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行业快报

EPC模式下BIM技术在装配式市政公用工程中的应用研究

文字:[大][中][小] 2020-3-24    浏览次数:63    

摘要


本文在介绍EPC模式及BIM技术各自特点的基础上,通过在EPC模式下引入BIM技术,使EPC模式在项目管理中更具优势。以国内首条装配式空中自行车桥工程为案例,针对该项目体量大、建设工期短、受既有BRT高架桥影响、施工环境复杂、项目管理难度大等特点,在建设过程中借助Revit建立三维模型,协同优化设计方案,减少设计变更;利用Navisworks进行进度管理,即有利于施工技术交底、缩短工期,又有利于提高施工质量;通过BIM技术开展现场平面管理可避免或减少施工过程中的安全事故。实践表明,BIM技术的应用,有效提高了EPC模式下的项目管理水平,对今后类似工程建设具有一定的实践指导意义。


关键词:EPC总承包;BIM技术;设计优化;进度管理;安全管理


引 言


EPC(Engineering Procurement Construction)总承包管理模式在我国工程建设领域已推广多年,最初以建筑贸易的形式出现。随着工程建设的发展,设计及施工难度越来越大,设计和施工互相分离,成为2个独立领域,导致出现一系列设计变更、责任划分不清等问题。1970年的CM承包模式也并未从本质上解决该问题。直到20世纪80年代,总承包模式引入我国,得到了广泛关注。在30多年的发展过程中,我国设计、施工单位已从单一的设计、施工逐渐朝EPC模式发展,通过多种不同方式进行EPC总承包管理[1]。然而相较于国外,我国EPC项目总承包模式在利用信息技术辅助项目生产与管理方面较为欠缺,对EPC项目管理水平有一定的影响[2]。


建筑信息模型(Building Information Modeling)简称BIM,BIM技术应用最先从美国开始,之后在英国、芬兰、韩国、新加坡、日本、澳大利亚、欧洲其他地区得到广泛的应用,应用范围已贯穿建设项目的全生命周期[3][4]。我国从2003年开始引进BIM技术,起初主要是在学术领域进行研究,后来国家从政策层面推广BIM技术的应用。王同军(2019)[5]借助BIM技术提出一种全新的铁路工程建设管理模式,覆盖铁路勘察、设计、施工、运维全过程,实现项目协同、阶段协同、专业协同,优化工程项目管理;孙建诚等(2019)[6]结合某公路边坡工程实例,对比研究Revit和Civil 3D软件在公路边坡工程中的BIM应用,结果表明这两款软件从不同建模思路出发,在参数设置、信息量化、模型分析等技术功能上各有侧重;王胜军(2019)[7]通过应用Navisworks Manage平台,提出了一套基于BIM 4D虚拟建造技术的施工进度管理方案,实现了三维模型与施工进度的耦合关联;张立茂等(2018)[8]基于传统建筑工程安全管理存在的问题,对BIM在施工安全管理中的适用性展开分析,重点研究在项目实施各阶段现场安全控制的关键技术。


从整体建筑业发展来看,充分地应用BIM技术,改变现行的建设模式是一种必然趋势。BIM经过十几年的发展,应用已越来越广泛,但关于EPC总承包如何与BIM技术结合的研究报道较少。本文在分析EPC总承包模式和BIM技术应用各自特点及两者结合优势的基础上,依托于国内首条装配式空中自行车桥工程,介绍EPC项目组织架构,从项目设计阶段和施工阶段等方面,对BIM模型、设计方案优化、碰撞检测,以及施工进度管理和工程安全管理展开研究,总结出对装配式市政公用工程进行“EPC+BIM”一体化建设具有参考价值的结论。


1   EPC模式特点及BIM技术优势


EPC总承包模式主要具有以下4个特点:


①单一责任主体。②固定总价。③设计主导。④设计、采购、施工深度融合。工程总承包不是简单的“设计+采购+施工”,而是把三者捆绑在同一个利益体上。


随着城市化的发展,市政公用工程的重要性越发突出。市政公用工程项目主要包括道路、桥梁、轨道交通、管道工程以及城市园林绿化工程等。与其他工程建设项目相比,市政公用工程不仅具备一次性、不可复制等工程建设项目共有的属性,还具有公益性、复杂性、不确定性,且管理难度大。因此,对于市政公用工程来说,采用EPC总承包模式有助于衔接项目建设过程中各个阶段(设计-采购-施工),加快进度,提高工程质量,获得较好的投资效益[9]。但在传统的CAD二维模式下,各参建方沟通及效率低下,协同管理困难,信息的传达可能出现流失和缺漏。


BIM旨在从技术上打通“设计、施工、运维”环节,这一点与EPC模式异曲同工。具有可视化,协调性,模拟性,优化性和可出图性等五大特点,它是以三维模型为载体的数据库,是模型和信息的共同体[10]。BIM技术可使工作流程集成化,提高设计质量,提升施工和运维管理水平。


EPC总承包模式特别强调设计与施工的深度融合,避免设计与施工互相脱离,这也是总承包成功与否的关键。推动BIM技术在工程设计、施工、运行维护全过程的应用,可有效解决设计与施工“各自为政、内部产生利益纠葛、无法形成合力”的弊端。“EPC+BIM”组合的应用价值主要可概括为3点:①协同设计,直观展现;②动态采购,接口管理;③整合现场,精益施工[11]。


为进一步研究BIM技术的引入是如何发挥EPC模式的优势,本文将通过一个实际工程案例,做详细剖析。

2  工程实例分析


2.1项目概况


厦门市空中自行车高架桥位于厦门岛东部云顶路段,沿线与6处BRT站点、2处轨道站点、4处主要商业和行政办公衔接,总长约7.5km。该项目为全国首条装配式空中自行车高架桥,无论是设计,还是施工技术,均无经验可借鉴,需要自主探索创新建设技术[12]。该项目主要难点为:


(1)体量大,建设工期短


自行车桥设计为装配式钢桥,用钢量达30000吨,工程任务重。由于2017年在厦门召开金砖五国领导人会议,为了尽快完成工程任务,需在设计阶段压缩时间,并尽快启动施工,在施工过程中逐步优化设计,使设计及施工交叉同步推进。


(2)施工环境复杂


装配式自行车钢桥施工涉及钢构件的水平运输、空中吊装及安装,在既有BRT高架桥下施工,作业空间有限,且施工期间BRT需正常运营,因此施工难度大。


2.2 EPC总承包管理模式


厦门市自行车桥项目施工工期紧,施工任务重,项目管理难度大,因此通过采用EPC联合体管理模式,集成“央企+地方龙头企业”的优势,对项目进行统一管理,对项目进度、成本、质量目标等各方面进行有效把控,实现一加一大于二的效果。在EPC联合体内,成员各方基本利益及目标一致,施工过程中融合了各自不同的企业文化,相互信任、相互尊重和资源共享,通过有效的沟通交流,使设计、采购和施工有机结合,保证项目目标实现。本项目由中交第三航务工程局有限公司、中建钢构有限公司以及厦门市市政设计院三家单位组成联合体,对项目进行统一管理。项目组织架构如图1所示。为加强项目参与方的协同管理,有效衔接项目设计与施工阶段的信息共享,通过运用BIM技术进行设计,提升设计及施工过程的管理水平。


图1项目组织架构图


2.3 项目设计阶段中的BIM应用


2.3.1  BIM模型的建立


图2厦门空中自行车桥


采用BIM技术建立三维模型,使桥梁从传统的二维平面转为三维空间,不仅有利于自行车桥与BRT的碰撞检测,减少设计错误,而且有利于施工技术交底,缩短工期,提高施工质量。由于自行车桥结构形状较为复杂,因此建模存在以下难点:①存在整体式、分离式以及过渡段钢箱梁三种类型;②与横向人行天桥结合的部分较为复杂;③与既有BRT及车站距离较近的路段较为复杂;④与停车平台连接的部分较为复杂;⑤部分采用异形桥墩。三维建模主要内容包括自行车桥桩基、承台、墩柱和主梁结构等。模型中的信息含构件名称、材质要求、制作方法以及与相关构件的逻辑关系。


(1)桩基、承台和墩柱模型


基于“公制常规模型族”将桩基、承台和墩柱作为一个整体创建。采用实例参数,保证桩长、墩柱高度能按需变化。由于花瓶墩渐变段部分难以在“公制常规模型族”建立,采用“基于公制体量族”建立,再与标准段拼接,如图3所示。



(2)整体式钢箱梁模型


利用“内建模型”,放样出标准断面。分别进行2次放样,一次是以“顶板、底板、中心腹板和外侧腹板”为轮廓;另一次是以“底部的装饰板”为轮廓;接着在“内建模型”中,将中间与两侧的横隔板放样后再阵列,如图4所示。



(3)分离式钢箱梁模型


新建分离式标准断面的左右两侧“轮廓族”,分别在“内建模型”中放样。中间横隔板和外侧隔板同整体式钢箱梁的建模方法,如图5所示。



(4)钢盖梁模型


首先以纵断面图的钢箱梁顶标高连成参照平面,通过“基于线的常规模型族”建立钢盖梁;再通过右视图导入横断面,前视图导入纵断面;利用拉伸命令将分离式和整体式的钢盖梁的顶板、底板、腹板、横隔板、装饰板等一并建立完整,如图6所示。



(5)牛腿模型


建立分离式标准断面的牛腿族,由于桥面坡度为2.499%,因此采用“基于线的常规模型”创建,如图7所示。



BIM建模要点可概括为:①基于工作面利用“公制常规模型族”建立桥墩,增加其限制条件,设置桩底标高;定好钢箱梁标高,调整桥墩顶标高;最后通过预先建立好的辅助线设定出参照平面,自动调整桩长和承台厚度。②利用公制轮廓族,绘制路径,实现钢箱梁拼装。③采用放样融合创建族,生成不同截面的钢箱梁;再通过创建有坡度的工作平面,放置不同截面之间的衔接段。④在做放样融合时,遇到工作平面有坡度,即应在族里新建一个工作平面,再测量出新旧2个参照平面的高差。也就是,将族放入软件中,基于工作平面下偏移的距离,确定高差。⑤在赋予族材质参数时,应关联其组成构件。⑥坡度不一样的钢箱梁,需要制作不一样的族。


2.3.2  设计方案优化


由于自行车快速道部分是沿BRT桥两侧双幅布置,因此在设计时应严格控制自行车桥的标高,满足其净空条件。在设计方案时,无法基于二维的图纸进行优化,此时可利用BIM技术,通过三维模型可视化,确定自行车桥的标高。具体如下:基于Revit建模软件,依次建立BRT和自行车桥的三维模型;利用软件直接测出自行车桥与既有BRT桥的标高,针对不满足设计要求的位置进行优化,如图8所示。


图8空中自行车桥与BRT三维关系


2.3.3  碰撞分析


通过Navisworks软件一键式搜索BIM模型中的碰撞问题并记录,不断反馈修改直至无碰撞。Navisworks碰撞检测示意图如图9所示(红色为出现碰撞)。


图9Navisworks碰撞检测示意图


2.4项目施工阶段中的BIM应用


2.4.1施工进度管理


在钢箱梁拼装和吊装施工过程中,基于BIM的动态施工管理,发挥其各项功能,如在钢梁施工过程中进行动态实时进度管控,对钢梁构件制造、运输、存储、架设等工序进行全方位、多尺度施工模拟,可以有效地提高施工效率,精确计划,减少返工。


下面以吊装施工过程为例,介绍Navisworks动画模拟的方法:首先导入已设计好的Project进度计划,与自行车桥三维模型进行关联,形成4D施工信息模型;其次,对整个施工过程进行可视化模拟,展示自行车桥施工工序,进行动态进度管理,如图10所示;最后,对重要工序进行施工模拟,优化施工方案,见图11。


图10施工进度模拟展示图


图11分幅式钢箱梁吊装

(采用50t和80t汽车吊进行双机抬吊安装)


2.4.2工程安全管理


利用BIM技术,可对施工场地的设备设施进行动态模拟,对各种施工机械之间及与周边建(构)筑物之间的相互交叉进行碰撞分析,对道路通达性以及消防安全隐患进行辨识。


自行车桥设计为装配式钢桥,施工涉及钢构件的水平运输、空中吊装及安装,现场需要调用多种机械设备。由于受现状BRT高架桥下影响,现场作业空间有限,为掌握现场各机具之间的空间位置关系,保证施工现场平面管理的顺利进行,基于设计阶段已建好的BIM模型,构建所需各种机具设备进行仿真模拟,如图12所示。


图12整幅式钢箱梁吊装示意图


3  结论      


(1)通过应用BIM技术,打通设计、采购、施工环节,可使EPC模式管理更加高效,真正实现总承包模式下的设计、施工一体化。


(2)借助BIM技术能够为EPC总承包提供更多的项目安全管理措施,如施工现场平面的仿真模拟,避免或减少项目实施过程中的安全事故及其带来的损失。


(3)对于装配式市政公用工程,在EPC模式下,BIM技术的加入可增强项目信息的共享和互动,也可以达到提高施工效率、节约成本、减少风险和提高建设管理水平的目的。


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