基于“大设计管理”的BIM 技术在某船厂车间EPC 模式中的应用

周艳桃，熊峰，张天生，潘欣钰，盛健

(1.中船第九设计研究院工程有限公司，上海 200090；2.上海宝冶集团有限公司，上海 200941)

1 引言

EPC 项目是承包商承接从设计、采购、施工乃至建成试运行后交付业主的一体化工程总承包模式，也是国家现在所倡导的工程建设项目的承建模式。其主要特点之一是，在项目实施过程中，除了业主的需求改变而引起的变更以外，承包商因设计错漏碰缺（Design Flaws）所产生的变更以及因施工技术和工法应用不当而产生的缺陷(Construction Defects)所导致的返工，并由此引起的工期延误和造价增加，是不能向业主索赔的。应用BIM技术，可以提高水运工程设计质量，有效控制工程的生产效率、成本、工期，对水运工程的建设具有积极意义[1]。

所以，EPC 项目中，管控好设计很重要。高质量的设计文件、施工技术方案，能够有效地衔接好对材料和分包的采购；结合好现场的施工，使得建筑设备和材料具有可采购性，从而减少采购成本；现场施工具有可实施性，从而节省建造成本；运营阶段具有可维护性，从而降低运营成本[2]。真正做到设计联系施工，减少设计变更，因地制宜采购，方便施工，实现“设计、采购、施工”的深度融合，这既能为业主提高项目建成后的获得感，也能为项目创造出更大的盈利[3]。

因此，EPC 项目中应有统管主体设计、深化设计和施工组织设计的“大设计”管理的观念，而BIM（Building Information Modeling）技术在EPC 项目的设计及其管理中的应用，是联系设计与施工的纽带和桥梁，是重要的技术管理抓手之一[4-5]。

2 工程概况简介

某船厂车间单层工业厂房，主要柱距为十多米。其中AB 跨为高跨，设二层起重机行车，上层设起重能力超过200 t 的大跨度行车，下层设常规吨位行车；BC、CD 跨为低跨，设二层起重机行车，上层设起重能力超过200 t的大跨度行车，下层设常规吨位行车。结构形式为钢排架，为特重型钢管混凝土钢结构厂房。耐火等级为二级，防水等级为Ⅱ级。厂房主要用于船舶加工、装配与焊接。项目采用EPC 工程总承包的模式。

3 工程特点和难点

1）项目启动时，工艺设备尚未定型。

2）工期紧，2 年的正常工期缩短为10 个月。

3）钢结构体量大、吊装时间紧，约1.5 万t 用钢量，需在3 个月内吊装完成。

4）结构型式复杂，车间三跨、双层行车，高低跨处柱子左右侧承载行车的肩梁和牛腿4 层错落；除各轴线有作业钢平台外，C 轴还有参观平台和电梯；柱子加工制作要求时间紧、精准度高。因此，要求钢结构三维深化设计提前介入，与钢结构二维设计协同同步进行，并与机电专业三维管线模型协同。

5）设计阶段的机电管线路由、钢结构的预留孔洞、支吊架的预留空间需与钢结构模型协同深化；设计阶段的机电模型要能够传递至施工阶段进行深化设计，需预先考虑预留与施工模型协同。

6）要求屋面钢结构网架体系与机电系统在地面安装后整体提升，需要设计与施工协同，确保机电管线及其支吊架在网架结构中精确定位安装。

7）工艺设备定型后，其设备基础及其电缆沟、电缆井需与机电供电设备协同，确保工艺设备进场安装时，在已完成的地坪上不重新开沟挖槽。

4 BIM 技术的应用策划

针对项目的上述特点和难点，制订BIM 技术应用的方案。

首先，建立起EPC 项目中“大设计管理”的理念，从设计源头上把控好项目的起点。将项目的设计内容分解为“六大设计”部分，即：（1）主体建安工程设计（包括主体工程的土建和机电的设计）；（2）主体建安工程的深化设计；（3）专项工程设计；（4）专业领域的功能（工艺）设计；（5）工程总体施工组织设计；（6）专项工程施工方案设计。

“六大设计”内容既相互独立又相互联系，不仅要确保这些设计自身的设计质量，更要管理好它们之间的协同和衔接，尤其是后续施工技术方案需要前置至设计阶段的内容，应是设计管理的重点。BIM 技术的应用，是实现上述协同应用的重要技术手段。

其次，制订三维设计的工作计划，设定设计和施工阶段的BIM 应用目标，建立相应的组织架构，选定适用的BIM 软件。

5 BIM 技术的协同应用

5.1 设计阶段的协同应用

1）以三维可视化设计为核心，充分应用各专业实体化的三维模型，并进行集成整合，在设计过程中开展设计协同和优化，以优化各专业间的空间关系、机电管线的路由走向等。

2）穿越车间的机电管线，可以利用大门上方结构的抗风桁架，在其内部穿越，而不必在屋架内穿越，可以在较大程度上节约机电管线的路由和降低施工难度。

3）行车采用包络体方式，能单独显隐，可通过碰撞检查一键查询与钢柱的关系，避免碰撞。

4）对行车司机室与登机平台的相对关系，采用了跨模型提取数据实时对比的方式，从工艺模型提取驾驶室高度，在建筑模型提取登机平台高度，二者对比，一目了然，减少错漏。

5）对山墙区域的机电管线路由进行了优化，管线从50m 缩短到37 m，抗风桁架穿行较之传统方案，节省管材，隐蔽美观。

6）对电缆桥架钢平台下方敷设进行优化，电缆桥架从12 m 降至3.5 m 钢平台下敷设，较之传统方案，节约电缆，降低安装难度。

5.2 设计与施工的协同应用

设计阶段充分考虑施工阶段的可施工性对模型的需求，针对施工阶段的深化设计内容，包括机电管线的支吊架、支管、阀门和接头箱的位置等做好预留空间，这样就能将设计阶段的模型有效地传递至施工阶段。施工阶段在设计模型的基础上做进一步的深化和细化，而不至于要重新建模，体现了设计阶段BIM 模型的价值，提高了设计与施工协同应用水平和效率。

5.2.1 钢结构深化设计

钢结构深化设计单位提前介入设计阶段，应用Tekla软件，采用“伴随式”与二维设计同步开展三维建模，并进行协同，先将主体钢结构模型建成后，与其他专业进行协同，同时进一步开展节点的深化设计，这样在二维设计完成的同时，可以同时完成钢结构加工制作图的深化设计，也能准确地统计出用钢量，提高了对分包招标的议价能力。

5.2.2 机电深化设计

1）机电管线路由的深化设计

应用BIM 模型，对出车间需要穿越基础梁的机电管线做进一步的梳理排列，做到在基础梁里预埋套管位置，既合理、准确无误又排列整齐。

2）综合支吊架的深化

原机电各专业设计均选择各自管线的支吊架，并提出参照图集或画出示意图，以及抗震支吊架的要求。但实际工程中各机电专业的管线是相对集中走线的，需要深化设计综合支吊架。设计阶段在机电管线综合时，充分考虑了预留支吊架的位置，以便在施工准备阶段进行深化设计时，可以在设计模型的基础上进一步进行综合支吊架和抗震支吊架的设计和布置，尤其对重点部位进行特别关注，如钢平台下方桥架支吊架布置，高空悬挂支吊架布置，通道大门上方支吊架布置，网架内电缆桥架支撑架布置。

3）对电气供电箱APF、工艺设备控制柜、电缆沟位置进行了深化和优化

由于工艺设备一般至最后才能确定，因此，以往在工艺设备进场前缺乏供电箱位置，与工艺设备电缆沟、控制柜位置的复核，往往导致设备进场安装时，发现电缆沟、电缆井的位置与供电箱的位置错位，进而导致需要开沟挖槽、电缆或不够长或有一段会明敷等问题，造成返工，延误工期、引起索赔。BIM 设计提前介入，对于这些重点部位进行复核，提前解决问题，以免造成延误和索赔。

4）机电末端设备安装位置的深化和优化

对设计不合理的检修阀门位置进行了优化，以方便后期使用与维护。

5.3 施工阶段的协同应用

施工阶段，当各专业分包或设备供货商确定后，由于各个分包和供货商虽然在技术参数上能够满足设计要求，但在安装方法、节点处理上具有各自的特点，因此，非常有必要在正式施工前，应用BIM 技术，将各分包或供货商的模型进行集成和整合。针对以往项目中屋面彩钢板、采光带、屋面通风器、天沟、虹吸排水漏斗在交界面处容易产生节点不匹配、经常发生渗漏水的现象，将上述模型进行整合集成，事前发现问题，改进了节点做法或对节点予以了加强。

6 BIM 的可视化应用

6.1 设计阶段的可视化应用

在设计阶段，利用专业软件，对BIM 模型进行渲染，可实时观看室内漫游环境，直观表现生产环境，与业主沟通更加顺畅。

6.1.1 基于模型的设计会审

运用三维快速布局，可高效可视化推敲、修改、优化方案；SketchUp 设备方案模型深化后导入施工图设计平台Revit，方便快捷，不重复建模，快速发现问题；总装工艺、机电专业，土建模型，进行干涉检查，可直观快速地发现问题并进行设计优化。

6.1.2 模型实时渲染的展示

应用实时渲染软件，对模型中的构件进行材质、光影等的细化和深化，并加入人员的真实比例关系，进行实时渲染动画，极大地提高了三维渲染效果的精度和效率，给人以真实和直观的视觉感受，增加了业主对项目建成后的真实体验感，达到了“所见即所建”。

模型中的构件信息、360°的多视角以及细部的放大观赏方式，让业主和项目参建各方对建筑整体以及细部都可以有较为全面的了解。

6.1.3 对运维期间检修通道的安全性预巡检

应用专业软件，对建成后的车间模型进行检修通道的安全巡检，发现原来的直爬梯存在安全隐患，最后修改为反方向的斜梯。

6.1.4 应用于与业主的沟通

1）确定柱子中间隔墙布置的方案

业主在项目建设过程中，需要在柱子中间增加隔墙。项目设计师应用BIM 模型与业主就增加隔墙后，会涉及影响钢结构构件、上吊车钢梯、垂直电梯、行车、屋面雨水沟等因素展开充分的布置方案的讨论，最终确定隔墙是布置在柱子之间还是外侧，拿出最佳方案，应用BIM模型可视化沟通，直观高效。

2）与业主使用方的沟通

委托工程建设项目的一般是业主的建设部门，并不是今后的真正使用部门。因此，在项目建成后，当建设部门向使用部门移交时，使用部门往往会提出许多为了便于后续运维期间的使用和检修而需要整改的内容，这就会导致现场已完成施工内容的返工。应用BIM 模型，在正式开始施工前，先行与业主的使用部门进行沟通，对着模型，业主使用部门提出的阀门安装位置不合理、设备控制箱的布置位置不合理等意见，如悬于空中的阀门不便于检修，控制箱挡住门扇的开启，大门控制箱离外门近，容易淋雨烧坏，车间大门外侧需设截水沟，防止下雨时雨水朝车间内流淌等问题，及时予以调整，直至业主使用部门满意，在很大程度上避免了移交时候的整改返工情况，为项目建成后的顺利移交打好了基础。

6.1.5 设计的可视化交底

应用BIM 模型，对钢结构柱子肩梁、吊车梁辅助系统等较复杂部位的节点进行分解，并以视频方式动画演示安装工序和工艺，更能清晰地表达设计意图，提高了沟通效率，也提高了施工单位的识图能力，有利于提高加工制作的质量。

6.2 施工阶段的可视化应用

6.2.1 施工总体组织设计展示

应用BIM 模型对里程碑节点的进度计划和施工工序进行模拟，通过将桩基试打、承台基础施工、钢结构吊装、机电安装以及大型行车吊装等关键分部分项工程节点与施工工序相结合，通过可视化的视频方式，直观地向各个施工分包展示，使其充分了解施工的关键节点和主要工法，也让业主充分知晓了工程的整体进度计划，有利于固化整个项目的进度计划。

6.2.2 施工过程的进度计划管理

为保证业主进度要求，对项目进行了进度管理与进度模拟，保证在规定期限内完成项目，交付业主使用。

6.2.3 配合非标设备的采购

应用模型，配合车间中间通道非标柔性大门的采购。模型表示出了预留柔性大门一侧周边的结构形式，另一侧已经布置的机电管线，以及剖面图，作为柔性大门技术规格书的一部分，为大门的招标提供了技术支持。

6.2.4 对专业分包施工单位进行技术交底

在施工交底技术交流会上，应用BIM 模型，演绎施工重点与难点，使得大家对项目建设做到心中有底。

7 结语

BIM 技术的应用，核心还是业务领域的专业技术，BIM 是为其提质增效赋能的。应用BIM 技术，整体提升了项目的质量，修改通知单减少了95%，极大地提高了施工的可实施性和施工的连续性，大大缩短了项目的建设工期，工期缩短58%，并且保证了项目的品质，控制住了造价！