基于BIM的水鐵聯運樞紐EPC項目全生命周期管理

朱昌鋒，葉前云，劉道寬，張 成，侯耀文

（1. 蘭州交通大學 交通運輸學院，甘肅 蘭州 730070；2.中鐵第四勘察設計院集團有限公司 交通市政與港航設計研究院，湖北 武漢 430063）

0 引言

水鐵聯運樞紐是水運和鐵路2種運輸方式實現聯運的核心紐帶，而水鐵聯運樞紐項目的全生命周期管理模式直接影響著項目建設乃至運維的質量和效率。全生命周期管理（Full Life-cycle Management，FLM）是一種集成的、信息驅動的大型工程項目管理方法，可以有效保障工程項目的進度與質量[1]。由于水鐵聯運樞紐項目需要水運工程、軌道工程及道路工程等多個專業性很強的行業共同參與，具有多方參與、工程投資大、建設周期長及需要符合相關行業技術標準等復雜特征，給水鐵聯運樞紐項目的全生命周期管理帶來極大挑戰。傳統的大型項目一般采用設計－招標－建造（Design Bid Build，DBB） 模式，DBB模式是按照設計、招標、施工等分階段的線性順序管理思路，建造商無法參與設計工作，組織協調關系復雜，容易產生投資成本失控[1]。隨著項目向大型化、綜合化、復雜化發展，DBB模式已難以滿足大型項目管理的要求。而工程總承包 （Engineering Procurement Construction，EPC） 模式涵蓋項目的設計、采購、施工和試運營等全生命周期，可以實現集成管理和整體優化，不僅能夠縮短工程項目的規劃及建設工期，還能夠保證項目的質量。

近年來，有關學者就全生命周期管理及EPC模式開展一定的研究。Guo等[2]提出多維信息系統在項目全生命周期管理中的運用；Zheng、劉強等[3-4]分別提出項目建設的生命周期風險識別理論及風險管控理論；陳雁高等[5]分析提高EPC模式管理效率的措施及對策；武巍[6]分析EPC模式下項目管理存在的風險問題；劉賢才等[7]分析項目建管體制改革背景下EPC模式面臨的挑戰；Tang[8]提出提升EPC模式各階段管理效率的措施。

EPC模式雖然可以克服DBB模式的缺點，但由于EPC模式下眾多參與方利益的博弈及管理目標的差異性，容易造成各參與方信息共享和組織協調的挑戰性[9]，而建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）技術提供一種集成的全生命周期建設信息管理方法。目前，BIM技術已應用于歐美等發達國家大型項目的規劃設計、施工和運營等各階段。張飛漣等[9]提出基于BIM的大型項目全壽命期集成管理體系；何清華等[10]綜合分析國內外BIM技術的關鍵理論及其應用現狀；陳麗娟等[11]提出基于BIM技術的大型博覽項目全壽命周期管理理論及其平臺開發的關鍵技術；Tan，Lee等[12-13]分析BIM技術在各行業的應用現狀及挑戰；Zhou等[14]研究基于BIM的EPC項目管理流程及其各階段組織設計的關鍵技術。BIM技術不僅可以解決EPC模式存在的問題，也為各參與方協作提供信息管理平臺，但由于BIM人才缺乏、集成度低等原因，我國BIM技術主要應用于建筑、石化、水電等領域的輔助設計、三維展示和工程進度管理等方面，近年來，馬彎、劉珍珍、解亞龍等[15-17]將BIM技術應用于鐵路規劃設計，但缺乏BIM技術在水鐵聯運領域的應用研究，亟待將BIM技術進一步應用于水鐵聯運EPC等大型復雜工程項目的全生命周期管理領域。

基于此，通過分析水鐵聯運樞紐項目的特點及其EPC項目全生命周期管理存在的問題，提出基于BIM技術的水鐵聯運樞紐EPC項目管理平臺架構以及各階段應用流程，以期為更好地實施水鐵聯運EPC模式提供參考。

1 水鐵聯運樞紐EPC項目全生命周期分析

1.1 水鐵聯運樞紐項目特點分析

（1）項目地質條件的復雜性。水鐵聯運樞紐一般沿河岸或海岸線建造，經常會遇到軟土地和夾層等復雜的地質條件和不良的地形條件，尤其是會遇到承載能力很差的地基。在水鐵聯運樞紐項目建設過程中，需要對不良地基進行加固處理，選用特殊的結構或建筑基礎，直接影響著水鐵聯運樞紐工程項目的建設周期。

（2）項目涉及專業的多樣性。水鐵聯運樞紐是水運、鐵路2種運輸方式銜接的場所，其項目的規劃、設計、建設乃至運維等各階段需要水運工程、軌道工程、道路工程、環境工程、巖土工程、水利工程、房建工程和消防工程、信息工程等多個專業性很強的行業共同參與，各參與方的裝備要求、技術標準及施工法等具有較大的差異性。

（3）項目施工組織的高難度。由于水鐵聯運樞紐的選址位置一般沿著內河岸或沿海岸線，極易受到水位和海浪的影響，可用施工作業的時間比較短，水上工程量大，而且建筑物會受波浪和鹽堿的侵蝕性、耐久性和穩定性等復雜因素的影響。受這些復雜特點的影響，不僅要求施工速度快，而且對工程質量要求高，使得水鐵聯運樞紐工程施工組織難度較高。

（4）設備采購任務的繁重性。水鐵聯運樞紐項目建設的牽涉面廣，參與方眾多且負責不同分項的規劃與建設任務。各分項設備規格差異巨大，尤其是水運工程對應的設備往往體積龐大，需要根據港口定做。采購工作需要各參與建設單位協調配合，建立統一的管理制度，其規劃與建設工作難度大、任務重，給水鐵聯運樞紐項目規劃建設帶來一定的挑戰性。

1.2 水鐵聯運樞紐EPC項目全生命周期分析

水鐵聯運樞紐項目的全生命周期包括規劃決策、正式立項、工程設計、施工建造、竣工交付、運營維護，直至工程退役拆除的整個時間跨度[2]，主要包括決策階段、實施階段和運維階段，3個階段形成緊密銜接、協調統一的有機整體，貫穿水鐵聯運樞紐項目的全生命周期。水鐵聯運樞紐項目全生命周期如圖1所示。

水鐵聯運樞紐項目一般由水運港口單位投資建設，現階段水運港口項目建設模式采取業主負責制，該管理模式需要對水鐵聯運樞紐項目的勘察、設計、施工等各階段分別發包，導致水運港口項目建設管理的協調難度增大，極易產生項目各階段之間的脫節及工期延長，難以實現水鐵聯運樞紐項目的全生命周期管理。現階段港口項目建設管理模式架構如圖2所示。

EPC 模式是指由總承包商按照與業主或投資方簽訂的合同，對水鐵聯運樞紐項目規劃、設計、采購、施工及試運營進行全過程承包，并全面負責項目的進度、成本和質量控制，進而實現水鐵聯運樞紐EPC項目的全生命周期管理。EPC項目管理模式架構如圖3所示。

EPC模式雖然可將項目管理工作延伸至規劃階段，實現水鐵聯運樞紐EPC項目從規劃直至運維的全過程、全方位深度融合，然而，EPC模式下項目的各階段、各參與方、各專業等方面交叉開展，可能會產生設計方案變更、材料設備屬性變更、各專業或各環節存在沖突等現象，要求各階段、各參與方、各專業及時高效地協調，才能確保項目的順利實施，降低不必要的風險，但傳統二維模式設計軟件僅僅可以表達多個專業環節的二維圖紙串聯關系，存在項目的空間關系難以表達、項目的復雜造型無法刻畫、資源無法實現共享、信息難以準確傳遞、調整工作量大、整體效率低等諸多不足，直接影響著水鐵聯運樞紐EPC項目的全生命周期管理。

2 基于BIM的水鐵聯運樞紐EPC項目全生命周期管理平臺架構設計

2.1 管理流程分析

BIM可以將虛擬的項目實體模型與項目信息有機融合集成，具有系統性、可視化、協調性、模擬性、可優化性等特點[11]。以EPC模式為BIM的載體，以BIM為EPC模式管理的手段，將項目各個階段的模型和信息實時更新及存儲，在各階段和各參與方之間共享和傳遞，實現水鐵聯運樞紐EPC項目全生命周期管理。

水鐵聯運樞紐EPC項目的全生命周期包括設計階段、采購階段、施工階段和運維階段等4個階段。引入BIM技術后，項目各階段、各參與方以BIM模型為媒介進行交互協商，模型包含所有參與方的相關數據。利用BIM的可視化功能，設計人員能夠直觀地理解項目的設計意圖，通過項目的前期模擬分析并利用BIM管理平臺，EPC總承包商能夠很好地實施目標管理，設計、采購、施工和運維等階段交叉融合協同開展項目實施工作。基于BIM的水鐵聯運樞紐EPC項目全生命周期管理流程如圖4所示。

2.2 管理平臺架構構建

基于BIM的水鐵聯運樞紐EPC項目全生命周期管理是一種集成的、信息驅動的管理方法。通過集成的信息化軟件系統，綜合集成水鐵聯運樞紐EPC項目的物理特性（工程三維外觀、位置及環境信息等）、工程項目信息（設計參數、項目成本及材料等信息），相關的項目信息由統一的水鐵聯運樞紐項目數據庫提供。基于BIM的水鐵聯運樞紐EPC項目全生命周期管理體系如圖5所示。

根據水鐵聯運項目的需求以及基于BIM的水鐵聯運樞紐EPC項目全生命周期管理體系，達到水鐵聯運EPC項目全生命周期管理的協同性和集成性，建立基于BIM的水鐵聯運樞紐EPC項目全生命周期管理平臺架構。該管理平臺架構由用戶層、應用層、模型層和數據層組成。其中，用戶層通過用戶權限，負責與終端用戶交互，實現數據的錄入、查詢、修改等；應用層實現項目進度、投資估算及運維管理等方面的分析，并將分析結果存儲在BIM數據庫；模型層為管理架構的核心層，可以從數據庫中提取數據并生成相應的子模型，滿足應用層的不同需求；數據層為水鐵聯運樞紐項目數據庫，可以隨時獲取水鐵聯運EPC項目不同階段、不同參與方所需的各類信息，最終實現數據存儲、數據交換和數據應用。基于BIM的水鐵聯運樞紐EPC項目全生命周期管理平臺架構如圖6所示。

3 基于BIM的水鐵聯運樞紐EPC項目全生命周期管理平臺功能設計

依據工程建設有關規定及水鐵聯運樞紐項目各階段的應用要求，基于BIM的水鐵聯運樞紐EPC項目全生命周期管理平臺包括項目設計管理模塊、項目采購管理模塊、項目施工管理模塊和項目運維管理模塊。

3.1 項目設計管理模塊

BIM設計團隊可以是有設計能力的EPC總承包商下屬部門，也可以由總承包商委托專業的BIM咨詢方組建。引入BIM技術后，可以發揮設計人員的主導作用，給各專業提供協同設計平臺，通過“設計—分析—模擬”3個關鍵環節，實現協同設計、參數化設計、碰撞檢查、性能分析、方案比選、調整優化等功能，最終由EPC總承包商和業主對各BIM應用模型進行審核。

設計階段工作完成后，業主可以在協同平臺上隨時了解模型深度及實施效果，總承包商利用BIM模型可以實現設計質量和進度的控制。項目設計管理模塊作業流程如圖7所示。

3.2 項目采購管理模塊

采購階段是水鐵聯運樞紐EPC項目實施的中心環節，具有上承設計下聯施工的作用，主要包括確定供應商的選擇目標、建立供應商評價標準、供應商參與、供應商評估及執行采購合同等階段。

設計階段利用BIM模型可以導出設備和材料參數，同時利用BIM算量功能進行采購量的統計；根據施工進度可以實現動態采購，減少倉儲成本和承包商資金壓力，而且通過BIM信息集成管理平臺，實現倉儲工作的電子化管理。水鐵聯運樞紐EPC項目包含大量的定制設備和預制構件，材料參數的準確性是保證采購質量的關鍵；引入BIM技術后，采購負責人與供應商利用BIM模型和管理平臺可以方便、可靠地進行設備信息傳遞和共享，從而提高采購工作質量和效率。各階段信息傳遞均可以通過BIM管理平臺實現并集中管理。項目采購管理模塊信息傳遞過程如圖8所示，項目采購管理模塊作業流程如圖9所示。

3.3 項目施工管理模塊

施工階段主要是協調和管理各方資源，將設計模型最終變成實體工程，主要包括施工協同管理（進度和成本的協同管理、材料和成本的協同管理、工作人員的協同管理）和施工過程管理（施工過程質量管理、施工過程進度管理和施工組織協調與管理），核心目標是做好項目質量、進度和安全控制。

引入BIM技術后，對水鐵聯運樞紐EPC項目施工管理流程進行BIM模型的可視化和模擬，并指導項目施工全過程。根據施工部提供的施工場地和條件，設計部建立基于BIM的施工模型，再由施工部會同采購部編制施工計劃報總承包商和設計人員審核。施工進度計劃編制和審核利用BIM軟件施工進度模擬功能實現，通過模擬分析可以發現設計和施工方案存在的問題，并及時反饋給設計和施工部門進行優化調整，最終生成具有可操作性的施工進度計劃。BIM的可視化交底指利用BIM軟件模擬施工方案，找出施工要點，對于控制性工程，給施工人員提供三維可視的動態施工過程，并結合實際施工條件進行技術交底，從而指導實際施工。

利用BIM管理平臺，可以將施工過程產生的各種信息集成管理，便于各參與方及時發現和處理異常情況。利用BIM管理平臺和BIM模型的動態性、可視化、可模擬，進行水鐵聯運樞紐工程安全、進度和成本實時監控管理。項目施工管理模塊作業流程如圖10所示。

3.4 項目運維管理模塊

運維階段是水鐵聯運樞紐EPC項目全生命周期管理的重要階段，持續的時間遠長于工程實施階段。該階段主要實現水鐵聯運樞紐EPC項目信息、空間、維護維修和應急等管理。

引入BIM技術后，根據運營需求，EPC總承包商將具有運維功能的BIM竣工模型交付給業主單位。基于BIM模型可以實現竣工文檔和工程信息電子化交付，為后階段運維管理提供數據支撐。基于BIM模型利用管理平臺，可以實現設備資產狀態實時精確記錄、空間可視化管理、維修維護計劃的自動生成和故障的精確定位與報警。

水鐵聯運樞紐EPC項目運維階段的管理流程如下：在施工完成后，設計部將初步竣工模型交付施工部，而后施工部添加建設信息形成完善的竣工模型，再由設計部進一步添加設備和物業信息形成BIM竣工交付模型交付給業主運維單位；根據業主運維需求，由設計、采購、施工部門參與，業主運維單位主導完成BIM平臺運維子系統開發，最后對參與運營人員進行業務培訓，使業主運營單位具備運營管理和模型更新能力。運維單位可以利用基于BIM的運維平臺提高水鐵聯運樞紐運維工作的效率。項目運維管理模塊作業流程如圖11所示。

4 結束語

隨著水鐵聯運樞紐建設工程逐步向復雜化、大型化、系統化發展，傳統DBB管理模式難以滿足實際需要，而EPC模式可以實現設計、采購及施工等業務的相輔相成，形成相互協調的有機體。BIM技術可以實現水鐵聯運樞紐EPC項目各階段、各參與方的信息共享、集成管理。研究將EPC模式與BIM技術進行優勢互補，可以有效地解決水鐵聯運樞紐EPC項目的全生命周期管理。然而研究僅對一般化條件下的水鐵聯運樞紐EPC項目進行基于BIM模型的應用設計與管理，在實際項目運用中，需要根據項目的具體特征及需求情況，做出必要的更新調整。