深圳市公安局第三代指揮中心EPC總承包全過程BIM技術應用

王 族 張子建 王 偉 許 通 馬 捷

(中建科工集團有限公司，深圳 518000)

引言

改革開放四十載，勇闖敢干志不改，在大灣區與先行示范區雙區驅動下，深圳市啟動公安系統第一個“國內領先，國際一流”的第三代指揮中心建設。項目以“現代化、國際化、規范化、專業化”四化警隊發展思路為理念，利用移動互聯網、物聯網、云計算、大數據等先進技術支撐，推動和強化情報與指揮體系融合，建設具有先進性、科學性和實用性的指揮中心。本項目建設完成后，能夠有效提高深圳市公安機關的治安防控、應急處突能力，顯著提升保障公共安全能力[1]，如圖1所示。

圖1 深圳市公安局第三代指揮中心效果圖

1 工程概況

1.1 項目簡介

深圳市公安局第三代指揮中心項目位于深圳市羅湖區。建筑面積25 752 m2，地上為鋼框架-中心支撐結構，地下室為鋼-混凝土組合結構。地上部分6層，高度52.4 m，地下4層，深度19.5 m。

1.2 風險識別

(1)基坑深度大，建筑密集區環境復雜。深基坑達19.5 m，周邊建筑密集，多為天然地基淺基礎，對沉降、地下水控制要求高且地下管線密集； 塔吊受周邊建筑位置制約，運行限位及速率受到嚴重影響，效率僅為正常情況下的二分之一。

(2)場地狹小，材料運輸困難。本工程身處建筑密集區，基坑四周緊鄰建構筑物，平均距離僅2.5 m，施工場地極其有限； 項目僅有一個出入口，無法形成環形道路，12 m以上長車無法通過； 車輛主要出入道路需經過長度約60 m的單向道路，嚴重影響施工效率，材料運輸困難。

表1 BIM總體實施路徑

表2 各階段BIM實施目標

(3)新舊建筑接駁，防水搭接施工難。東側為原有建筑，新建指揮中心地下室與原建筑地下室直接連通； 為保證副樓不受施工現場影響，新舊接駁處設置高達近10 m的鋼板墻，后期拆除困難； 新舊建筑接駁處需預先破除原有建筑地下室，留設后澆帶，防水施工工藝復雜。

(4)大跨度鋼結構施工。地上部分34m多層連續大跨度鋼桁架施工，最高層高12 m； 立柱、桁架與斜撐等節點形式多樣，質量控制難度大； 現場無構件拼裝場地，只能采用塔吊進行原位吊裝，施工效率低下。

1.3 精準應對

1.3.1 提升方法

高效協同、降低風險——第Ⅲ類EPC模式：采用深圳市先行先試新型建管模式，EPC聯合體從方案階段開始介入，高效率完成報批報建，全過程把控工程設計、采購、施工，打通設計與施工壁壘，降低項目整體風險。

提高設計質量——BIM正向設計：項目設計階段采用模型為主的BIM應用模式，先建模后出圖，專業分包提前介入輔助設計，提高施工圖紙質量。

信息化手段管理——智慧工地應用[2]：通過應用物聯網、BIM、仿真、可視化、網絡通訊等先進技術應用，將施工過程中涉及到的人、機、料、法、環等要素進行實時、動態采集，通過智慧化手段保證品質、提高效率、保障安全。

1.3.2 探索突破

計劃通過實踐探索實現兩個專項突破：

(1)打破設計-施工兩套模型問題，真正做到設計與施工一體化；

(2)解決生產流程和建設項目組織之間的矛盾，讓信息化手段真正創效。

2 整體策劃

2.1 實施路徑

項目BIM實施采取“六步走”策略[3]，針對每一步制定相應措施，確保BIM實施落地(總體實施路徑如表1所示)。

2.2 實施目標

各階段BIM實施目標[4]如表2所示。

2.3 資源配置

2.3.1 管理模式

項目應用EPC+Partnering事項小組管理模式，根據項目各參建單位人員責任板塊，將所有人員分為十大事項小組。各小組包含建設單位、全過程咨詢單位、EPC總承包與專業分包相應責任人員。此模式下可打破組織壁壘，建立共同愿景，實現團隊間良性競爭。

BIM事項小組由建設單位、全過程咨詢、EPC總承包、專業分包BIM負責人組成。在項目層面由建設單位統籌領導，EPC總承包單位牽頭實施，各專業分包單位進行BIM應用落地； 在業務層面由各單位技術部門牽頭，其余部門設置BIM專員進行配合，真正實現“全員BIM”。

2.3.2 人才賦能

項目采取分層級的培訓策略進行人才BIM賦能。通過邀請外部BIM專家進行實操培訓及管控培訓，達到領導班子懂戰略、懂決策； 技術人員懂技術、懂實操； 一線人員懂概念、會查看的全員BIM程度。

2.3.3 軟硬件配置

針對不同BIM應用內容，項目利用高性能硬件作為基礎，搭配多種專業BIM軟件落地各項BIM應用。項目BIM軟件體系如圖2所示。

圖2 BIM軟件體系

2.3.4 平臺配置

項目應用廣聯達協筑平臺作為協同辦公平臺，供各參建人員瀏覽BIM模型。此外，項目自主開發完成深圳住建局首個“智慧建造”項目端平臺以及集成智能設備的駕駛艙平臺，實現信息化管理。

2.4 體系建設

根據招標文件及各類指引要求，制定項目BIM實施導則，包含BIM管理標準、技術標準、實施流程、建模標準、信息傳遞流程等，為項目BIM實施定標準、定流程、定制度[5]。

3 BIM應用

3.1 總體思路

項目BIM應用總體思路是以多系統需求推動BIM應用，即根據項目各部門需要針對性開展BIM工作。

3.2 BIM正向設計

設計階段從初步設計開始采用模型為主的BIM應用模式[6]，先建模后出圖(圖3)。

圖3 模型為主的BIM應用模式

依托BIM實施導則，建立完善的項目樣板，內容包含出圖視圖樣板(圖4)、各專業過濾器樣板(圖5)以及各專業系統樣板和族樣板，保證設計完成后模型能夠成功傳遞到施工單位。

圖4 視圖樣板設置

設計過程中，設計院各個專業采用中心文件、文件鏈接、文件集成結合的形式進行協同設計。全項目共設置三個中心文件，分別為建筑結構模型、地下機電模型、地上機電模型，各中心文件啟用工作集，專業設計師共同使用同一BIM中心文件工作。三個中心文件模型之間通過鏈接的方式進行整合。在模型審查過程中使用Navisworks進行文件集成，便于模型檢查。

設計階段建模完成后，在Revit原始視圖基礎上，添加設計圖框、圖例說明、尺寸標準，結合三維模型視圖，將復雜節點導出三維軸側圖，在滿足施工圖出圖規范的前提下直接導出圖紙，圖紙整體準確性、實用性增強(圖6～7為BIM正向設計導出的各專業圖紙)。

圖5 過濾器設置

圖6 建筑專業圖紙

3.2.1 過程管控方法

設計與深化建模階段，設計院或專業分包每周完成階段模型后，將模型提交BIM事項小組平行審查，建設單位、全過程咨詢單位、EPC聯合體、專業分包利用每周BIM例會對BIM模型從時效性、合規性、完整性、準確性、圖模一致性、合理性等角度進行審查(圖8為審查過程中遇到的各類典型問題)，審查過程中發現的問題以對實際施工影響大小作為標準分為三類并以專業進行區分并出具問題報告(圖9)反饋給設計院進行修改，類別分類如下：

圖7 暖通專業圖紙

圖8 主要問題類型

圖9 模型審查報告

A類：影響工程構造或建成后會影響使用功能的問題；

B類：專業間有沖突，但現場有空間或余地調整的問題；

C類：圖紙類問題，比如圖紙不完整，前后矛盾等問題。

EPC總承包單位對于設計和深化階段進行全過程把控，共解決設計不合理、專業協調、施工考慮不足、后期運維等方面問題599項，最終保證了設計與深化階段模型完成度和現場落地性。

3.2.2 輔助設計驗證

設計過程中，利用BIM設計模型，對項目進行風、光、熱、聲等物理環境進行分析模擬(圖10)，分析不同時段建筑物體內采光、通風和日照等因素，優化設計方案，提升項目品質。

圖10 環境分析報告

運用專業消防疏散軟件，對建筑BIM模型進行疏散模擬分析，設置空間分割、疏散人數、疏散口和疏散樓梯等參數，驗證消防設計合規性。

3.3 設計—施工一體化

設計階段專業分包提前招采，初步設計結束后，完成了鋼結構與機電等專業分包招采，施工圖設計過程中專業分包深化人員進駐設計院，利用BIM模型與設計師溝通，在完成全專業的BIM正向設計出圖的同時，由于標準統一與過程緊密配合，設計模型完美傳承到施工單位。施工圖階段同步完成了鋼結構與機電深化設計(圖11-12分別為鋼結構與機電深化模型展示)。

圖11 鋼結構深化整體模型

圖12 機電深化部分模型

(1)鋼結構深化設計

鋼結構深化過程中考慮設計合理性、工藝可行性與施工便利性，例如設計中梁-梁節點多為雙夾板，但深化過程中多數大梁接小梁節點出現桁架隔板阻擋夾板情況(圖13)，項目統一優化為單夾板并增加螺栓數量，既保證了施工便利性，又保證了結構安全性。

圖13 大梁接小梁節點

地下室鋼混組合結構U型梁(圖14)深化中，內部螺栓、隔板設置及開孔通過TEKLA參數化設置，自動生成(圖15)。

圖14 U型梁模型

圖15 U型梁參數化設計

(2)機電深化設計

機電分包單位在施工圖設計階段與設計院配合過程中，參與設計定案與管線綜合排布，從施工和后期檢修兩個方面提出問題，最終保證施工圖完成階段：DN50以上管線零碰撞，提升30%凈高，解決圖紙問題87項，并為后續機電深化設計節省30天時間。

地下機房層管線較多，走廊凈高僅有2.2m，深化前置階段考慮管線安裝空間、支架空間、后期檢修空間與凈高要求，對機電管線進行排布，保證管廊高度滿足設計要求(圖16-17為管廊優化前后對比)。

圖16 管廊優化前

圖17 管廊優化后

除此之外，還完成了屋面機房、消防泵房深化、制冷機房深化(圖18)及支吊架設計(圖19)等專項深化。

圖18 制冷機房深化

圖19 支吊架設計

3.4 預制加工

3.4.1 鋼結構智能制造

鋼結構深化設計完成后，出具深化圖紙，最終鋼構件由國內首條智能制造生產線——中建科工廣東廠加工制作(圖20)，下料、加工、運輸、安裝全程使用BIM跟蹤(圖21)。

圖20 鋼結構智能制造生產線

圖21 鋼構件BIM跟蹤

3.4.2 機電設備機房預制加工

為彌補現場無拼裝場地的缺陷，機電冷凍與冷卻機房采用基于BIM的預制化加工(圖22)，成品機房直接運輸到現場一天內拼裝完成，提高現場機電安裝的精度和品質，減少現場施工成本和材料浪費，加快現場施工進度，避免現場材料堆放，降低施工組織的復雜性，施工垃圾減少60%(圖23)。

圖22 機電BIM預制加工流程圖

圖23 預制裝配機房

3.5 現場管理

3.5.1 進度管理

計劃管理[7]使用BIM模型與斑馬夢龍結合的模式，利用快速算量，在雙代號網絡圖中加入人材機與產值數據，結合三維圖直觀展示(圖24)，各項工作一目了然。

圖24 BIM結合雙代號網絡圖

根據計劃，各專業施工前對復雜方案進行BIM的施工模擬(圖25)，結合時間與資源投入進行動態展示。

圖25 方案模擬

每周制作工況進度模型(圖26)，包含本周進度分析與下周進度計劃，并對每周進行場地布置提前預判，動態調整，解決各專業堆場、運輸問題。

圖26 每周工況進度模型

3.6 技術應用

3.6.1 方案驗證

在大跨度連續鋼桁架施工中，使用BIM模擬從經濟、工期、措施三個方面進行兩個方案比選。

方案一為率先完成鋼結構施工，施工方法為：①每層支撐； ②鋼結構吊裝； ③樓板自上而下澆筑； ④樓板澆筑后胎架卸載，使用胎架94 t，總工期為42天，工期短，但過程中其他專業無法插入，且措施量大。

圖27 方案一

圖28 方案二

方案二為逐層完成鋼結構施工，施工方法為：①每層樓板澆筑后，胎架拆除； ②兩層胎架周轉，使用胎架33 t，總工期為66天，施工期間其他專業可穿插施工，但施工周期相對較長(方案一、方案二分別如圖27、圖28所示)。

出于經濟性考慮，利用有限元分析軟件Midas對于方案二進行施工模擬，建立了29個施工工況，最終出具相應受力分析報告，方案具備安全可行性，同時優化施工步驟，將鋼管混凝土澆筑與樓板混凝土澆筑同時進行，可壓縮每層施工工期2天，總體工期54天，節省工期12天。

圖29 結構工況分析報告

最終綜合考慮，選擇方案二，鋼結構施工總體工期54天，部分樓層實現一周一層，縮短結構工期20%,結構工況分析報告如圖29所示。

3.6.2 可視化交底

(1)技術交底

施工中鋼桁架節點位置工序復雜，在交底過程中使用三維模型進行交底[8]，對8道工序詳細描述(圖30)。

圖30 鋼桁架技術交底

(2)虛擬樣板

BIM在效果類定版定樣中發揮了重要作用，通過虛擬樣板制作，一次成優率高，避免直接施工帶來的后期反復修改，例如幕墻虛擬樣板輔助定版定樣(圖31-32)。

圖31 幕墻虛擬樣板BIM模擬

圖32 幕墻實體樣板

為彌補現場場地狹小，無法擺放實體質量樣板的不足，制作了BIM虛擬樣板(圖33)，將模型導入到VR設備中，為管理人員及工人進行實時交底。

(3)工藝圖集

為保障施工質量，對重大危險源及質量通病常發節點，制作BIM施工工藝圖集(圖34)，使規范要求更加直觀。

4 智慧工地應用

項目共上線智慧工地功能20項，其中按政府要求上線基本應用7項，拓展應用7項，特色亮點應用6項，并對接3個智慧工地信息集成平臺。通過各功能模塊的應用，為項目部決策層提供準確及時的數據采集、智能的數據挖掘和分析及智慧的綜合預測，呈現項目整體狀態信息，監控項目關鍵目標執行情況及預期情況，為項目完美履約保駕護航(項目智慧工地架構如圖35所示)。

圖33 BIM虛擬質量樣板

圖34 BIM施工工藝圖集

圖35 智慧工地架構

4.1 協同辦公系統應用

應用廣聯達協筑平臺作為實現項目全員信息化管理的重要手段，此平臺集成文檔管理、任務管理及BIM模型輕量化查看功能。

4.1.1 文檔管理

項目各參建單位可在文檔功能中查閱、上傳、下載各類文件，減少互相索要文件等問題，提高辦公效率。

項目制定相應使用要求，對每個文件夾設定相關責任人并統一分配權限，由信息化專員每月對協筑系統進行統一整理，針對文件未更新或任務未閉合的相關責任人員進行通報并限時責令整改，保證系統內文件保持最新。

4.1.2 任務管理

傳統紙質任務流程審批需逐級傳遞，流程緩慢，遇到文件修改需重復報審，且相關審批人員不在場時流程將停滯。使用協同平臺可平行發布用印申請、方案審批等任務流程，加快審批效率。

4.1.3 BIM輕量化應用

項目BIM模型可通過上傳至協同平臺使用手機、筆記本電腦輕量化查看，方便現場人員進行模型漫游、模型測量及模型剖切等操作，為“全員BIM”落地奠定基礎。

4.2 智慧工地平臺應用

項目自主開發智慧工地平臺，集項目各類智慧工地軟硬件數據展示[9]。此平臺為深圳市首個與住建局智慧建造APP數據互通的智慧工地平臺,首頁、質量安全頁分別如圖36-37所示，平臺內容展示見表3。

圖36 項目大數據展示平臺首頁

圖37 質量安全問題展示頁

表3 平臺內容展示

4.3 全方位智慧工地

項目投入多種軟硬件與平臺打造“智慧工地”，實現項目全信息化管理[10](項目智慧工地系統功能如表4所示)。

圖38 EPC模式下設計—施工一體化途徑

表4 智慧工地系統

5 經驗總結

通過本項目BIM技術運用，結合項目實際本身，根據經驗得出，EPC模式下BIM正向設計與專業分包深化前置結合是設計施工一體化的有效途徑(圖38)，如果沒有專業分包在設計階段配合，BIM正向設計的成果將不具備施工意義，如果不是EPC模式，也很難實現分包招采前置。

雖然成果完成良好，但同樣出現整體進度緩慢的問題，主要原因是深化前置配合中，設計院與專業分包對待統一問題的角度不同。同時設計院出圖任務重、專業分包現場壓力大、多方審核流程時間長都給深化前置過程造成了阻力。

在以后的深化設計工作開展中，要明確專業分包介入時間點，明確各專業深化成果的內容，在審核方面采用信息化手段，平行發布成果，重點關注專業交叉的節點，提出合理化修改意見。

總體來看，BIM與智慧工地是當前推進新型建筑工業化發展的重要手段，在未來的項目管理中，要從建設單位自上而下推動，而后由基層員工落實，必須全員具備信息化意識，并通過長年累月的堅持、重視，積累經驗，讓信息化在建筑領域真正落地。