基于BIM的大型EPC项目集成管理研究——以桐乡市全民健身中心项目为例

王鹏飞

(上海慧之建建设顾问有限公司，上海 200092)

引言

近几年，建筑行业的投资总额和建设规模都保持一个高位的增长，建筑业仍然是促进就业和贡献国家GDP的重要引擎。对于单个建设项目的建筑规模大、投资额高，项目管理的集成化程度也越来越高。建设项目的利益相关方包括各参与方共同面临项目建设过程中的投资、技术和管理等风险。因此，如何更好地管控项目实施的风险，项目管理的模式显得尤为重要。传统的设计—招标—施工管理(DBB)模式已经不能满足现代功能复杂的建设项目的综合需求，集成管理模式如国际上推行的EPC模式则能够满足现代建设项目的需求，已成为未来的主要趋势。项目的EPC管理模式将项目实施过程中的主要管理过程和工程风险都转移给了总承包方，业主方只需要做好总体和关键环节的把控，因此，对于总承包方来说有利于成本的优化和管理效率的提升。EPC模式的核心是集成化的管理和交付，要求承包商具有较高的统筹规划和协同集成的能力，这就需要借助能贯穿项目全过程的集成信息技术手段。

BIM技术作为建筑业的革命性技术，逐渐成为EPC项目建设过程中最重要的行之有效的信息技术。BIM技术的应用从根本上解决了EPC项目设计、采购、施工各阶段以及各专业系统间的信息断层问题，全面提高了工程管理的信息化水平和应用效果，能有效减少项目管理风险[1]。随着技术和政策环境的日趋成熟，BIM技术在国内EPC总包工程中的应用将越来越深入。

1 基于BIM的EPC项目集成管理

1.1 BIM技术的集成应用

BIM技术是用集成化的软件创建和应用三维数字化模型，利用其可视化、参数化和自动化的技术特征，在建设项目管理过程中有效地建立、管理和使用建筑信息的过程[2]。项目管理过程中的BIM技术应用强调对建设项目全过程的产品、组织、流程等各类信息进行集成化的表达和管理，应用领域涉及项目全生命期的设计、施工及运营的各个阶段[3,4]。业内普遍认为，统一的产品信息模型的缺乏是项目实施集成化管理的关键阻碍因素[2]，BIM技术实现的建筑产品信息集成将为工程项目实施集成化管理提供基础性支持。美国建筑师协会(AIA)提出了工程项目集成化交付理论IPD(Integrated Project Delivery)[5]， 即在项目的建设过程中通过集成的组织、流程和运行机制可以更好地提高项目目标的实现水平，最终达到为项目增值的目的。IPD的理念与EPC的集成交付具有一致性，BIM技术的应用将会成为支持这种集成交付实现的技术手段。

1.2 EPC模式下的BIM技术应用

EPC(Engineering-Procurement-Construction)模式也称为“设计—采购—施工一体化模式”或“工程总承包模式”，是指建设项目委托给一个独立厂商或者多个厂商，联合对项目整体的施工设计、采购发包、施工管理及竣工交付的全过程进行统一管理。EPC模式在国外的发展得到了推崇，近几年在国内也发展较快，在一些项目中得到应用。总体上，EPC模式相对于传统管理模式，增加了承包商的整体效益，释放了业主的管理和控制，提升了项目整体的设计优化和成本节省，改进了管理流程，提升了管理效率。

EPC项目在执行过程中与传统的DBB等管理模式有所不同。在EPC模式下，业主在工程项目中不用过多地参与项目细节，因此，业主需要组建精简的管理团队或者委托咨询单位对项目进行总体管控。EPC项目实施的各个阶段是搭接穿插进行的，采购阶段可以在设计进行到一定阶段就开始，而其中施工的过程就可以从设计阶段的中期开始[6]。因此，在项目过程中资料的传输、各单位或各部门的沟通等都具有非常高的效率。如图1所示，为EPC管理模式下的组织信息传递的架构。

图1 EPC模式信息组织架构图

项目EPC模式的实施过程也具有一定的局限性。首先，业主对项目的管控度降低，过程信息沟通滞后，导致项目的交付效果不能完全满足业主要求； 其次，EPC项目的承包商管理责任较大，面临的风险也很大，其管理和技术的局限可能会影响整个项目的效果； 最后，项目的不确定因素或者业主的决策变化产生设计变更而导致承包商的成本和工期控制风险大。这些局限性问题归根结底是在传统的管理模式下，EPC项目实施过程中的信息无法有效共享和沟通不及时。BIM技术以其高度信息集成化及协同工作方式等特点，在EPC项目中能够实现各项目数据资源的复用及信息共享[7]，可以加强业主与总承包商之间的信息共享和及时沟通解决问题，有效管控项目风险。BIM技术可以建立各参与方沟通管理体系，使得项目参与各方进行有效的沟通，建立追踪反馈制度，为项目顺利实施提供了保障。EPC模式下的工程设计阶段包含内容多、考虑因素多、技术细节控制多，应用BIM技术后可实现项目成本信息的集成与共享，为设计成果的传递和深化提供了集成化的数字化基座[8]。在EPC项目的施工阶段，使各项管理工作前置，应用BIM技术进行集成管理的过程，通过各阶段模型共同建立与使用，将各种项目信息整合集成到同一模型中，根据项目进展添加、更新和使用相关信息，使得项目信息具有完整性、唯一性和及时性。

EPC模式是一种集成交付模式IPD，BIM技术的发展使得这种集成交付有了实现手段。一些学者将BIM与IPD相结合进行研究，从合同关系的角度来解释BIM的作用。Ashcraft指出，只有BIM和IPD相结合才能使项目集成交付的效益最大化[9]。因此，BIM技术的应用促进了EPC管理模式的实现和改进，项目管理的集成度明显提升，基于BIM的EPC改进模式如图2 所示：

(1)改进模式中业主的管理主导权交给值得信赖的总承包商，在甄选承包商时会优先选取工程项目设计和BIM技术应用经验丰富，且自身企业体系内有施工实施资源的总承包商，EPC承包合同包括设计、BIM咨询及施工等内容[10]；

(2)改进模式要求总承包商制定一套完整的数字化服务体系，提出全过程全员参与的BIM总体要求，承包商内部团队提供BIM技术服务，形成能够完全支持实体工程的集成管理体系[11]；

(3)改进模式要求总承包商制定包含基于BIM的集成系统管理平台能够有效地支持BIM组织、流程、数据的全过程集成管理，EPC项目的BIM集成系统平台应考虑设计协同、采购管理、施工管理协同等。

图2 基于BIM的EPC改进模式

2 EPC项目案例概况

桐乡市全民健身中心项目位于桐乡市梧桐街道绕城北路以南、乌镇大道以东、秋华路以北。项目总建筑面积约9.7万m2，由场馆建筑及配套建筑组成，主要功能为体育场馆，全民健身用房和相关配套用房，桐乡市全民健身中心BIM模型图如图3所示。项目采用EPC模式，工程委托一家综合实力较强的总承包企业负责，包括工程深化设计、采购发包以及施工管理等工作。项目EPC总承包管理团队全过程依托BIM技术，进行项目设计和施工的集成管理。

图3 桐乡市全民健身中心BIM模型图

本EPC项目实施的重难点：

(1)项目工程体量大，建筑功能多，结构造型复杂，工程周边环境复杂，对施工作业要求高，环境保护要求高；

(2)项目开发应用多项新技术，包括地下空间应用技术、大跨度钢结构技术、幕墙体系工程及复杂机电系统工程技术；

(3)项目项目的安全文明和施工质量要求高，确保达到“钱江杯”质量标准和省级安全文明标化工地标准；

(4)总工期紧张，要求在720日历天内完成整个项目的设计、发包、施工、验收交付等全部阶段；

(5)项目专业设计复杂，参与的分包单位众多，7个主要专业现场同步穿插施工，项目的EPC总包管理协调难度大。

3 整体实施框架

3.1 EPC模式下BIM团队组织架构

EPC模式下的BIM团队作为技术支撑团队，嵌入了整个项目的EPC项目组织架构中，形成了一个分工明确、权责清晰并具有独立工作流程的虚拟组织形式，其组织架构分层如图4所示。企业保障层面由业主方BIM中心总控领导，EPC总承包BIM管理层牵头实施，下发任务予EPC总承包BIM操作层各专业人员进行BIM应用落地； 在分析层面由各专业分包单位技术部门牵头，其余部门设置BIM专员进行配合，真正实现“全员BIM”。

图4 BIM团队组织体系

为了更好地发挥BIM技术在EPC总承包项目中的应用优势，在该项目前期，就“如何将BIM技术真正落实到桐乡项目中”进行了深入的考察、调研与探讨。根据项目BIM实施管理大纲规划的BIM应用内容及统一标准，在各专业分包招标前，拟定各专业分包单位具体BIM技术应用要求，以落实业主对于项目BIM工程应用的总体要求。

3.2 BIM应用目标

作为EPC项目的合同履行和服务承诺的落实，本项目设立了以下BIM应用目标：

(1)优化设计，提升设计质量。通过加强设计协调，经济性设计，提升了设计效率和质量，并交付BIM成果延续至施工阶段；

(2)全面应用BIM技术，辅助项目施工管理。施工阶段要求各参建方应用BIM技术，提升设计品质和综合效率，从而辅助实现项目的质量、进度和成本等目标；

(3)可视化模拟，提高方案的综合优越性。基于BIM模拟分析，提高现场施工方案的适合性和科学性，以及管理效率和施工安全质量，节省工期，减少工程变更。

3.3 基于BIM的应用全过程管理服务

桐乡市全民健身中心EPC项目从设计阶段、施工准备阶段、施工阶段、竣工阶段到运维阶段都运用了BIM技术，提供了基于BIM的信息生成、共享、完善、应用全过程管理服务，为该项目带来了很大的社会效益与经济效益。项目BIM全过程应用内容做了详细规划，下文将对重点应用内容进行详细阐述，重点应用将聚焦到设计阶段、施工准备阶段和施工阶段。

4 EPC项目的BIM技术重点应用

本EPC案例项目的BIM技术应用在初期经过详细的规划，对项目的组织、流程和分工以及BIM应用的标准和目标都做了详细的要求。以下详述了项目在搭设协同管理平台，设计阶段、施工准备阶段和施工阶段的重点应用。

4.1 项目BIM协同管理平台的应用

本案例EPC项目在总承包的统一管理协调下的专业承包商较多，项目信息量巨大，信息的存储和交互复杂，为了保证项目信息的及时、统一和共享，在项目初期就搭设了多方参与的协同管理平台SmartPMPBIM。协同管理平台界面如图5所示，平台的主要功能以信息化管理为主，包括项目信息、概览、工程动态、问题报告、BIM模型、文档管理、设备管理、项目设置和系统设置等功能模块。协同管理平台对项目的复杂建筑信息进行了集成化管理和使用，增进了各个参与方的协同和协调，有助于项目BIM应用。项目运用该平台解决了图纸、现场、模型的数据存储和分享问题，达到协同管理的目标。

图5 BIM协同管理平台

4.2 设计阶段BIM技术应用

项目在EPC模式下，在设计之初就已经确定了总承包商，因此BIM技术的应用在本文3.1中所述，总承包商从管理层、操作层和分析层三个层次，对BIM应用工作进行部署并总体把控。施工在设计阶段就提前介入，不但要管控设计的质量，还要考虑后续施工的可建造性。以下列举了设计阶段创建可视化设计模型、碰撞检查与设计优化和网架屋面的标高分析等三个代表性的应用：

(1)可视化设计模型

利用BIM技术建立建筑、结构、机电、钢结构等数据模型，将各个专业模型进行整合，并通过VR技术通过模型将设计意图展示给项目各参与单位。在总承包商的统一协调和管控下，通过BIM技术共享和沟通项目信息，既提高了各参与方的协同工作能力，又提升了总承包商的综合管理效率，图6为各个可视化BIM设计模型。

图6 可视化设计模型

(2)碰撞检测与设计优化

建筑设计的专业和技术环节多，设计图纸的质量与后续施工有些紧密联系，传统的模式导致设计问题暴露滞后，容易发生设计变更和施工返工。EPC模式下，由于施工的提前介入，使得很多设计错误和冲突提前发现并得到解决。本项目利用BIM技术，通过模型整合进行碰撞检查，同时结合净高分析，提前发现并解决净高问题以确保图纸质量。项目已发现的各类设计问题约186个，这些问题在设计过程中不断得到完善和解决，局部图纸审查报告如图7所示。

图7 图纸审查报告

(3)网架屋面标高分析

通过多专业模型整合，提前发现项目篮球馆、游泳馆及羽毛球馆网架屋面结构标高均超过建筑标高，并经现场放样核查发现实际存在的问题。BIM团队基于模型分析、推算理论屋面高度，提供现场复核后，提交设计进行最终复核确认，提前解决网架标高问题，为后续钢结构专业深化应用提供重要依据，标高分析如图8所示。

图8 网架屋面标高分析

4.3 施工准备阶段BIM技术应用

项目在EPC模式下，进入施工准备阶段总承包商在其承包范围内就要代替传统的业主方做总体规划。尤其是对各个分包方的管控，既要做到计划统筹，又要兼顾公平合理。借助BIM技术可以对项目总体资源信息完整掌握，并借助信息化的手段有效调整、合理安排。以下列举了施工准备阶段的施工场布规划、施工材料计划和机房预制加工等三个代表性应用：

(1)施工场布规划

在施工准备期，通过施工总平图BIM模型的比对场布规划的合理性、实用性和绿色经济等多方面提前进行预演，从而保障施工总平布置的最优及各个阶段的机动调整，各施工阶段场地模型如图9所示。

图9 各施工阶段场布图

(2)施工材料计划

EPC模式下的施工材料计划涉及到各个分包，关系到项目推进的效率。基于BIM模型，提前在模型中对ALC板、幕墙等进行排版、分割、标号，确保模型和现场一致，快速导出相应的汇总表与明细表，计量范围并做说明。通过工程部对计量范围及本身工程量估算的交叉检验，保证材料计划的相对准确性，进而更好地实现材料控制，ALC板BIM工程量检核如图10所示。

图10 ALC板BIM工程量检核

(3)机房预制加工

本项目游泳馆地下室空调水泵房为机电管线预制机房，机房整体建筑面积约50m2，区域空间狭窄，管线交叉多，管线排布要求高，且管线预制对设备安装精度高，整体施工难度较大。施工准备阶段，BIM团队依照厂家提供的机组、水泵等设备和阀门、过滤器等附件尺寸大样图深化机房管线BIM模型，并在基础上进行管综排布； 随后成立机电小组，编制专项施工方案，对管件进行拆分，生成二维码，并导出管道分段加工图纸和下料图，交付工厂进行预制加工； 在现场安装前，通过BIM预制施工动画模拟对现场进行技术交底，大大提高了现场效率，更保障了施工人员的安全项目机房预制模型，如图11所示。

图11 机房预制

4.4 施工阶段BIM技术应用

进入施工阶段，本项目EPC的总承包商对分包方的管理进入关键阶段，涉及到质量、工期和投资等项目的综合效益。过程中有巨大的信息量需要实时更新、共享及协调。借助BIM技术可以在充分掌握信息的基础上辅助决策。以下列举了施工阶段的可视化进度管理、三维施工交底和钢结构安装模拟及分析等三个代表性应用：

(1)可视化进度管理

区别于一般施工方，EPC的总承包商对项目进度的把控取决于对各个分包方的工作面安排和工序的有效搭接。基于BIM模型的进度管理，将BIM模型与施工现场进行构件关联，使进度计划与实际进度比对效果更直观，能够快速制定相应的措施进行改进，便于总承包管理决策层对施工进度的快速掌握和有效管理。项目通过BIM模型进行进度模拟，复核各工序搭接及专业间穿插的合理性，确定最优施工进度计划，如图12所示。

图12 项目施工模拟与确定最优施工进度计划

(2)三维施工交底

施工技术交底的传统方式导致交底不清或者有误解。本项目在BIM模式下，借助于VR技术进行现场三维交底。在总承包统一安排下，项目各个分包基于同一数据模型和管理标准，使施工人员充分理解和把握设计意图和施工要点，提升了施工的准确性、减少返工。项目节点交底流程与VR技术三维交底如图13所示。

图13 VR技术三维交底

(3)钢结构安装模拟及分析

钢结构分项工程是本项目的一个重难点，其中三馆屋盖均为倒三角钢管桁架结构，跨度大、重量重，下部为土建楼层结构，施工条件复杂，因此采用何种施工方案是本工程三馆结构的关键。总承包组织钢结构分包方通过BIM技术可视化进行钢屋盖钢结构施工的多方案模拟对比分析论证，最终优选“累积滑移施工方案”进行现场施工，既保证了质量安全，又节省了工期、降低了成本，现场施工方案模拟如图14所示。

图14 钢屋盖施工方案模拟

综上所述，本案例EPC项目的BIM技术的集成化应用包括协同管理平台的应用，以及设计阶段、施工准备阶段、施工阶段的各项代表性应用等都取得了预期的效果。结果表明，本EPC项目总承包商在BIM技术应用的改进模式下，实现了设计阶段的施工提前介入，施工阶段应用BIM技术对各个分包有效管控，既解决了项目的重难点问题，又提升了项目的综合效益。

5 结语

对于越来越多的大型复杂项目，借助BIM技术的EPC集成管理模式将是重要实现手段。通过BIM技术实现了EPC项目从设计、采购、施工各阶段各专业的从产品、组织到流程的各类信息的集成化储存、管理和使用。EPC项目以其特殊的一体化总承包合同关系和各业务并行、各承包商集中的集成化管理过程成为建设项目高效交付的典型示范。BIM技术的应用更加促进了这种示范的实现和改进，即本研究中提出的基于BIM的EPC改进模式实现了承包商甄选的高效优质发包，以总承包牵头的自上而下的集成管理体系的建立，以及基于BIM的集成系统管理平台的项目协同管理。

在实际的EPC项目案例研究中，从包括组织、流程和目标的整体实施框架建立，到设计阶段、施工准备阶段和施工阶段的BIM技术重点应用，进一步验证了BIM技术在EPC项目的集成应用使得桐乡市全民健身中心项目的建设过程从管理理念、组织架构和工作流程，到实现工具和方法都产生了根本性的变革，实现了EPC项目的高效管理和BIM实施价值。