大型复杂工程是指工程规模大、技术要求高、施工难度大、参建单位多、建设环境复杂、对社会发展有重大持续性影响的一类工程^[1]。为解决该类项目建设过程中在工程规模、组织、技术、投资和环境等方面遇到的问题^[2,3], 可集成应用BIM和精益建造技术对项目管理理论与方法进行创新^[4]。

BIM技术能辅助解决项目全过程中的管理和技术难题^[5], 精益建造能以最小成本实现项目最大价值^[6]。BIM与精益建造集成应用可以提高项目整体效益^[7,8]。在大型复杂工程项目中, 选用不同的应用模式会对BIM和精益建造的效果产生不同影响。因此, 本文以BIM和精益建造之间的相互作用关系为基础, 提出建设方主导的BIM与精益建造集成应用模式, 并将其应用到郑州新郑国际机场二期工程项目建设过程中, 分析其在大型复杂工程中的应用效果。

根据已有文献对大型复杂工程的研究^[9,10,11], 可将大型复杂工程项目中遇到的问题分为管理和技术问题, 如表1所示。

基于BIM的项目管理较传统模式具有可视化和协同化的优势, 有助于施工方案优化和现场管理、大型复杂工程的风险控制、成本和工期优化^[12]。通过精益建造对工程施工过程进行合理划分, 可减少项目的不确定性因素, 提升项目整体效益^[6]。BIM和精益建造单独应用于项目中, BIM与技术结合紧密而与管理分离^[13], 精益建造与管理组织关系紧密而对项目信息的获取和传递功能不足。通过合理模式将BIM与精益建造集成应用, 能最大化地实现两者对项目价值的增值作用^[7]。

根据上述分析, 本文提出建设方驱动的BIM与精益建造集成应用模式。其中, 建设方驱动是指建设方在项目建设中支持和监管各参与方应用BIM和精益建造进行生产活动。这种应用模式的3个核心要素是建设方驱动、BIM技术与精益建造技术, 三者均为提升项目价值服务, 因此具有协同应用的基础。

任何项目参与方均能通过应用精益建造减少项目中的非增值活动而为项目增值。而BIM在项目中的应用效果受驱动方影响作用较大, 不同的BIM驱动方会影响BIM技术的价值增值效果。根据驱动方的不同, 可将BIM应用模式分为建设单位、设计单位和承建商3种驱动模式。其中, 在BIM应用效果方面, 建设单位驱动模式最有效^[14];这是由于建设单位能参与到项目建设的各阶段, 而设计单位和承建商通常只对项目的某一阶段产生影响, BIM是贯穿项目始终的技术, 所以由建设单位主导BIM技术应用更有利于BIM在工程中的深度应用^[15,16]。

建设方的主导能充分发挥BIM技术在信息协调方面的优势, 能促进精益建造体系代替传统的项目管理模式, 而管理模式以及信息传递方式的转变更有利于建设方对项目进行全方位控制。BIM以其信息管理和协同的优势可为精益建造的实施提供支撑平台, 而精益建造关键技术在项目管理中的应用可优化BIM对大数据和复杂组织的应对能力。因此, 建设方主导、BIM技术和精益建造技术三者在为项目增值方面具有相互促进的作用。

建设方驱动下BIM与精益建造集成应用模式是一种针对BIM与精益建造在项目全生命周期中应用的管理框架, 能通过实现管理方式的创新改进传统的项目管理模式, 增强各参与方之间的工作协同和技术融合。作用模型如图1所示, 其作用路径为:在建设方支持和监管下, 所有项目参与方参与其中, 通过BIM技术手段及时准确获取项目信息;在此基础上, 利用精益建造关键技术促进各参与方之间的协同合作, 并最终实现项目价值最大化。

而工程项目中应用此管理模式的重要前提条件为:建设方支持和监管, 所有项目参与方共同参与, 应用到全生命周期中以保证这3种核心要素可以持续促进。

郑州新郑国际机场二期工程是典型的大型复杂工程项目, 该项目体量大, 土建、结构、机电系统复杂, 参建单位和人员众多, 工期要求紧, 涉及复杂的交叉施工作业, 并需克服各项施工技术难题。因此, 为保证项目顺利实施, 建设方决定在项目中集成使用BIM与精益建造, 并委托专业的BIM咨询方辅助BIM工作管理。

项目的主要参与方有建设方、BIM管理咨询方、设计方、施工承包单位、材料和设备供应商等。项目组织结构如图2所示。在项目组织结构中设置1个基于BIM的精益建造管理实施组, 以保障建设方能主导和协调各参与方对BIM和精益建造的应用, 此实施组由协调管理组、进度管理组和设计管理组组成, 每个管理组根据其职能分别由不同的项目参与方成员组成。

协调管理组由建设方和BIM咨询方成员组成, 其主要职能为:帮助提升各参与方之间的工作协同效率、BIM平台日常维护、文件管理和收集等。设计管理组由建设方、BIM咨询方和设计方成员组成, 其主要职能为:设计图纸和3D模型的分发与收集、设计审查和变更、竣工模型收集等。进度管理组由建设方、BIM咨询方和施工方成员组成, 其主要职能为:施工进程控制、计划进度和实际进度对比、关键节点协同管理。这种管理组组成形式能够增强项目组织间的横向联系, 促进不同参与方之间的项目信息交换和沟通。

以BIM技术为基础, 可为项目参与方创建共享的信息交流平台。依据精益建造的标准化原则, 标准化的工作流程和统一标准能够约束各参与方之间的工作协同和信息交流方式。因此, 在项目准备阶段, 建设方组织编制项目目标规划和BIM实施规划, 明确规定各参与方的职责和工作目标;BIM咨询方编制BIM应用统一标准及工作流程, 以确保各参与方的协同工作质量。

在项目建设过程中, 由于建设对象要实现某些特殊功能, 导致施工技术和施工管理难度增大, 如本项目中的综合交通换乘中心大空间钢结构、曲面屋面板和鱼鳞状吊顶等工程。基于BIM与精益建造技术, 项目各参与方可按照如图3所示的工作流程解决此类工程难题:①由施工单位提出在项目施工中遇到的技术难题, 并由协同管理组协助其搜集相关信息和BIM;②施工单位的BIM小组建立相关的BIM, 以便各相关方直观了解技术问题的各项信息, 并通过会议讨论方式给出一个或多个解决方案;③施工方BIM小组在计算机上以虚拟化方式依据解决方案模拟施工过程, 对比得出最优解决方案, 并把相关信息及时反馈给进度管理组以编制施工计划。

各项目参与方在建设方主导下, 按照合同要求应用BIM与精益建造技术, 在工期提前的前提下达成项目目标。在设计阶段, 利用BIM技术的碰撞检测功能查找图纸设计错误, 有效减少因设计错误引起的成本增加和工期延误。在施工阶段, 各施工团队可以通过现场视频监控系统和BIM技术获取并传递准确的施工信息, 在此基础上, 使用精益建造关键技术最优地安排工作和分配资源, 将时间和成本浪费减少到最低。

在本项目中, BIM技术的应用效果体现在减少工程变更和增强项目管理信息化, 并为精益建造在项目中的应用提供信息支撑。精益建造的应用效果体现在工程进度和成本节约方面, 并能通过管理优化促进BIM技术在项目中的应用。建设方通过基于BIM的精益管理实施组主导BIM与精益建造在项目建设中的应用, 能帮助各参与方及时准确搜集相关信息, 促进各方共同解决问题。

BIM与精益建造作为建筑行业的先进技术, 可辅助管理者达成项目管理目标。本文研究得出, BIM与精益建造不仅可以分别应用到大型复杂工程项目中, 而且两者集成应用具有目标一致和优势互补作用, 建设方支持和监管能促进两者在项目中的协同应用。建设方驱动的BIM与精益建造集成应用模式具有以下优势。

1) 建设方在项目建设中的主导作用, 能促进项目参与者在项目建设中应用BIM与精益建造。

2) 通过信息协同和管理组织优化, 项目参与者协同管理的能力得到提高。

3) BIM与精益建造集成应用可改善传统项目管理模式, 有利于提高项目管理效益。