基于建筑工业互联网的EPC 项目设计建造策略——九寨沟景区沟口立体式游客服务设施EPC 实操

霍春龙

EPC（设计-采购-施工）工程总承包是指工程总承包企业按照合同约定，承担工程项目的设计、采购、施工、试运行服务等工作，并对承包工程的质量、安全、工期、造价、功能全面负责。目前我国很多具有建筑工程施工总承包资质的设计单位和具有建筑工程施工总承包特级资质的施工单位开展了长期的EPC项目实践，积累了丰硕的设计、施工和管理经验。近年来，各类重点、大型项目由于建设方案复杂，对设计和施工的要求都越来越高，因此专业的设计单位和施工单位联合开展EPC项目逐渐增多，双方能够优势互补。EPC的重要优势就是强调和发挥设计方的积极作用，严格控制整体建设方案的效果、进度、成本和质量，因此设计单位在牵头EPC项目时，更应从设计策略抓起，指引建造过程，达到统领全局的目标。

1 需要解决的问题

设计单位牵头EPC需要全盘解决协同问题。在建设方案初始阶段就与业主充分沟通，对建设需求与目标详细地分析/研判；依靠人员素质高、专业性强、团队梯度健全的优势，解决复杂项目的拆分、整合、协同问题，并对采购、施工的各个环节进行一定的专业预判，对整体方案的可实施性进行较为准确的评估，从而获得业主信赖。

同时，要求设计单位能够控制好项目的经济性问题。“造价”和“工期”控制是EPC项目成败与否的两大关键点，但由于长期以来形成的固有思维和管理模式，设计院往往对其不够关注。设计师通常更关注“好看”与“好用”，对于设计文件的经济性和可实施性关注度较低。特别是近些年来年轻设计师工地实践的机会越来越少，“微信群”成为了设计院与施工方沟通的主要途径，对于施工图中的工程做法是否合理，或者由于建筑师坚持某些效果而引发的投资急剧提升、工期大幅延长的现象不够敏感。因此设计单位要通过各种技术手段控制好这两个重点，这样设计单位牵头EPC的优势才能充分显现出来，项目的整体控制与推进也会更加顺利。另外，很多设计单位还缺乏与采购、施工单位衔接的EPC管理团队和总承包管理体系。在这种情况下，设计单位牵头的EPC项目就容易在交流沟通上遇到困难，使得项目无法顺利推进。这也是设计单位牵头的EPC项目需要关注的问题之一。

2 问题分析

设计单位牵头的EPC项目要求设计院既要完成传统的设计业务，又要按照总承包管理体系做好项目管理。项目管理的依据是设计文件，它的合理性既决定了项目的投资、工期和质量，也决定了项目管理的难易程度。

（1）设计文件的专业拆分有利于项目管理。EPC项目涉及的专项设计众多，除了主体设计外，景观设计、室内精装修设计、智能化设计、夜景照明设计、导视设计等均需要牵头方整合、集成和协调，避免二次拆分，保证各子项的设计深度和合理性，这就需要牵头方有很强的协同能力并搭配与之配套的管理系统。

（2）设计文件的工业化、标准化有利于控制项目的投资、工期和质量。传统设计中大量构件采用钢筋混凝土现浇体系，而受人工费上涨，工序交叠等因素影响，现浇体系在造价和工期控制方面越来越难以符合既定要求；同时由于施工人员水平不一，现浇构件质量问题频出；现浇过程中模板的搭拆、浇筑，重型机械的使用等等对环境的影响均较大。因此虽然目前该方式仍占主流，但装配式、工业化的体系将更有利于整体项目控制，是未来的发展方向。

（3）设计文件的标准化决定了项目实施的难易程度。很多“让人眼前一亮”的设计文件标准化程度低，大量的构件需要特殊加工定制，规格多，组合设计方法少，为造价和工期控制带来了极大难度。部分设计文件技术论证不足，往往为了保证方案的效果，采用大量未经论证的新材料、新工艺和新方法，很难用工业化建造的方法推进实施，因此虽然在方案阶段避免了建筑风貌的千篇一律，但实际却很难落地。

（4）数字化技术在设计文件中的推广应用更加有利于项目管理。住房和城乡建设部等部门《关于加快新型建筑工业化发展的若干意见》有4点内容非常适用于EPC项目：大力推广建筑信息模型（BIM）技术、加快应用大数据技术、推广应用物联网技术、推进发展智能建造技术。

因此，加强专业协同及方案阶段的技术论证，采用工业化的建造理念，融合互联网技术指导设计文件的产生，是设计单位牵头EPC项目的必由之路。

3 设计策略

设计文件的合理性决定了EPC项目的投资、工期和质量可控，也能够使设计单位的项目管理工作难度大幅下降。本文总结了九项适应设计单位牵头EPC模式的设计文件产生策略：1）注重策划在前期方案阶段的作用；2）在方案阶段即以建筑工业化的思想指导设计；3）尽量采用标准化的钢结构体系、钢-混凝土组合结构体系、木结构体系，以利于数智建造；4）建立数字模型支撑智能建造；5）以造价为导向全面采用BIM技术；6）结合AR技术，组织有丰富工地经验的设计师进行管线综合；7）建筑内外装修均采用装配式、标准化部品部件；8）建立基于高速泛在的互联网、物联网协同平台；9）建立EPC数据库。

4 项目实施

九寨沟景区沟口立体式游客服务设施项目新建建筑面积2.66万m，总用地面积9万m，包含游客中心、国际交流中心、荷叶宾馆改造、林卡景观、白水河和翡翠河驳岸加固、立交桥及引道建设等。该EPC项目由设计单位牵头，设计内容包括建筑、桥梁、景观园林、室内装修、展陈、智能化、绿建、夜景照明、导视以及河道驳岸治理等多项内容，于2019年初开始动工，2021年9月完成竣工验收并投入使用。

4.1 重视方案阶段前期策划

归纳和总结九寨沟景区震前运营时遇到的问题，勘探和研究震后建设场址地质条件的改变情况，在庄惟敏院士“前策划，后评估”理论的指引下，对交通组织、融入自然、功能定位、绿色智慧建筑等方面进行了详实的前期策划和论证。

项目位于自然保护区入口，流畅的造型充分融入周边自然环境，被广泛认可，但也为造价和工期的控制带来空前挑战，加之涉及子项众多，因此在项目开始之初按照EPC设计管理的9条策略制定了实施路径：1）先算造价再设计，将主体建筑、室外景观、路桥、装修等拆分成若干子项，参考既有数据库，严格控制每个子项造价，特别是在确立了绿建三星和LEED金质认证目标后，充分考虑节能部分的投资；2）设计阶段建立全专业、全过程数字模型，以数字模型指导智能建造——数智建造；3）采用建筑工业化建造理念，主体采用钢结构，主要的标志性入口采用木结构，这些结构体系均可以在工厂加工后运到现场安装，便于控制造价、加工安装的时间、成品质量和建成效果；4）主体结构采用钢-混凝土组合结构，充分保证梁下净高，提高施工速度，减少施工期间对环境的影响；5）充分发挥互联网和BIM技术优势，整体统筹各设计子项；6）应用各方均可参与的施工阶段管理平台，从设计角度管理实施过程。

4.2 特色钢结构

九寨沟景区沟口立体式游客服务设施的游客集散中心最大的特点是采用钢结构作为主受力体系，流畅的建筑造型由不同曲度的钢梁组成，采用36根开花钢柱撑起集散平台，实现了力学和美学的高度统一。开花柱若采用钢筋混凝土现浇的方法，支模、浇筑振捣难度很大，而且拆模后外观差异较大，而采用钢结构能解决上述难题，并且很好地控制了造价、加工安装周期和成品质量。

（1）异形钢结构通过数字模型下料并组装：设计阶段通过Rhino与Tekla Structures两种软件协作创建钢结构模型，既保证了建筑专业向结构专业的数字衔接，又能够向Revit模型完整过渡，便于与整体模型的BIM平台对接。钢结构模型以数字化方式传递给钢材套料软件，充分利用材料，减少废料，节约成本。套料软件生成的数控程序通过网络远程传输至工厂车间后启用下料程序，数控火焰和等离子切割机全过程、自动、数字化实施，节省人力且精度很高。工厂在制作过程中专门针对本项目设计了开花柱弧形焊接的小车埋弧焊轨道，一次成型，构件的外观精度高、焊缝质量好。

（2）智能物联网

钢结构制作使用全周期联网查询系统，以条码为媒介接驳物联网，无缝跟踪和接受物联网信息，不同阶段的条形码录入后，会自动同步至BIM平台。

（3）数字化管理系统

本工程使用钢结构BIM系统的8个模块：工程计量、综合信息、库存管理、供应商管理、合同管理、生产管理、图纸文档管理、系统设置，极大促进了现场智能化安装及数字化商务管理。

1 自动化套料软件界面

2 软件算法计算排版结果

3 数控火焰切割下料

4 等离子数控切割下料

5 小车埋弧焊

6 产品条码扫描

7 产品云端APP 系统

《加快推进新型建筑工业化推动城乡建设绿色高质量发展》一文指出：装配式建筑能从根本上改变施工现场“脏乱差”的局面，有效降低建造过程的大气污染和建筑垃圾排放，最大程度减少扬尘和噪声等环境污染，助力城市环境改善和生态文明建设。项目用实践印证了上述特点，传统的装配式钢结构大多横平竖直，而该项目中大量的空间曲面钢结构通过建筑工业化设计、加工、安装技术与互联网的紧密配合，使主体结构达到了造价可控、工期可控、质量可控、效果还原的既定目标，为更多特色钢结构EPC项目提供了借鉴。

4.3 大跨度互承式胶合木结构

九寨沟景区沟口立体式游客服务设施入口罩棚是国内首次采用互承式胶合梁体系的大跨度复杂曲面木结构，结构即是美学，亲切环保。跨度35～40m，以费马螺旋线（自然界很多花序的几何线性，如向日葵）为格构形式，木梁间采用互承式结构体系，彼此互为主梁，解决了木构件长度受运输限制的问题，也保证了梁高一致。建筑模型经结构软件计算通过后，采用机器人进行柔性智能加工。

项目实现与BIM无缝对接（模型直接转化成机器人执行程序）：参数化设计的方式可以直接将数据用于智能生产，智能制造程序编写人员利用参数化软件编写生成加工数据的通用程序，机械臂调取数据进行加工。

互承式胶合木结构作为一种新颖的结构体系在本项目中的顺利应用，并能如期、按照既定造价保质完成，完全得益于工业化的设计思路和互联网软件的加持。很多设计单位之所以不愿意在EPC项目中大胆创新，仅仅为控制造价而尽可能采用传统技术，就是由于缺乏对建筑工业化和信息化的充分认识，忽略了它们能够对造价和工期实现精确控制的优势，这些技术的应用推广将对EPC项目的创新进步带来巨大贡献。

4.4 钢-混凝土组合结构体系

钢-混凝土组合结构充分发挥了两种建筑材料的力学特性——钢材受拉性能好、混凝土受压性能好，两者是建筑工业化在设计层面的最佳组合。我国著名结构工程专家、中国工程院院士、清华大学聂建国教授经过二十几年的技术积累和工程实践，总结出钢-混凝土组合结构相比单纯混凝土结构或单纯钢结构的巨大优势：更安全、更舒适、更经济、更环保、更耐久、更美观。本项目中多个子项采用了这种合理高效的结构形式。

白河桥跨越白水河，采用钢-混凝土组合梁结构，单跨24m。新建组合结构跨中梁高仅0.4m，高跨比1/45，相比于原钢结构桥1.2m的梁高减少了67%。同时，对桥形进行调整，通过跨中起拱的桥形方案，使实际泄洪净空增加到1.4m，在桥面不抬高的情况下，彻底解决了雨季洪水泛滥梁高阻水的问题。

本项目的钢结构构件全部由工厂预制生产，现场装配式组装施工。建设时，在河道内未设置任何临时支撑，实现了免支撑、免模架施工，仅用1个月就完成了桥面施工，极大缩短了工期。若采用传统的混凝土结构桥梁，需要在河中搭设满堂支撑，施工周期至少2个月，同时期间将对河道的疏浚造成极大影响。

组合桥梁结构的用钢量仅145kg/m，而传统的钢结构方案每平米用钢量达240kg/m，钢材用量节约40%，综合建造成本降低30%以上。此外，下部钢结构的杆件数量相比于传统的钢结构也减少50%以上。所有钢梁均在工厂整体制作和喷漆防腐，保证了结构的耐久性，再加上混凝土桥面板的保护，整体结构的养护和维修周期相较于传统的钢结构桥梁，由5年延长至10年以上。

8 BIM 系统构件信息跟踪流程

9 机器人柔性加工可视化数据仿真

10 建筑专业Rhino 模型

11 结构专业计算模型

钢-混凝土组合结构在造价、工期和质量控制方面的巨大优势使得这一结构形式成为EPC项目的首选。

4.5 以造价为导向建立全专业BIM模型

BIM模型在EPC项目中具有重要作用，除能够以数字化方式指导施工之外，很多设计单位往往忽视了其快速算量功能。

传统的设计院和EPC牵头方在控制造价方面很大程度依赖造价工程师，但传统的算量软件多以二维图纸进行计算，精确度不高，耗时过长，经常出现修改方案后需要整体重新绘图和计算造价这样浪费人力、物力和时间的情况。

设计单位牵头的EPC项目在施工图阶段采用正向BIM技术进行设计，能够很大程度提高设计文件的精准度。在开展正向BIM之前，项目负责人要针对项目的特殊性制定BIM数据交互标准，充分考虑算量软件对BIM模型中“Information”的要求，这样，BIM技术既能发挥施工指导作用，也能快速生成工程量清单，边设计、边算量、边优化，充分发挥其控制造价的功能。

九寨沟景区沟口立体式游客服务设施2019年初开展施工图设计，当时力求采用BIM算量软件控制造价，但受BIM整体水平和国内软件企业开发产品的制约，在屡次尝试后均未取得理想结果。目前国产BIM算量软件正越来越完善，相信不久的将来，造价工程师的工作量将大幅下降，工作内容也将由计算转为软件监督。

4.6 组织有丰富工地经验的设计师进行管线综合

BIM模型在解决管线综合方面直观、高效，对EPC项目的推进有非常重要的指导意义。九寨沟景区沟口立体式游客服务设施在施工图阶段应用BIM技术对室内外管网进行详细排布，解决了主要的管线布置问题。但在施工过程中发现成果仍然存在一些瑕疵：1）设计人员的工地经验较少（大多数BIM从业人员非常年轻），管网综合时对安装最小距离的考虑过于理想化，以至于施工人员无从下手；2）重点对水平主管网进行综合，对垂直翻弯的个别消防管道不够重视，以至于消防立管无法连接；3）对管网完全安装后的检修空间考虑不足，以至于最上层管网一旦出现泄漏，需要将下层管网拆下检修，不利于管线运维；4）设备专业图纸中很多管径数值表达的是内径，加上壁厚以及保温层后吊顶高度降低较多。

该管网综合成果在实施过程中经历了几次拆改才达到满足使用、满足规范、满足净高的要求，但产生了返工的费用，也拖延了子项的工期。返工的费用由设计单位承担，子项工期的延后由设计单位优化后续工作进行弥补，总之，设计单位作为牵头方，应对设计文件的瑕疵承担责任。通过不断磨合，累计经验，高效成熟的BIM管线综合将减少甚至避免后期的返工、拆改、绕行，能够显著促进EPC项目的建设效率，值得大力推广。

4.7 AR技术应用

增强现实（Augmented Reality，AR）技术是一种将虚拟信息与真实世界相融合的技术。在建设工程中，AR技术应用是一个全新的领域，能有效提高管理效率，非常值得推荐。

本项目通过AR技术将游客中心隐蔽工程BIM模型与实体建筑在真实三维空间中的精准位置进行可视化融合显示，从而使得设计、施工、建造、验收、维护等环节的工作人员能够以直观、可视化的方式查看现实场景中的相关建筑、设备、管线等的资料和信息，实现机电设备、管线等的安装巡检可视化，并为建筑整个生命周期中的高质量管理提供智慧支撑。本项目中使用的光标签定位基站是一种新型硬件设备，只需要供电线路或者移动电源即可工作，易于部署，并适用于室内外各种场所。定位基站在工作时向外发出编码光信号，工作人员可以通过智能设备（例如手机、平板电脑、智能眼镜等）远距离接收编码光信号，并对其进行解析，从而实现两个重要功能：1）与定位基站进行远距离信息交互；2）确定智能设备在空间中的位置和姿态信息（6 DoF）。上述两个功能是实现真实三维空间内的沉浸式BIM+AR应用的基础。设计、施工、验收、维护等环节的工作人员使用智能设备在游客中心现场扫描场所中部署的光通信基站后，能够通过AR方式查看在精准位置以1：1比例与现实场景融合显示的BIM模型，并能够对其进行各种操作与交互，查看与其相关的各种详细信息。

12 钢结构开花柱建成实景图

13 钢结构开花柱效果图

14 大罩棚建成实景图

15 大罩棚木结构效果图

16 24m 跨组合结构桥建成实景图

1724 m 跨钢结构桥梁高

4.8 装配式室内装修

EPC项目在主体建筑施工阶段的工期和造价控制难度系数不是很高，但到了室内精装修阶段，也就是整个项目的后期，大多数项目的推进均不理想。原因如下：1）室内精装修较多使用液态建材，比如腻子、水泥砂浆、各种粘接剂等，这些材料需要经验丰富的工人一遍遍涂抹，找平层干透才能施工粘接层，工期很难加快；2）人工费上涨，手艺精湛的装修工人寥寥无几，工作面大，工人少，工序繁琐，施工时间必然延长；3）很多边角现场加工，需要反复测量再进行切割后粘贴，耗时费力；4）很多室内建筑材料可挥发物超标，装修后室内空气质量不达标，进而返工。因此，设计单位牵头的EPC项目要想在冲刺阶段继续控制好造价、工期和质量，应当首选装配式装修方式：将工厂生产的内装部品，在现场采用干式工法进行组合安装。

装配式装修对设计单位BIM技术的应用提出了更高要求，因为在主体建成结构复核过BIM模型，所以装配式装修可以节省一半以上的装修工人，将装修的复杂工序简化为部品干挂，便于运维，而且工厂生产的室内干挂建材可实现零挥发物，减少碳排放，满足高装配率要求。该项目在实施阶段并未采用装配式装修，以至原本可以提前的工期在室内精装修阶段未能实现。

装配式建筑高效节能，是建筑行业在“碳达峰、碳中和”目标下实现节能减排的重要技术路径。龙湖地产最近采用的装配式精装修系统若能被更多的EPC项目采用，则打通了装配式建筑的最后一关，建筑全过程的装配式将极大促进我国EPC项目的管理水平。

5 结语

不同于常规EPC项目，九寨沟景区沟口立体式游客服务设施设计团队以流畅的曲线造型呼应九寨沟自然保护区的自然环境，这对造价、工期和质量控制提出了非常高的要求。设计单位在设计开始之初通过项目策划确立了建筑工业化的设计、建造思想，充分利用当今发达的数字化手段与互联网技术，发挥装配式、钢结构、钢-混凝土组合结构的工业化优势，大胆使用装配式木结构，并结合BIM技术，以“数智建造”方法圆满完成了合同内约定的建设内容和建设标准。项目整体造价控制在合同约定的限额范围内，工期满足合同要求，施工质量优秀，并已通过四川省天府杯评审。多项技术手段的应用保障了项目的顺利实施，也为其他EPC项目提供了很多可供借鉴的方法和技术路线。设计、施工和运维的过程数据均已完备记录于设计单位数据库中，也能为未来设计单位牵头的EPC项目提供详尽的数据支持。

18 光标签

19 虚拟管线与真实场景叠加

23 室内装配式装修示意

1-8 中建钢构四川有限公司提供

9,10,12-17 清华大学建筑设计研究院有限公司提供

11 苏州昆仑绿建木结构科技股份有限公司提供

18,19 北京外号科技信息技术有限公司提供

20-23 北京龙智造科技有限公司提供

项目名称：九寨沟景区沟口立体式游客服务设施

设计单位（EPC 牵头方）：清华大学建筑设计研究院有限公司

施工总承包单位：陕西建工第九建设集团有限公司

勘察单位：四川省川建勘察设计院有限公司

监理单位：成都衡泰工程管理有限责任公司

建设单位：九寨沟风景名胜区管理局

AR 运维演示

林卡景观夜景 © 清华大学建筑设计研究院有限公司