干涉檢查，可直觀快速地發(fā)現(xiàn)問題并進行設計優(yōu)化。

6.1.2 模型實時渲染的展示

應用實時渲染軟件，對模型中的構件進行材質、光影等的細化和深化，并加入人員的真實比例關系，進行實時渲染動畫，極大地提高了三維渲染效果的精度和效率，給人以真實和直觀的視覺感受，增加了業(yè)主對項目建成后的真實體驗感，達到了“所見即所建”。

模型中的構件信息、360°的多視角以及細部的放大觀賞方式，讓業(yè)主和項目參建各方對建筑整體以及細部都可以有較為全面的了解。

6.1.3 對運維期間檢修通道的安全性預巡檢

應用專業(yè)軟件，對建成后的車間模型進行檢修通道的安全巡檢，發(fā)現(xiàn)原來的直爬梯存在安全隱患，最后修改為反方向的斜梯。

6.1.4 應用于與業(yè)主的溝通

1）確定柱子中間隔墻布置的方案

業(yè)主在項目建設過程中，需要在柱子中間增加隔墻。項目設計師應用BIM 模型與業(yè)主就增加隔墻后，會涉及影響鋼結構構件、上吊車鋼梯、垂直電梯、行車、屋面雨水溝等因素展開充分的布置方案的討論，最終確定隔墻是布置在柱子之間還是外側，拿出最佳方案，應用BIM模型可視化溝通，直觀高效。

2）與業(yè)主使用方的溝通

委托工程建設項目的一般是業(yè)主的建設部門，并不是今后的真正使用部門。因此，在項目建成后，當建設部門向使用部門移交時，使用部門往往會提出許多為了便于后續(xù)運維期間的使用和檢修而需要整改的內(nèi)容，這就會導致現(xiàn)場已完成施工內(nèi)容的返工。應用BIM 模型，在正式開始施工前，先行與業(yè)主的使用部門進行溝通，對著模型，業(yè)主使用部門提出的閥門安裝位置不合理、設備控制箱的布置位置不合理等意見，如懸于空中的閥門不便于檢修，控制箱擋住門扇的開啟，大門控制箱離外門近，容易淋雨燒壞，車間大門外側需設截水溝，防止下雨時雨水朝車間內(nèi)流淌等問題，及時予以調整，直至業(yè)主使用部門滿意，在很大程度上避免了移交時候的整改返工情況，為項目建成后的順利移交打好了基礎。

6.1.5 設計的可視化交底

應用BIM 模型，對鋼結構柱子肩梁、吊車梁輔助系統(tǒng)等較復雜部位的節(jié)點進行分解，并以視頻方式動畫演示安裝工序和工藝，更能清晰地表達設計意圖，提高了溝通效率，也提高了施工單位的識圖能力，有利于提高加工制作的質量。

6.2 施工階段的可視化應用

6.2.1 施工總體組織設計展示

應用BIM 模型對里程碑節(jié)點的進度計劃和施工工序進行模擬，通過將樁基試打、承臺基礎施工、鋼結構吊裝、機電安裝以及大型行車吊裝等關鍵分部分項工程節(jié)點與施工工序相結合，通過可視化的視頻方式，直觀地向各個施工分包展示，使其充分了解施工的關鍵節(jié)點和主要工法，也讓業(yè)主充分知曉了工程的整體進度計劃，有利于固化整個項目的進度計劃。

6.2.2 施工過程的進度計劃管理

為保證業(yè)主進度要求，對項目進行了進度管理與進度模擬，保證在規(guī)定期限內(nèi)完成項目，交付業(yè)主使用。

6.2.3 配合非標設備的采購

應用模型，配合車間中間通道非標柔性大門的采購。模型表示出了預留柔性大門一側周邊的結構形式，另一側已經(jīng)布置的機電管線，以及剖面圖，作為柔性大門技術規(guī)格書的一部分，為大門的招標提供了技術支持。

6.2.4 對專業(yè)分包施工單位進行技術交底

在施工交底技術交流會上，應用BIM 模型，演繹施工重點與難點，使得大家對項目建設做到心中有底。

7 結語

BIM 技術的應用，核心還是業(yè)務領域的專業(yè)技術，BIM 是為其提質增效賦能的。應用BIM 技術，整體提升了項目的質量，修改通知單減少了95%，極大地提高了施工的可實施性和施工的連續(xù)性，大大縮短了項目的建設工期，工期縮短58%，并且保證了項目的品質，控制住了造價！