向前看还是向钱看?浅析欧美隧道与地下工程BIM技术应用现状

2021年4月30日
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随着BIM技术的不断发展与普及,这一技术正在渗透到基础设施建设的每一个环节,在欧美等国家,谈论BIM与数字化的好处容易,但真正在建设过程中想要实现这些好处却难得多。

    “孤独BIM”的怪象

虽然在欧洲部分国家,如荷兰、英国与瑞典等,已强制在公共基础设施项目中应用BIM技术。美国与加拿大等北美国家虽无限制,但在隧道工程中应用BIM技术也已屡见不鲜。但究其使用效果,多数隧道工程业主表示,似乎意义不大。

来自Arup公司的隧道业务负责人JonHurt说:“虽然他们会利用BIM模型展示方案,但业主更希望收到2D图纸,甚至他们自己也会另外开发一些3D模型,这使得BIM的应用成为了一种形式主义。”

这种只在一个学科或项目的一个环节上使用BIM的做法,有时被称为“孤独BIM”。这听起来有点矛盾。BIM,建筑信息管理应该是指多方聚集在一起,通过单一来源贡献和共享信息。

对于许多隧道设计师来说,BIM技术的应用使得他们的团队可以分布在世界各地,允许他们在其他地区使用基于模型的设计。但对于承包商来说,情况并非如此。而对于业主来说,这种做法的好处还不清楚。“我们正处在一个十字路口。很多业主仍然认为模型只是模型,而不是设计工具。我认为他们还没有意识到它的强大,”来自MottMacDonald公司的隧道设计经理AndyThompson表示,“一旦你使用了VR技术,你就可以让运维人员参与进来,向他们展示交换室,让他们尝试打开设备开关的门,用户就会看到不同的东西。”

    乐观的看法

最近的调查显示,在北美的基础设施项目中BIM的应用前景相当乐观。道奇数据分析公司的一份报告——《2017年BIM在基础设施中的商业价值》称,其接受调查的97名美国工程师和承包商中,有55%在大于半数以上的交通项目中使用了BIM,而在2015年这一比例仅为27%。

而据多伦多大学于2019年发布的第二份年度BIM报告,评估了加拿大所有建筑项目中的BIM使用情况,发现67%的工程顾问和57%的承包商都在使用BIM。

然而,这两份报告中都没有明确定义BIM的应用范围。因此也无法证明近年来有任何对于BIM的突破性应用。

对此,BIM技术的开发商一直在努力。“当BIM正在设计领域逐步推广,甚至马上成为行业的设计标准之一时,施工领域却错过了同样的飞跃。”Bentley公司的建筑运营高级总监MarkHattersley说道。

Bentley致力于帮助承包商实现这一飞跃,并努力开发适合在施工阶段应用的新工具。公司在2018年收购了4D建模软件SYNCHRO,并对其进行了功能上的更新。新功能简化了施工现场的信息流,包括成本管理、生产计划和现场报告等,通过智能手机可以随时访问并添加语音注释。SYNCHRO软件在更新后可以拆分整个建模中的不同元素,对道路、桥梁和隧道进行4D(含时间)和5D(含成本)建模。未来,SYNCHRO软件将结合GIS和BIM,将其应用范围拓展至更多隧道与高速公路项目的建设中。SYNCHRO软件的最终目标是,在项目施工现场可以随时从BIM建模中提取与添加信息,并在建设完成后将这一模型继续用于基础设施的运营中。

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    SYNCHRO软件的新功能展示

目前,承包商对于BIM的价值认识不足,Bentley公司的相关负责人认为,主要的原因是能够展示BIM技术真正价值的机会太少。在设计和建造过程中,BIM应该以更低风险与更高准确性为项目提供更好的方案,并更加直观地展现给业主。一旦中标,下一步就是充分利用这些数据和信息进行计划、执行和项目跟踪。

    数字化建设的进步

目前,美国的一些州政府正在多项大型基础设施项目中推动数字化建设。虽然在桥梁领域的试点项目比隧道的要多,但地下工程项目中也有一些早期的应用。

例如,弗吉尼亚州交通运输厅要求,在汉普顿路的桥隧改扩建项目中使用BIM技术,MottMacDonald公司和HDR公司为该项目联合体提供设计咨询。在加州湾区快速轨道交通工程(BART)硅谷二期扩建项目上也被业主要求使用BIM技术。

然而,仍有一些合同方面的挑战需要克服。3D模型极少作为合同图纸的一部分,现阶段仍是提交纸质图纸,或是将2D图纸数字化。相比之下,在英国伦敦的潮汐路项目上,业主、承包商和设计师可以坐下来进行在线会议,现场审查模型。

MottMacDonald公司的数字交付副总裁JayMezher认为,现有的合同机制有时会限制我们可以做的事情。“目前,合同文件指的是图纸和规范。BIM模型不是合同文档。如果我们想要进入下一个发展阶段,就需要改变这一点。”

推广3D模型作为交付成果,目前依旧任重而道远。纽约州交通运输厅是全球第一批要求采用3D模型作为正式设计图纸的业主之一,在纽约州28号公路新桥的设计和建造中使用了统一的3D模型,并一直将这些模型沿用至竣工交付。相关负责人Mezher表示,基于BIM模型的设计更具协作性,这种方式也促进了新的采购形式。“我认为,这种基于模型的设计更适合一个集成的团队。我们看到很多人在推动这种新的交付方式。几年前,我们还没听说过EPC模式。而现在,我们听到的越来越多了。”他说道。

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    软件大爆炸

与桥梁的建设不同,隧道建设涉及更多的学科和模型。Mezher说:“在基于模型的设计过程中,学科之间的壁垒较难打破。举例来说,一个擅长建筑结构的3D建模师,并不一定懂隧道工程和Revit软件的使用。”

以汉普顿路的桥隧改扩建项目为例,MottMacDonald公司和HDR公司的设计师们分布在多个地区,他们可以同时使用同一平台上的软件进行设计,这些软件包括用于地质建模的LeapFrog、用于岩土有限元设计分析的PLAXIS、用于收集钻孔数据的Survey123、用于3DBIM建模的Bentley、用于处理自由几何形状的Grasshopper和Rhinoceros,以及常用的Office365、SharePoint、PowerBI,等等。

“在软件的协同操作上,我们每天都要处理超过25份申请。”Mezher说道。此外,还有与其他机构打交道的问题,因为许多公共资助的项目都要求包括少数族裔经营的企业,“在任何一个项目上,我们都与至少30~40名子顾问合作。”Mezher补充道。

在Mezher看来,基于模型的设计是目前BIM的应用趋势,而信息管理是项目数字化交付成功的关键。这意味着要控制所有的信息,从3D模型的源数据到合同文件、现场调查材料,再到报告和RFIs。

“基于模型的设计,在建筑领域中的应用是先进的。而在隧道和桥梁领域,情况也正在有所改善。”Mezher说道,“但信息管理仍是目前应该关注的焦点。这也是我们这个项目取得进展的地方。”

MottMacDonald公司在每个项目上都安排了一个数字交付团队,该团队可以有11~12个人,包括数据分析经理、BIM项目经理,以及GIS、可视化和高级设计计算方面的专家。Mezher解释说:“海外的数字交付团队在各个方面都有不同的想法,并在每个应用程序中创建了清晰的组织图表和工作流程,解决了信息的传递、处理和共享。”

    什么是投资回报率?

BIM技术的好处看似显而易见,但要把这些好处说清楚却又不那么容易。调查报告通常给出相当主观的判断,对于已经投入BIM应用的公司,他们认为在数字化建设过程中,或多或少为他们带来了一些改进。

在之前提到的道奇数据分析公司的调查中,BIM用户认为的三大好处是:减少构件的冲突和更改、基于3D可视化的多方沟通、减少施工文件的错误。而对加拿大的BIM使用者的调查显示,他们认为的三大好处是视觉效果的改善、成本效率的提升、盈利能力的提高。

在评估BIM技术应用在哪个阶段效果最好时,道奇数据调查的受访者非常清楚地指出是在设计阶段。有趣的是,很少有人认为,一旦基础设施进入运营阶段,最大的优势就会显现。根据4个国家的受访者调查结果显示,美国和德国的受访者都认为在运营阶段的BIM应用效果为零。

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在设计阶段使用数字工具可以节省大量成本。由于在建模和结构分析上应用了BIM技术,加拿大HATCH公司在多伦多市的湖滩污水处理厂排污口改造项目上节约了设计费、约4.5万加元的纸张和印刷费用。因此,Hatch公司也获得了2020年度基础设施大奖(BentleysYearinInfrastructureAwards2020)中,水和污水处理工程类别的第一名。

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    多伦多市的湖滩污水处理厂排污口改造项目

2018年3月,普华永道(PwC)为英国政府开展了一项研究——BIMLevel2效益评估,并发表了与道奇数据分析研究相矛盾的结果。研究发现,61%的BIM收益来自运营阶段,36%来自设计阶段,只有3%来自施工阶段。

对于业主来说,获得可靠的投资回报率是很难的。来自SRF咨询公司的ChrisTrboyevich在调查时发现,BIM可以为工程全生命周期提供更多的好处。尽管他考虑的是较小规模的公路项目,但他的发现适用于任何规模的交通工程项目。他在报告中写道:“对于各种规模的交通工程项目,特别是中小型项目,仍然没有标准化的机制来进行全面的投资回报率研究。”

由于没有可靠的数据支撑,州政府和其他投资者不敢轻易采用BIM。ChrisTrboyevich认为,应用BIM技术是具有挑战性的。如果因为某些事情在项目的初始阶段就增加了成本,尽管在设计阶段可能会节省成本,这样也会引起业主的不满。而且,因为在施工中还会遇到很多问题,所以人们担心继续使用BIM会增加一定的风险。实际上,继续使用BIM是可以降低风险的。ChrisTrboyevich给业主们的建议是,先从试点项目开始,逐渐培养工程师们使用BIM的习惯。“工程师们不能一味地在旧流程中强行使用新工具,然后期望得到好的结果。一旦人们学会了如何使用新的工具,并形成了习惯,BIM的价值才会体现出来。然而,只有亲身经历这一过程,才能看到其中的价值——这是一项非常困难的事情。”他补充道。

    改变的力量

到底是承包商和业主来主导将BIM发展到下一个阶段?还是美国和加拿大等国家的政府部门来推动?Hattersley认为,两者都很重要。“BIM需要承包商、业主、政府部门共同来推动实施。并且,需要在重大项目上应用BIM的成功经验来促进这一变革。”

两年前,Bentley公司成功地将关于BIM的话题转移到了数字孪生的概念上。这样做的目的是,向业主们传达BIM和信息管理可以为项目提供更好的资产管理和维护。

而ChrisTrboyevich则认为,在未来,美国联邦政府可能会对BIM提出一些要求,可能与资金的发放和投资结果的评估有关。“我可以预见,最终,作为资金申请报告的一部分,联邦高速公路管理局(FHWA)将要求信息以某种BIM模型的形式提交,类似于在建筑结构领域的要求。”

多年来,加拿大一直呼吁中央政府颁布BIM标准。受访者也认为,业主将成为改变的主要力量。在参与调查的398人中,74%的人认为业主会越来越坚持使用BIM,73%的人认为政府机构会越来越坚持BIM。

同时,诸如新冠疫情等外在因素也将隐性地推动BIM技术的应用。未来,越来越多的BIM协作将在线上完成,并形成在线交互。2020年4月,Bentley公司推出了新的ProjectWise365设计协作解决方案,该方案将基础设施参与者连接起来,并免除了某些机构的费用。

在新冠肺炎疫情暴发后,政府越来越希望土建行业借助新工具提高生产效率、提振GDP。Hattersley说:“当你着眼于一个已经投入了数万亿美元的行业时,从长远来看,业主们也开始考虑更合理的投资回报率。与此同时,承包商们也有机会通过新技术改善工作效率。”

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