1.3　BIM助力水电工程设计施工一体化

传统的工程建设管理模式存在着参建方协同性差、信息丢失、不连续、模型重用率低、整体性不强等问题,解决这些问题须实现设计施工一体化,建筑信息模型BIM便是这样一个提供协同管理、资源共享的得力工具平台,能有效地提高工程建设项目全生命期各参建方的协同性,集成优势技术,整合优势资源,实现工程建设精细化管理,保证产品的质量和品质,提升企业的价值创造能力和发展质量效益。

1.3.1　传统工程建设管理模式存在的问题

水电工程是我国国民经济中的基础性设施,具有规模大且布置复杂、投资大、开发建设周期长、参与方众多以及对社会、生态环境影响大等特点。在目前工程建设模式下,设计、施工有一定的结合,但大多数仍属于不同的专业,由不同单位承担。这种传统的模式下带来众多问题,主要表现如下:

(1)在长期设计、施工分开招标影响下,设计与施工单位进入时间、需求不同,设计、施工阶段不能很好地搭接。一方面,设计方案的可施工性存在问题,导致设计变更频繁;另一方面,设计缺陷和施工失误带来的责任权限划分不清,引起纠纷。

(2)信息分散于主体维、空间维、时间维,传统以文档、图纸等为媒介传递信息方式,点对点、效率低,信息数据重用率低,各单位犹如一个个“信息孤岛”难以组成整体,信息丢失、不连续现象严重,难以集成与协同。

这两方面问题使得工程建设生产效率低下,造成资源、成本的极大浪费。众多研究提出解决整个工程建设行业低效率的主要方案是把设计-施工-管理过程集成在一起,形成设计施工一体化,加强项目全生命周期中最重要的两阶段的联系,减少设计变更,节约成本。

1.3.2　水电工程设计施工一体化的应用问题

设计施工一体化是将设计、施工的分工与合作进行平衡、交叉,达到互动、互补和优化。设计施工一体化可以理解为:一是从企业角度看,设计施工一体化是一种公司运营的模式,是设计、施工单位提升产业链纵向一体化管控能力、加快企业由传统建筑业向现代化建筑业转型升级的重大举措;二是从工程承包管理模式看,设计施工一体化是设计、施工单位实行设计施工总承包的一种方式,如目前水电行业采用较多的EPC模式(设计、采购、施工总承包)等。工程承包市场能更好地体现设计施工一体化,但由于我国长期设计、施工的不同专业划分,DBB模式(设计-招标-建造)仍是应用最多的,使得设计施工一体化建设困难重重。

(1)承包模式下设计施工一体化发展制约。在众多研究中,传统机制问题被认为是总承包模式中设计施工一体化发展的主要制约因素。我国工程建设领域设计、施工分包模式的弊端日益凸显,需推进工程建设组织实施方式的改革,加快改变设计施工彼此分割的局面。不管设计施工一体化采用何种模式,都要建立一个有效的沟通协调机制,加强设计与施工的协作。

(2)设计方案的可施工性问题。设计方案的可施工性是传统模式下的重要问题,设计与施工分离是造成设计方案可施工性问题的直接原因。只有设计与施工的一体化才能从根本上解决建设项目的可施工性。设计施工总承包中,设计的基础性、先导性和决定性的主导地位,只有通过设计、施工的合理搭接,将施工经验运用到项目的早期,才能落实设计的可施工性。

(3)设计施工一体化与信息化问题。工程建设项目生产过程的本质是面向信息和物质的协作过程,项目实施过程中,进度、质量、安全、费用等关键目标的控制直接依赖于项目信息的可获取性、可用性及可靠性。随着现代工程建设项目规模的扩大,施工技术的难度与要求不断提高,各参建方、各专业间的信息量不断扩大,信息的交流与传递更加频繁,虽然目前我国工程建设项目施工现场的网络建设虽然有所加强,但各参建方、各专业间仍然缺乏一个系统的协同工作信息交流平台用来沟通,“信息孤岛”现象仍然存在。设计施工联合体双方要有充分的信息交流,建立信息网络,才能充分利用联合体资源优势。

目前最大的问题是设计、施工两个阶段的工作不能真正地融合,集成优势不明显,综合效益难以体现。要实现设计与施工的有效融合,需要建立有效的沟通协调机制解决工程承包模式的制约,开展设计施工一体化数字化、信息化关键技术研究解决资源信息的集成与协同。

1.3.3　水电行业数字化与信息化发展现状

1.水电设计企业

经历了二维CAD设计时代,目前水电设计企业普遍应用三维数字化、信息化技术,围绕水电工程三维协同设计开展了系统、深入的研究工作,基本形成了基于Autodesk、CATIA和MicroStation三个不同平台的水电工程三维协同设计系统,覆盖了水电工程勘测设计全过程全专业。

一些领先的设计单位,如中国电建集团昆明院、成都院、华东院等,结合自身产业链延伸及市场和业主的需求,在工程建设阶段和运行管理阶段也做了有益的尝试,持续推进水电工程全生命周期管理研究及系统研发工作,在三维协同设计、PDM工程量管理、虚拟建造、工程建设精细化管控等方面取得了阶段性研究成果,实现了多设计软件在平台级下的整合、多专业协同方式确定、多设计软件的插件开发、BIM与CAD/CAE桥技术的无缝对接、三维地质建模系统开发、工程边坡三维设计系统、大体积三维钢筋绘制辅助系统开发、虚拟仿真施工交互、文档协同编辑系统开发、三维数字化移交系统开发等,为水电工程勘测设计、工程建设一体化信息化管理项目的开展奠定了良好基础。

2.水电施工企业

由于水电项目施工阶段的信息技术应用科技项目研究,受施工工艺和工序影响,多围绕某一工程项目的具体施工过程进行研究,包括施工机械设备应用、洞室监测、混凝土制备等,主要实现了“信息化机械施工”技术应用与研究、基于三维GIS的地下洞室群安全监测信息管理与分析预报系统、隧道监控量测信息管理系统、水工混凝土生产匀质性在线监测和网络化管理系统及涉及施工全过程的矿场工程数字化综合管理系统等,经工程实践应用效果良好,效益明显。此外,当前一些水电施工单位正在积极实施施工企业项目管理信息化方案和系统建设工作,这有助于提升水电施工企业信息技术研究和项目管理水平,为建设设计施工一体化项目提供了良好的信息化、数字化环境。

1.3.4　水电工程设计施工一体化解决方案

虽然信息化、数字化已经在水电行业中蓬勃发展,拥有了较为深厚的基础,但由于工程建设各阶段对信息模型用途和细节要求不同,各阶段实施主体间数字化、信息化技术水平存在一定的差异。现阶段,业内主要采用“分布式”信息模型,如设计信息模型、施工仿真模型、进度信息模型、费用控制模型及质量监控模型等,这些模型往往由相关设计企业、施工企业、科研院所或者建管公司根据各自生产需要单独建立,信息的载体仍然以二维图纸和报告为主,协同性差、“信息孤岛”、效率低等问题未能得到解决。

工程建设和信息处理是两个不可分割的过程,推行设计施工一体化,实现的是工程建设过程的集成;BIM技术促进的是项目信息处理过程的集成。基于BIM的设计施工一体化建设,通过信息处理过程的集成实现生产过程的有效改进和重组,为不同参建方提供协作平台,实现信息共享,能很好地为目前设计施工一体化的困境提供出路。BIM作为一种全新的建筑信息化工具,在建筑行业得到了飞速的发展,许多研究成果得到了实践的检验。一些水电企业逐渐认识到BIM在链接设计与施工信息方面的优势,将其视为破解水电工程设计施工一体化困境的出路,纷纷开展BIM与水电领域的融合研究。

(1)BIM促进设计、施工分离向设计施工一体化发展。目前我国水电行业主要采用以DBB为主的设计、施工分离模式进行工程项目管理。设计过程一般是在方案设计、初步设计获得批准后,实施施工图设计。施工图设计不分阶段,由设计院“一竿子到底”,完成全部图纸(包括方案设计、初步设计和施工图设计)的设计。这种模式下,与施工最紧密相连的施工图都是由设计单位来完成。由于设计和施工的长期完全分离,导致出现了设计人员对施工具体细节了解得不是很清晰,施工又不甚了解设计规范和流程。

引入BIM理念,在设计阶段进行设计方案的优化和选择、建筑结构的数值仿真;在施工阶段,以设计完成的图纸和BIM模型为基础,建立施工技术BIM三维模型,并复核检查,进行模拟分析优化,成本预算部门进行三维算量、成本预算;工程部门利用BIM的模拟、可视化进行质量安全控制、机电设备等的碰撞检测,图1.14所示为设计、施工分离模式下BIM应用技术路线图。

虽然BIM在信息方面具有优势,但将BIM应用到传统模式下,只能改善项目信息的连续性,一定程度上增强设计与施工单位间的信息交互,并不能从根本上解决设计施工阶段的信息流失,只有选择适合BIM信息共享路径的建设模式才能更好地发挥信息技术的作用。

(2)BIM实现设计施工一体化模式的应用。通过采用设计施工一体化模式,集成工程建设过程,可解决水电建设领域传统的设计、施工分离模式造成的设计、施工过程中协调性差、整体性不强等问题;而BIM的技术核心是计算机三维模型所形成的工程信息数据库,不仅包含了设计信息,而且可以容纳从设计到建成使用,甚至是使用周期终结的全过程信息。通过BIM集成项目信息处理过程,可为实现设计施工一体化提供良好的技术平台和解决思路。

基于BIM的设计施工一体化建设,通过信息处理过程的集成实现生产过程的有效改进和重组,同时借助BIM,使施工方介入水电项目施工图设计阶段,共同商讨施工图是否符合施工工艺和施工流程的要求,加强设计方与施工方的交流,在项目设计阶段就植入可施工性概念,为解决设计施工一体化困境提供了出路,图1.15所示为设计施工一体化模式下BIM应用技术路线图。