基于BIM的水铁联运枢纽EPC项目全生命周期管理

朱昌锋，叶前云，刘道宽，张 成，侯耀文

（1. 兰州交通大学 交通运输学院，甘肃 兰州 730070；2.中铁第四勘察设计院集团有限公司 交通市政与港航设计研究院，湖北 武汉 430063）

0 引言

水铁联运枢纽是水运和铁路2种运输方式实现联运的核心纽带，而水铁联运枢纽项目的全生命周期管理模式直接影响着项目建设乃至运维的质量和效率。全生命周期管理（Full Life-cycle Management，FLM）是一种集成的、信息驱动的大型工程项目管理方法，可以有效保障工程项目的进度与质量[1]。由于水铁联运枢纽项目需要水运工程、轨道工程及道路工程等多个专业性很强的行业共同参与，具有多方参与、工程投资大、建设周期长及需要符合相关行业技术标准等复杂特征，给水铁联运枢纽项目的全生命周期管理带来极大挑战。传统的大型项目一般采用设计－招标－建造（Design Bid Build，DBB） 模式，DBB模式是按照设计、招标、施工等分阶段的线性顺序管理思路，建造商无法参与设计工作，组织协调关系复杂，容易产生投资成本失控[1]。随着项目向大型化、综合化、复杂化发展，DBB模式已难以满足大型项目管理的要求。而工程总承包 （Engineering Procurement Construction，EPC） 模式涵盖项目的设计、采购、施工和试运营等全生命周期，可以实现集成管理和整体优化，不仅能够缩短工程项目的规划及建设工期，还能够保证项目的质量。

近年来，有关学者就全生命周期管理及EPC模式开展一定的研究。Guo等[2]提出多维信息系统在项目全生命周期管理中的运用；Zheng、刘强等[3-4]分别提出项目建设的生命周期风险识别理论及风险管控理论；陈雁高等[5]分析提高EPC模式管理效率的措施及对策；武巍[6]分析EPC模式下项目管理存在的风险问题；刘贤才等[7]分析项目建管体制改革背景下EPC模式面临的挑战；Tang[8]提出提升EPC模式各阶段管理效率的措施。

EPC模式虽然可以克服DBB模式的缺点，但由于EPC模式下众多参与方利益的博弈及管理目标的差异性，容易造成各参与方信息共享和组织协调的挑战性[9]，而建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）技术提供一种集成的全生命周期建设信息管理方法。目前，BIM技术已应用于欧美等发达国家大型项目的规划设计、施工和运营等各阶段。张飞涟等[9]提出基于BIM的大型项目全寿命期集成管理体系；何清华等[10]综合分析国内外BIM技术的关键理论及其应用现状；陈丽娟等[11]提出基于BIM技术的大型博览项目全寿命周期管理理论及其平台开发的关键技术；Tan，Lee等[12-13]分析BIM技术在各行业的应用现状及挑战；Zhou等[14]研究基于BIM的EPC项目管理流程及其各阶段组织设计的关键技术。BIM技术不仅可以解决EPC模式存在的问题，也为各参与方协作提供信息管理平台，但由于BIM人才缺乏、集成度低等原因，我国BIM技术主要应用于建筑、石化、水电等领域的辅助设计、三维展示和工程进度管理等方面，近年来，马弯、刘珍珍、解亚龙等[15-17]将BIM技术应用于铁路规划设计，但缺乏BIM技术在水铁联运领域的应用研究，亟待将BIM技术进一步应用于水铁联运EPC等大型复杂工程项目的全生命周期管理领域。

基于此，通过分析水铁联运枢纽项目的特点及其EPC项目全生命周期管理存在的问题，提出基于BIM技术的水铁联运枢纽EPC项目管理平台架构以及各阶段应用流程，以期为更好地实施水铁联运EPC模式提供参考。

1 水铁联运枢纽EPC项目全生命周期分析

1.1 水铁联运枢纽项目特点分析

（1）项目地质条件的复杂性。水铁联运枢纽一般沿河岸或海岸线建造，经常会遇到软土地和夹层等复杂的地质条件和不良的地形条件，尤其是会遇到承载能力很差的地基。在水铁联运枢纽项目建设过程中，需要对不良地基进行加固处理，选用特殊的结构或建筑基础，直接影响着水铁联运枢纽工程项目的建设周期。

（2）项目涉及专业的多样性。水铁联运枢纽是水运、铁路2种运输方式衔接的场所，其项目的规划、设计、建设乃至运维等各阶段需要水运工程、轨道工程、道路工程、环境工程、岩土工程、水利工程、房建工程和消防工程、信息工程等多个专业性很强的行业共同参与，各参与方的装备要求、技术标准及施工法等具有较大的差异性。

（3）项目施工组织的高难度。由于水铁联运枢纽的选址位置一般沿着内河岸或沿海岸线，极易受到水位和海浪的影响，可用施工作业的时间比较短，水上工程量大，而且建筑物会受波浪和盐碱的侵蚀性、耐久性和稳定性等复杂因素的影响。受这些复杂特点的影响，不仅要求施工速度快，而且对工程质量要求高，使得水铁联运枢纽工程施工组织难度较高。

（4）设备采购任务的繁重性。水铁联运枢纽项目建设的牵涉面广，参与方众多且负责不同分项的规划与建设任务。各分项设备规格差异巨大，尤其是水运工程对应的设备往往体积庞大，需要根据港口定做。采购工作需要各参与建设单位协调配合，建立统一的管理制度，其规划与建设工作难度大、任务重，给水铁联运枢纽项目规划建设带来一定的挑战性。

1.2 水铁联运枢纽EPC项目全生命周期分析

水铁联运枢纽项目的全生命周期包括规划决策、正式立项、工程设计、施工建造、竣工交付、运营维护，直至工程退役拆除的整个时间跨度[2]，主要包括决策阶段、实施阶段和运维阶段，3个阶段形成紧密衔接、协调统一的有机整体，贯穿水铁联运枢纽项目的全生命周期。水铁联运枢纽项目全生命周期如图1所示。

水铁联运枢纽项目一般由水运港口单位投资建设，现阶段水运港口项目建设模式采取业主负责制，该管理模式需要对水铁联运枢纽项目的勘察、设计、施工等各阶段分别发包，导致水运港口项目建设管理的协调难度增大，极易产生项目各阶段之间的脱节及工期延长，难以实现水铁联运枢纽项目的全生命周期管理。现阶段港口项目建设管理模式架构如图2所示。

EPC 模式是指由总承包商按照与业主或投资方签订的合同，对水铁联运枢纽项目规划、设计、采购、施工及试运营进行全过程承包，并全面负责项目的进度、成本和质量控制，进而实现水铁联运枢纽EPC项目的全生命周期管理。EPC项目管理模式架构如图3所示。

EPC模式虽然可将项目管理工作延伸至规划阶段，实现水铁联运枢纽EPC项目从规划直至运维的全过程、全方位深度融合，然而，EPC模式下项目的各阶段、各参与方、各专业等方面交叉开展，可能会产生设计方案变更、材料设备属性变更、各专业或各环节存在冲突等现象，要求各阶段、各参与方、各专业及时高效地协调，才能确保项目的顺利实施，降低不必要的风险，但传统二维模式设计软件仅仅可以表达多个专业环节的二维图纸串联关系，存在项目的空间关系难以表达、项目的复杂造型无法刻画、资源无法实现共享、信息难以准确传递、调整工作量大、整体效率低等诸多不足，直接影响着水铁联运枢纽EPC项目的全生命周期管理。

2 基于BIM的水铁联运枢纽EPC项目全生命周期管理平台架构设计

2.1 管理流程分析

BIM可以将虚拟的项目实体模型与项目信息有机融合集成，具有系统性、可视化、协调性、模拟性、可优化性等特点[11]。以EPC模式为BIM的载体，以BIM为EPC模式管理的手段，将项目各个阶段的模型和信息实时更新及存储，在各阶段和各参与方之间共享和传递，实现水铁联运枢纽EPC项目全生命周期管理。

水铁联运枢纽EPC项目的全生命周期包括设计阶段、采购阶段、施工阶段和运维阶段等4个阶段。引入BIM技术后，项目各阶段、各参与方以BIM模型为媒介进行交互协商，模型包含所有参与方的相关数据。利用BIM的可视化功能，设计人员能够直观地理解项目的设计意图，通过项目的前期模拟分析并利用BIM管理平台，EPC总承包商能够很好地实施目标管理，设计、采购、施工和运维等阶段交叉融合协同开展项目实施工作。基于BIM的水铁联运枢纽EPC项目全生命周期管理流程如图4所示。

2.2 管理平台架构构建

基于BIM的水铁联运枢纽EPC项目全生命周期管理是一种集成的、信息驱动的管理方法。通过集成的信息化软件系统，综合集成水铁联运枢纽EPC项目的物理特性（工程三维外观、位置及环境信息等）、工程项目信息（设计参数、项目成本及材料等信息），相关的项目信息由统一的水铁联运枢纽项目数据库提供。基于BIM的水铁联运枢纽EPC项目全生命周期管理体系如图5所示。

根据水铁联运项目的需求以及基于BIM的水铁联运枢纽EPC项目全生命周期管理体系，达到水铁联运EPC项目全生命周期管理的协同性和集成性，建立基于BIM的水铁联运枢纽EPC项目全生命周期管理平台架构。该管理平台架构由用户层、应用层、模型层和数据层组成。其中，用户层通过用户权限，负责与终端用户交互，实现数据的录入、查询、修改等；应用层实现项目进度、投资估算及运维管理等方面的分析，并将分析结果存储在BIM数据库；模型层为管理架构的核心层，可以从数据库中提取数据并生成相应的子模型，满足应用层的不同需求；数据层为水铁联运枢纽项目数据库，可以随时获取水铁联运EPC项目不同阶段、不同参与方所需的各类信息，最终实现数据存储、数据交换和数据应用。基于BIM的水铁联运枢纽EPC项目全生命周期管理平台架构如图6所示。

3 基于BIM的水铁联运枢纽EPC项目全生命周期管理平台功能设计

依据工程建设有关规定及水铁联运枢纽项目各阶段的应用要求，基于BIM的水铁联运枢纽EPC项目全生命周期管理平台包括项目设计管理模块、项目采购管理模块、项目施工管理模块和项目运维管理模块。

3.1 项目设计管理模块

BIM设计团队可以是有设计能力的EPC总承包商下属部门，也可以由总承包商委托专业的BIM咨询方组建。引入BIM技术后，可以发挥设计人员的主导作用，给各专业提供协同设计平台，通过“设计—分析—模拟”3个关键环节，实现协同设计、参数化设计、碰撞检查、性能分析、方案比选、调整优化等功能，最终由EPC总承包商和业主对各BIM应用模型进行审核。

设计阶段工作完成后，业主可以在协同平台上随时了解模型深度及实施效果，总承包商利用BIM模型可以实现设计质量和进度的控制。项目设计管理模块作业流程如图7所示。

3.2 项目采购管理模块

采购阶段是水铁联运枢纽EPC项目实施的中心环节，具有上承设计下联施工的作用，主要包括确定供应商的选择目标、建立供应商评价标准、供应商参与、供应商评估及执行采购合同等阶段。

设计阶段利用BIM模型可以导出设备和材料参数，同时利用BIM算量功能进行采购量的统计；根据施工进度可以实现动态采购，减少仓储成本和承包商资金压力，而且通过BIM信息集成管理平台，实现仓储工作的电子化管理。水铁联运枢纽EPC项目包含大量的定制设备和预制构件，材料参数的准确性是保证采购质量的关键；引入BIM技术后，采购负责人与供应商利用BIM模型和管理平台可以方便、可靠地进行设备信息传递和共享，从而提高采购工作质量和效率。各阶段信息传递均可以通过BIM管理平台实现并集中管理。项目采购管理模块信息传递过程如图8所示，项目采购管理模块作业流程如图9所示。

3.3 项目施工管理模块

施工阶段主要是协调和管理各方资源，将设计模型最终变成实体工程，主要包括施工协同管理（进度和成本的协同管理、材料和成本的协同管理、工作人员的协同管理）和施工过程管理（施工过程质量管理、施工过程进度管理和施工组织协调与管理），核心目标是做好项目质量、进度和安全控制。

引入BIM技术后，对水铁联运枢纽EPC项目施工管理流程进行BIM模型的可视化和模拟，并指导项目施工全过程。根据施工部提供的施工场地和条件，设计部建立基于BIM的施工模型，再由施工部会同采购部编制施工计划报总承包商和设计人员审核。施工进度计划编制和审核利用BIM软件施工进度模拟功能实现，通过模拟分析可以发现设计和施工方案存在的问题，并及时反馈给设计和施工部门进行优化调整，最终生成具有可操作性的施工进度计划。BIM的可视化交底指利用BIM软件模拟施工方案，找出施工要点，对于控制性工程，给施工人员提供三维可视的动态施工过程，并结合实际施工条件进行技术交底，从而指导实际施工。

利用BIM管理平台，可以将施工过程产生的各种信息集成管理，便于各参与方及时发现和处理异常情况。利用BIM管理平台和BIM模型的动态性、可视化、可模拟，进行水铁联运枢纽工程安全、进度和成本实时监控管理。项目施工管理模块作业流程如图10所示。

3.4 项目运维管理模块

运维阶段是水铁联运枢纽EPC项目全生命周期管理的重要阶段，持续的时间远长于工程实施阶段。该阶段主要实现水铁联运枢纽EPC项目信息、空间、维护维修和应急等管理。

引入BIM技术后，根据运营需求，EPC总承包商将具有运维功能的BIM竣工模型交付给业主单位。基于BIM模型可以实现竣工文档和工程信息电子化交付，为后阶段运维管理提供数据支撑。基于BIM模型利用管理平台，可以实现设备资产状态实时精确记录、空间可视化管理、维修维护计划的自动生成和故障的精确定位与报警。

水铁联运枢纽EPC项目运维阶段的管理流程如下：在施工完成后，设计部将初步竣工模型交付施工部，而后施工部添加建设信息形成完善的竣工模型，再由设计部进一步添加设备和物业信息形成BIM竣工交付模型交付给业主运维单位；根据业主运维需求，由设计、采购、施工部门参与，业主运维单位主导完成BIM平台运维子系统开发，最后对参与运营人员进行业务培训，使业主运营单位具备运营管理和模型更新能力。运维单位可以利用基于BIM的运维平台提高水铁联运枢纽运维工作的效率。项目运维管理模块作业流程如图11所示。

4 结束语

随着水铁联运枢纽建设工程逐步向复杂化、大型化、系统化发展，传统DBB管理模式难以满足实际需要，而EPC模式可以实现设计、采购及施工等业务的相辅相成，形成相互协调的有机体。BIM技术可以实现水铁联运枢纽EPC项目各阶段、各参与方的信息共享、集成管理。研究将EPC模式与BIM技术进行优势互补，可以有效地解决水铁联运枢纽EPC项目的全生命周期管理。然而研究仅对一般化条件下的水铁联运枢纽EPC项目进行基于BIM模型的应用设计与管理，在实际项目运用中，需要根据项目的具体特征及需求情况，做出必要的更新调整。