軌道交通信息模型系統(tǒng)的研發(fā)及其在廣州地鐵中的應(yīng)用

張偉忠， 王 瑋， 陳 前， 梁 燾， 張 銳， 王珩瑋

(1. 廣州軌道交通建設(shè)監(jiān)理有限公司，廣東 廣州 510010；2. 廣州地鐵集團(tuán)有限公司建設(shè)事業(yè)總部機(jī)電中心，廣東 廣州 510060；3. 清華大學(xué)土木工程系，北京 100084)

軌道交通信息模型系統(tǒng)的研發(fā)及其在廣州地鐵中的應(yīng)用

張偉忠1， 王 瑋2， 陳 前3， 梁 燾1， 張 銳2， 王珩瑋3

(1. 廣州軌道交通建設(shè)監(jiān)理有限公司，廣東 廣州 510010；2. 廣州地鐵集團(tuán)有限公司建設(shè)事業(yè)總部機(jī)電中心，廣東 廣州 510060；3. 清華大學(xué)土木工程系，北京 100084)

為了實(shí)現(xiàn)廣州地鐵新線建設(shè)的施工管理和數(shù)字化移交需求，將 4D施工管理理念引入到軌道交通工程建設(shè)中，通過研究多種主流建模軟件成果兼容性以及信息集成技術(shù)，采用多平臺(tái)信息管理模式，建立基于建筑信息模型(BIM)的軌道交通4D技術(shù)應(yīng)用架構(gòu)和信息模型結(jié)構(gòu)，開發(fā)了“軌道交通信息模型管理系統(tǒng)”，并應(yīng)用于廣佛線鶴洞站實(shí)際施工管理。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了基于二維碼的機(jī)電設(shè)備過程信息管理、基于 3D模型的“按圖釘”質(zhì)量安全管理以及以派工單為核心的進(jìn)度管理。同時(shí)，為了更好推動(dòng)系統(tǒng)的落地應(yīng)用，編寫了BIM標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用指南。本系統(tǒng)的應(yīng)用表明：該研究有助于實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目參與方信息共享、多專業(yè)協(xié)同、縮短施工工期、降低運(yùn)維成本，提高了地鐵建設(shè)過程中施工效率以及信息化管理水平。

施工管理；軌道交通；機(jī)電；建筑信息模型；地鐵

廣州軌道交通項(xiàng)目是廣州市重點(diǎn)市政工程項(xiàng)目，對(duì)廣州市的城市交通，特別是軌道交通的發(fā)展具有重大意義。為實(shí)現(xiàn)“打造精品、精益求精”的目標(biāo)，廣州地鐵集團(tuán)有限公司與清華大學(xué)合作，針對(duì)廣州地鐵新建線路的施工管理和數(shù)字化移交需求，首次將先進(jìn)的4D-CAD以及4D施工管理理念引入到軌道交通工程建設(shè)中，研究開發(fā)了“軌道交通信息模型管理系統(tǒng)”(簡(jiǎn)稱“GDJT BIM”)，實(shí)現(xiàn)了基于BIM的地鐵建設(shè)全生命期管理[1]，提升了管理與決策水平。

1 國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究綜述

建筑信息模型(building information modeling，BIM)是對(duì)建筑全生命期各種工程信息的數(shù)字化表達(dá)[1]，旨在實(shí)現(xiàn)建筑業(yè)各階段之間、各參與方之間的高效信息共享[2]，為面向建筑全生命期的性能分析和集成管理提供數(shù)據(jù)支持。近 10多年來，BIM技術(shù)在數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)、配套應(yīng)用軟件等方面都有了較快的發(fā)展。國(guó)際上，BuildingSMART發(fā)布了BIM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)IFC，為BIM數(shù)據(jù)交換提供了開放的標(biāo)準(zhǔn)格式[3]。美國(guó)以及歐洲眾多國(guó)家已經(jīng)陸續(xù)研究并發(fā)布了適應(yīng)各國(guó)建設(shè)行業(yè)的國(guó)家BIM應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)[1]。相比較而言，國(guó)外研發(fā)的BIM軟件眾多，但大都集中在設(shè)計(jì)階段，如Revit[4]、ArchiCAD[5]等。目前國(guó)內(nèi)在施工階段應(yīng)用的BIM軟件數(shù)量不多，應(yīng)用較廣泛的應(yīng)屬于清華大學(xué)自主研發(fā)的4D施工管理系統(tǒng)4D-GCPSU[6]。

在實(shí)際工程中，越來越多的建筑企業(yè)開始從關(guān)注BIM技術(shù)轉(zhuǎn)換為由淺入深的實(shí)踐BIM技術(shù)，這得益于大量的研究者所做的前沿性工作。胡振中[7]通過綜合應(yīng)用BIM、4D、時(shí)變結(jié)構(gòu)分析、過程模擬以及預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)和碰撞檢測(cè)等領(lǐng)域的知識(shí)，開發(fā)了基于BIM的建筑工程4D施工管理及安全分析系統(tǒng)(4D-GCPSU 2009)，最終提出了施工過程沖突和安全分析管理的整體解決方案。Yu[8]開發(fā)了一個(gè)基于BIM的Web端的施工管理系統(tǒng)(ConBIM-IM)，主要用于施工過程中的信息共享以及高效地跟蹤項(xiàng)目進(jìn)度情況。Lu等[9]將4D-CAD與3D虛擬建造動(dòng)畫相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了給項(xiàng)目建設(shè)方直觀可視化表達(dá)北京奧運(yùn)主場(chǎng)館的設(shè)計(jì)與建造過程。Goedert和Meadati[10]通過在3D模型上記錄實(shí)時(shí)的竣工模型信息以及施工過程數(shù)據(jù)，獲取并存儲(chǔ)施工過程檔案資料，最終形成一個(gè)包含有施工過程文檔資料的竣工模型交付給項(xiàng)目投資方。

盡管國(guó)內(nèi)外BIM的研究應(yīng)用較受歡迎，但大多數(shù)建筑企業(yè)單位對(duì)BIM的應(yīng)用仍然是單點(diǎn)的、表面的、孤立的以及非跨階段的。本研究預(yù)期通過BIM技術(shù)更加深入的研究應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)三維可視化動(dòng)態(tài)施工管理分析[11]、多參與方協(xié)同、信息共享，最終保證工程移交的資料能夠在運(yùn)維階段[12]被直接使用，滿足廣州地鐵數(shù)字化移交需求，降低運(yùn)維階段初期成本。

2 項(xiàng)目概況

2.1 工程背景

鶴洞站所在地區(qū)為廣州市荔灣區(qū)芳村。車站所在地形為“馬鞍”形，平段長(zhǎng)度約300 m。本站站位設(shè)在鶴園路西側(cè)。出入口設(shè)置于道路兩側(cè)，一個(gè)出入口與公交車站形成換乘。本站為地下2層島式車站，車站有效站臺(tái)中心里程為YDK21+448.205，軌面埋深約14.41 m，站臺(tái)寬為10 m，車站標(biāo)準(zhǔn)段寬度為29.5 m (包括括圍護(hù)結(jié)構(gòu))，車站總長(zhǎng)度為109.7 m (包括圍護(hù)結(jié)構(gòu))，總建筑面積為9 034.45 m2，主體建筑面積為7 384.0 m2，附屬建筑面積為1 650.45 m2。

2.2 項(xiàng)目實(shí)施技術(shù)路線

本項(xiàng)目研究的總體技術(shù)路線，包括理論研究與現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研、模型創(chuàng)建、系統(tǒng)研發(fā)、實(shí)際應(yīng)用和課題總結(jié)5個(gè)部分。

(1) 理論研究與現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研主要包括廣州地鐵項(xiàng)目建設(shè)階段的風(fēng)險(xiǎn)分析，全面信息化背景下建設(shè)管理的組織體系和管理模式分析和構(gòu)建，及其建設(shè)管理的特點(diǎn)分析，最后建立基于BIM的廣州地鐵4D技術(shù)應(yīng)用架構(gòu)和信息模型結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)場(chǎng)調(diào)研工作主要是深入廣州地鐵公司和施工現(xiàn)場(chǎng)，通過與廣州地鐵項(xiàng)目建設(shè)方、監(jiān)理方及承包商相關(guān)領(lǐng)導(dǎo)、管理人員交流和調(diào)查，了解項(xiàng)目的概況、施工進(jìn)展?fàn)顩r和管理流程。

(2) 模型創(chuàng)建是根據(jù)工程需要明確建模需求，確定建模范圍，包括建筑、結(jié)構(gòu)、設(shè)備的3D模型等，并指導(dǎo)建模負(fù)責(zé)方。

(3) 系統(tǒng)研發(fā)是針對(duì)廣州地鐵項(xiàng)目新線建設(shè)特點(diǎn)及實(shí)際需求，通過需求分析、系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)和詳細(xì)功能設(shè)計(jì)，開發(fā)C/S架構(gòu)下的客戶端子系統(tǒng)，B/S架構(gòu)下的網(wǎng)頁端子系統(tǒng)和支持智能移動(dòng)終端的移動(dòng)應(yīng)用子系統(tǒng)，并針對(duì)建設(shè)方、監(jiān)理方和施工方提供不同的施工管理功能和界面。系統(tǒng)主要包括系統(tǒng)管理模塊、資源管理模塊、質(zhì)量管理模塊、進(jìn)度管理模塊、安全管理模塊、驗(yàn)交管理模塊、考核管理模塊和數(shù)據(jù)共享模塊。

(4) 實(shí)際應(yīng)用：是將“BIM 平臺(tái)”應(yīng)用于實(shí)際工程建設(shè)的4D施工資源管理、質(zhì)量管理、進(jìn)度管理、驗(yàn)交管理、安全管理等。

(5) 項(xiàng)目總結(jié)、驗(yàn)收與評(píng)審包括總結(jié)研究成果，撰寫研究報(bào)告、技術(shù)報(bào)告等結(jié)題資料，組織專家召開評(píng)審和驗(yàn)收會(huì)。

3 BIM平臺(tái)關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)

3.1 模型兼容性

由于廣州軌道交通項(xiàng)目的建模工作由各施工分包商以及設(shè)備廠商承擔(dān)，因而難以避免出現(xiàn)在同一項(xiàng)目模型中使用不同的建模工具進(jìn)行 BIM建模的情況。多種BIM建模工具的模型兼容性解決方案(圖1)較好地解決了此類問題。

圖1 模型兼容性解決方案

3.2 信息集成技術(shù)

基于清華大學(xué)對(duì) IFC的研究和應(yīng)用以及 BIM技術(shù)的信息共享理念，GDJT BIM提供了IFC接口，可以實(shí)現(xiàn)多種軟件模型的合模。此外，GDJT BIM亦提供了OBJ、3DXML等格式接口，從而更大程度兼容各種非BIM技術(shù)的三維建模軟件。

在廣佛線鶴洞站應(yīng)用中，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了多類型建模軟件所做的三維模型在 GDJT BIM上的精確合模。廣州地鐵各建模單位分別使用Tfas、MegiCAD、Bentley、Tekla、CATIA、Revit等主流建模軟件對(duì)鶴洞站機(jī)電設(shè)備建模，通過導(dǎo)出Ifc、3DXML等中性格式文件，再導(dǎo)入GDJT BIM系統(tǒng)中并可稍微提整位置偏差完成模型整合。這一研究成果為今后各家建模單位的模型集成到 BIM系統(tǒng)提供了有力的技術(shù)支撐。

4 BIM平臺(tái)研發(fā)應(yīng)用成果

4.1 系統(tǒng)整體架構(gòu)設(shè)計(jì)

4.1.1 系統(tǒng)硬件架構(gòu)設(shè)計(jì)

由于本項(xiàng)目涉及建設(shè)過程中的建設(shè)方、監(jiān)理方、施工方和第三方，并且目標(biāo)是可以覆蓋今后各條待建線路，因而系統(tǒng)硬件的物理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需同時(shí)支持通過互聯(lián)網(wǎng)或各線VPN內(nèi)網(wǎng)的訪問，所以將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的物理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為“中心-各線”的二級(jí)存儲(chǔ)模式。

4.1.2 系統(tǒng)軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)首次選取CS+BS+MS模式作為網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。針對(duì)的智能終端擬包括基于iOS系統(tǒng)的蘋果智能手機(jī)和基于Android系統(tǒng)的智能手機(jī)。故本系統(tǒng)應(yīng)由BS架構(gòu)的Web應(yīng)用程序、CS架構(gòu)的計(jì)算機(jī)桌面應(yīng)用程序和移動(dòng)終端網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序組成(圖2)。結(jié)合項(xiàng)目的需求分析，系統(tǒng)的部分需求功能點(diǎn)需3部分架構(gòu)共享，因而在服務(wù)器端單獨(dú)設(shè)計(jì)公共功能Web服務(wù)模塊。

圖2 “軌道交通信息模型管理系統(tǒng)”網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

4.2 多種主流建模軟件合模

實(shí)現(xiàn)了多類型建模軟件所做的三維模型在GDJT BIM上的精確合模。廣州軌道交通建設(shè)監(jiān)理有限公司 BIM研發(fā)團(tuán)隊(duì)使用 Tfas、MegiCAD、Bentley、Tekla、CATIA、Revit建模后，在GDJT BIM中實(shí)現(xiàn)了基于IFC的合模。為了驗(yàn)證合模精確性，使用上述 BIM建模軟件對(duì)風(fēng)管中的各段進(jìn)行分別建模并合成一整段風(fēng)管。這一研究成果為今后各家建模單位的合模提供了有力的技術(shù)支撐。

4.3 機(jī)電設(shè)備信息管理

實(shí)現(xiàn)了機(jī)電設(shè)備從進(jìn)場(chǎng)開始的安裝過程的可視化管理。通過設(shè)備廠商及供貨商提供設(shè)備模型文件及模型附加文件信息，從出廠到交付運(yùn)維的過程中，通過二維碼的追蹤管理，實(shí)現(xiàn)設(shè)備安裝、調(diào)試及驗(yàn)收的全過程信息記錄，從而為運(yùn)維方提供真實(shí)可靠的數(shù)據(jù)支持。

4.4 基于模型的變更與質(zhì)量管理

施工過程中，不可避免實(shí)際完工情況與設(shè)計(jì)并不相符的情況。通過添加設(shè)計(jì)變更，可以有效保證BIM模型的正確性，從而有效避免模型信息落后導(dǎo)致的決策失誤。系統(tǒng)中提供了設(shè)計(jì)變更的添加與查詢功能，每次變更的BIM模型版本以及相關(guān)的設(shè)計(jì)文件都將記錄在系統(tǒng)內(nèi)，形成歷史信息以便回溯和查閱。在鶴洞站試點(diǎn)中，開發(fā)了質(zhì)量安全管理模塊，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)問題按圖釘功能。

4.5 以派工單為核心的施工進(jìn)度管理

在鶴洞站建立了以派工單為核心的施工進(jìn)度管理體系，初步實(shí)現(xiàn)了基于派工單的精細(xì)化協(xié)同管理。這在國(guó)內(nèi)施工管理系統(tǒng)中的應(yīng)用尚屬首例，是國(guó)內(nèi)BIM應(yīng)用的首創(chuàng)和突出亮點(diǎn)。派工單是指施工單位根據(jù)審批過的周計(jì)劃創(chuàng)建派工單，將施工任務(wù)以工單的形式創(chuàng)建出來，工單中包含進(jìn)入車站作業(yè)的人員、設(shè)備/材料、工序指引以及安全防范措施等。對(duì)于日常施工過程管理，系統(tǒng)以派工單運(yùn)行為核心，為建設(shè)方、監(jiān)理方和施工方提供施工過程信息跟蹤控制功能。圖3給出了系統(tǒng)中派工單運(yùn)行的關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)的邏輯圖。首先，通過派工單指定施工任務(wù)、人員、所需設(shè)備材料等并提交監(jiān)理審核，審核通過后開始施工；其次，派工單完成后需要在系統(tǒng)內(nèi)提交相應(yīng)的交付物，并可在模型中顯示施工完成情況，對(duì)未及時(shí)完成施工任務(wù)及時(shí)預(yù)警；最后，系統(tǒng)從派工單中提取實(shí)際進(jìn)度數(shù)據(jù)，并與計(jì)劃進(jìn)度比較，分析工期延誤情況，同時(shí)定量分析任務(wù)完成的質(zhì)量和數(shù)量。此外，系統(tǒng)將根據(jù)每日派工單內(nèi)容自動(dòng)生成施工日志等檔案資料以形成后期運(yùn)維知識(shí)庫。

4.6 BIM前期工作指引

在BIM應(yīng)用前期，主要應(yīng)用點(diǎn)包括了三維圖紙會(huì)審、管線綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)以及臨建場(chǎng)地可視化的規(guī)劃設(shè)計(jì)。對(duì)于三維圖紙會(huì)審，為了提高二維圖紙會(huì)審效率，鶴洞站施工單位提前將設(shè)計(jì)單位提交的二維圖紙翻模成3D模型，通過3D模型的可視化特點(diǎn)，可以直觀地領(lǐng)會(huì)設(shè)計(jì)意圖，大大提高圖紙會(huì)審工作效率；對(duì)于管線綜合，在鶴洞站機(jī)電安裝的施工前期，施工單位對(duì)3D模型進(jìn)行碰撞檢測(cè)，利用BIM技術(shù)檢查出2 000多個(gè)碰撞點(diǎn)，節(jié)省成本約40萬元，縮短工期3～4周；對(duì)于臨建場(chǎng)地規(guī)劃，圖4給出了采用3D模型綜合考慮的臨時(shí)設(shè)施規(guī)劃方案以及鶴洞站現(xiàn)場(chǎng)對(duì)比圖。臨時(shí)設(shè)施的布置避開后續(xù)施工區(qū)域，解決了以往施工過程中不斷遷改站內(nèi)臨時(shí)設(shè)施的問題，大大節(jié)省了人力、物力，繼而也實(shí)現(xiàn)綠色環(huán)保施工的理念。

圖3 以派工單為核心的施工進(jìn)度管理

圖4 采用3D模型綜合考慮的臨時(shí)設(shè)施規(guī)劃方案以及鶴洞站現(xiàn)場(chǎng)對(duì)比圖

4.7 形成系列的標(biāo)準(zhǔn)和管理辦法

作為建設(shè)領(lǐng)域信息化的第二次革命，BIM技術(shù)的推廣應(yīng)用的難度遠(yuǎn)超了第一次，這就需要配套的標(biāo)準(zhǔn)和導(dǎo)則，包括建模標(biāo)準(zhǔn)、管理標(biāo)準(zhǔn)、應(yīng)用導(dǎo)則等等。重工具、輕標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施，對(duì)于BIM應(yīng)用落地是無法得到作業(yè)層的貫徹執(zhí)行，無法實(shí)現(xiàn)BIM應(yīng)用價(jià)值點(diǎn)。至今，國(guó)內(nèi)沒有能滿足軌道交通建設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)。本項(xiàng)目在推進(jìn)過程中，針對(duì)廣州軌道交通機(jī)電與裝修工程專門編寫了這些標(biāo)準(zhǔn)和導(dǎo)則，例如《軌道交通機(jī)電設(shè)備安裝與裝修工程BIM建模標(biāo)準(zhǔn)》、《軌道交通信息管理系統(tǒng)的施工計(jì)劃編制指引》、《軌道交通信息模型管理系統(tǒng)的模型交付標(biāo)準(zhǔn)》等。

5 結(jié) 束 語

本著“理念前瞻性，技術(shù)先進(jìn)性，系統(tǒng)實(shí)用性”的研究理念和策略，廣州軌道交通建設(shè)監(jiān)理有限公司會(huì)同廣州地鐵集團(tuán)有限公司建設(shè)事業(yè)總部機(jī)電中心、清華大學(xué)共同研究開發(fā)的GDJT BIM通過采用多平臺(tái)客戶端的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用模式(“CS +BS+MS”)，共享同一套BIM模型，實(shí)現(xiàn)基于二維碼的機(jī)電設(shè)備過程信息管理，基于3D模型的“按圖釘”質(zhì)量安全管理、以及以派工單為核心的進(jìn)度管理體系。此外，為了更好保證系統(tǒng)的落地應(yīng)用，研究編寫了BIM應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)則。在廣佛線鶴洞站的實(shí)際應(yīng)用表明：本研究及所開發(fā)的GDJT BIM擴(kuò)展了BIM技術(shù)應(yīng)用范疇，能夠適應(yīng)軌道交通機(jī)電工程的實(shí)際需求，實(shí)現(xiàn)了項(xiàng)目參與方信息共享、多專業(yè)協(xié)同、減少施工階段設(shè)計(jì)變更、縮短施工工期等預(yù)定目標(biāo)。對(duì)于提高地鐵建設(shè)過程中施工效率以及信息化管理水平，取得了顯著效果，也為廣州地鐵今后的10條新線、100多個(gè)車站大規(guī)模新線建設(shè)提供了新的信息化管理手段。

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The Research and Development of Rail Traffic Information System and Its Application in Guangzhou Metro

Zhang Weizhong1, Wang Wei2, Chen Qian3, Liang Tao1, Zhang Rui2, Wang Hengwei3
(1. Guangzhou Mass Transit Engineering Consultant Co.Ltd, Guangzhou Guangdong 510010, China; 2. Guangzhou Metro Group Co.Ltd.,Construction Headquarters Mechatronic Center, Guangzhou Guangdong 510060, China; 3. Department of Civil Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China)

In order to satisfy the requirements of the construction management and the digital transfer of the new lines of Guangzhou Metro, Guangzhou Metro Group Co., Ltd. cooperates with Tsinghua University, and then advanced 4D construction management concept was first introduced to rail transit construction projects. We have studied a variety of mainstream modeling software compatibility and integration of information technology, and have established BIM-based rail transit 4D technology application architecture and information model structure by studying multi-platform information management model, which apply to the actual construction management of Hedong station of the posterior segment in Guang-Fo line. In addition, the system implements the electromechanical equipment information management process based on two-dimensional code, the“pressing the pin” quality and safety management based on 3D models, as well as the schedule management with the work order as the core. Meanwhile, to better promote the landing applicationsystem, we studied and complied the BIM standard application guidelines. The application of this system shows that the research contributes to the information sharing among project participants, multi-disciplinary collaboration, shorten the construction period and reduce operating costs, which greatly improve the efficiency through the process of the subway construction and the information management level.

construction management; rail transit; mechatronics; building information modeling; metro

TP 399

10.11996/JG.j.2095-302X.2016060810

A

2095-302X(2016)06-0810-06

2016-02-25；定稿日期：2016-06-21

張偉忠(1969-)，男，廣東梅州人，工程師，大專。主要研究方向?yàn)檐壍澜煌üこ添?xiàng)目管理、建筑信息化、BIM。E-mail：13903054808@139.com