基于BIM的軌道交通數(shù)字化施工集成管理研究

戴慧麗

（上海城建市政工程（集團）有限公司，上海市 200065）

基于BIM的軌道交通數(shù)字化施工集成管理研究

戴慧麗

（上海城建市政工程（集團）有限公司，上海市 200065）

軌道交通施工過程是一個復雜的過程，涉及進度、質(zhì)量、安全等多維度信息，傳統(tǒng)管理模式下難滿足多維度信息的管理要求。針對隧道施工過程在傳統(tǒng)管理控制模式下遇到的問題，提出了一種基于BIM的數(shù)字化施工集成管理方法，構(gòu)建了基于BIM的數(shù)字化施工管理平臺。最后，以上海軌道交通12號線11標為應用對象，通過系統(tǒng)的實施效果反映出集成管理的效果，進而充分體現(xiàn)了基于BIM的地鐵施工過程集成管理的應用價值和發(fā)展前景。

BIM；施工管理；數(shù)字化

0 引言

隨著信息技術(shù)在工程管理領域應用的不斷拓展和建筑業(yè)科技水平的迅猛提高，國家對建筑行業(yè)安全標準和監(jiān)管力度的逐步加強，工程施工現(xiàn)場管理也要求達到信息化和標準化，打造“數(shù)字化工地”已成為施工現(xiàn)場信息化管理的新要求和新目標，建立一套完整的數(shù)字化工地管理系統(tǒng)也成為未來的主流趨勢。住房和城鄉(xiāng)建設部《2011～2015年建筑業(yè)信息化發(fā)展綱要》中提出:推進BIM技術(shù)在施工階段的應用，加快推廣4D項目管理技術(shù)在工程項目管理中的應用?？梢?，BIM作為一種新興數(shù)據(jù)化技術(shù)，已逐步受到建筑行業(yè)各方的認可，發(fā)揮著越來越積極的作用[1]。

本項目基于現(xiàn)代物聯(lián)網(wǎng)、BIM等技術(shù)研究基于BIM的數(shù)字化施工集成管理系統(tǒng)，并在上海軌道交通12號線11標工程上進行了應用。

1 研究現(xiàn)狀

城市軌道交通作為城市大型基礎設施，其建設與發(fā)展速度的正確決策，會對城市社會、經(jīng)濟和交通的持續(xù)發(fā)展產(chǎn)生重要影響。城市軌道交通往往穿越城市繁華地區(qū)，商業(yè)、交通繁忙，地面建筑物眾多，其施工過程勢必會影響正常的城市交通，其在建設期間往往會加重城市交通擁堵狀況，增加城市交通壓力，故按期完成城市軌道交通的建設尤為重要。然而現(xiàn)階段的城市軌道交通項目建設效率低、信息化程度低，而且由于城市軌道交通建設項目自身的特殊性，技術(shù)難度大、建設環(huán)境復雜、建設過程動態(tài)變化等特點，給工程的進度管理和控制帶來了巨大壓力，經(jīng)常會出現(xiàn)工期拖延的情況，對城市居民正常生活造成重大影響。

建筑信息模型 (Building Information Modeling，BIM)以三維數(shù)字技術(shù)為基礎，通過一個共同的標準，目前主要是 IFC(Industry Foundation Class)，集成了建設工程項目各種相關(guān)信息的工程數(shù)據(jù)模型。作為一項新的計算機軟件技術(shù)，BIM從CAD擴展到了更多的軟件程序領域，如工程造價、進度安排，還蘊藏著服務于設備管理等方面的潛能。BIM給建筑行業(yè)的軟件應用增添了更多的智能工具，實現(xiàn)了更多的職能工序。設計師通過運用新式工具，改變了以往方案設計的思維方式；承建方由于得到新型的圖紙信息，改變了傳統(tǒng)的操作流程；管理者則因使用統(tǒng)籌信息的新技術(shù)，改變其前前后后工作日程、人事安排等一系列任務的分配方法[2]。

在進度管理方面，清華大學BIM課題組一直走在4D研究的最前沿。清華大學張建平教授上世紀九十年代開始，一直致力于4D模型的理論和技術(shù)研究。課題組開發(fā)的4D-GCPSU的促進了4D施工模型的理論發(fā)展，填補了4D模擬施工領域的空白吸納了國際上先進的施工模擬系統(tǒng)的優(yōu)點，在具備常規(guī)功能的基礎上還增加了更多的管理工具，適用范圍更加寬廣。通過WBS和信息交互等核心模塊的共同作用，建立了4D可視化平臺，實現(xiàn)4D集成化施工管理。與國外同類系統(tǒng)相比，它具有支持基于IFC標準的數(shù)據(jù)集成與交換、信息高度集成、預留升級空間用于4D++模型擴展等優(yōu)勢，該4D施工管理系統(tǒng)的研發(fā)成功和實踐應用在國內(nèi)是首次，完全自主知識產(chǎn)權(quán)并達到了世界一流水準。但是，該項成果局限于工程項目現(xiàn)場施工進度管理，沒有將其應用范圍擴展到全生命周期，從而無法盡早開展對項目的可行性研究和早期規(guī)劃，是一個不小的遺憾。另外，該4D系統(tǒng)的三維模型只是對工程的不完全模擬，只包含基本信息，沒有存入其他相關(guān)工程信息，所以還不是嚴格標準的數(shù)字化模型。陳謙、齊鍵在分析了項目施工組織和4D模型相關(guān)理論的基礎上，詳細分析了4D模型的可視化模擬、信息共享與交互等功能對施工進度產(chǎn)生的影響，他們認為4D模型的應用有利于工程目標的管理和控制，提高勞動效率丁杰從一體化的角度提出4D模型是設計與建造的一體化融合，分別使用CAD方法和BIM方法建立4D模型，并通過IDEFO驗證了4D建模的實施過程[3]。牟銘詳細介紹并總結(jié)4D模型的研究成果，并結(jié)合Revit軟件提出了詳細具體的4D建模方案，使Revit平臺下的工程項目進度管理得以實現(xiàn)，滿足建筑企業(yè)對信息一體化的渴望和追求[4]。4D模型的具體適用條件由丁衛(wèi)平首先提出，他構(gòu)造了“3D”+“時間維度”的4D模型，指出了模型的問題并給出模型的優(yōu)化建議[5]。

在質(zhì)量安全方面，國內(nèi)一些學者對BIM的質(zhì)量控制也做了相關(guān)研究，探討了BIM技術(shù)在建設項目中的相關(guān)應用及BIM技術(shù)對傳統(tǒng)項目管理帶來的影響。張大鎮(zhèn)、饒紅旗、張月燕、王彥哲[6]對二維與三維數(shù)字化質(zhì)量管控的優(yōu)缺點進行分析比較，并合實踐介紹了三維信息化質(zhì)量管控的設計流程。郭秀平[7]對中吉大地公司的質(zhì)量管理業(yè)務流程現(xiàn)狀進行了全面的診斷，闡述了工程生命周期各階段的業(yè)務流程。師征[8]建立了基于 BIM的工程項目管理流程，進行了組織結(jié)構(gòu)設計、人員職責設計，并通過三層的別墅小樓實例模擬驗證了其可行性。李亞東、郎灝川、吳天華[9]認為項目各參與方用BIM技術(shù)進行質(zhì)量管理會更方便高效，指出了基于BIM的質(zhì)量管理的關(guān)鍵數(shù)據(jù)處理和實施要點，最后結(jié)合上海中心實例進行闡述。應宇墾、王婷[10]指出 BIM的應用對現(xiàn)有的工程項目流程有所影響，評價一個工程的項目管理如何，首先分析其組織和流程，應以傳統(tǒng)流程占主，BIM流程為輔，對現(xiàn)有的流程進行優(yōu)化。肖夢琪、莫世聰、熊峰、董娜[11]從目前施工質(zhì)量控制體系的缺陷出發(fā)，提出了基于BIM的清單式質(zhì)量控制方法。李勇、郄恩田、郭陽[12]主要在三維模型展示工序流程、管件的碰撞檢查、二維出圖以及參數(shù)化設置、高集成化方便信息查詢和搜集，四個方面闡述BIM的質(zhì)量管理。田云峰、祝連波[13]利用三維激光掃描采集的點云數(shù)據(jù)和BIM模型的對接，分析了基于三維激光掃描和BIM模型在橋梁質(zhì)量管理中的可行性和必然性，最后以中心灘黃河大橋為例闡述了基于三維激光掃描和BIM模型在橋梁施工階段質(zhì)量管理。劉志平、李慧良、彭永文[14]從產(chǎn)品質(zhì)量管理和技術(shù)質(zhì)量管理兩個方面分析了BIM技術(shù)在工程質(zhì)量管理中的具體應用。

本文從軌道交通施工數(shù)字化管理各個角度出發(fā)，構(gòu)建基于BIM的數(shù)字化施工集成管理系統(tǒng)。在質(zhì)量上，實現(xiàn)對隧道施工現(xiàn)場所有材料、設備進行監(jiān)控，使得質(zhì)量管控人員能智能的追溯、追蹤質(zhì)量上出現(xiàn)的任何問題；在安全方面，實現(xiàn)對隧道施工現(xiàn)場一些出現(xiàn)危險源的地方能第一時間發(fā)現(xiàn)危險狀況，能第一時間對施工人員采取出相應安全保護措施，提前讓施工人員對這些風險進行有效的防護措施；在項目質(zhì)量管理上，實現(xiàn)整個施工過程的所有材料、設備、人員、進度、質(zhì)量監(jiān)控動態(tài)化、項目管理的協(xié)同化和項目信息展現(xiàn)的多樣化。

2 基于BIM的數(shù)字化施工集成管理框架

基于BIM的數(shù)字化施工集成管理系統(tǒng)基于現(xiàn)代物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、BIM技術(shù)、信息技術(shù)等，面向軌道交通施工的信息管理需求，實現(xiàn)工程質(zhì)量、安全、物資的實時管理，增強工程質(zhì)量、安全、物資管理的可追溯性，實時掌控項目工料機計劃及實際耗用分析，強調(diào)多子系統(tǒng)聯(lián)動校驗分析，項目風險節(jié)點及時發(fā)現(xiàn)及預警，項目運行綜合數(shù)據(jù)遠程智能展現(xiàn)。

2.1 系統(tǒng)總體機構(gòu)

整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1。其主要包括數(shù)字化安全管理系統(tǒng)（門禁管理子系統(tǒng)，視頻管理子系統(tǒng)，人員定位子系統(tǒng)）、數(shù)字化管片管理系統(tǒng)、數(shù)字化物資管理系統(tǒng)和BIM集成管理系統(tǒng)。

其中數(shù)字化安全管理系統(tǒng)是將傳統(tǒng)門禁系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)合數(shù)字化RFID人員定位考勤系統(tǒng)形成的數(shù)字化管理平臺。數(shù)字化管片芯片主要是對盾構(gòu)施工信息的實時輸入及整理、歷史數(shù)據(jù)的統(tǒng)計及分析控制，本工程的數(shù)字化質(zhì)量管理主要是通過安裝在管片上的芯片，將動態(tài)施工信息、質(zhì)量信息錄入芯片中，通過在控制終端將施工參數(shù)動態(tài)輸入，可以時刻確保動態(tài)信息反饋和控制，實現(xiàn)對盾構(gòu)施工信息的即時控制。物資管理系統(tǒng)主要包含材料管理系統(tǒng)及設備管理系統(tǒng)，實現(xiàn)材料進出場管理、材料使用管理、材料的質(zhì)量管理，設備進出場管理、設備維護管理、設備檢查。BIM集成管理系統(tǒng)自動將采集到的數(shù)據(jù)與BIM模型集成，通過BIM模型，實現(xiàn)動態(tài)監(jiān)控施工進度、施工質(zhì)量、人員安全，完成風險辨識、評估、預警和控制。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

2.2 數(shù)字化安全管理系統(tǒng)

該系統(tǒng)（見圖2）主要實現(xiàn)工程施工安全管理信息化，工程施工安全追溯性，實時掌握施工安全動態(tài)，施工風險源動態(tài)控制目標。通過在安全帽上安裝RFID射頻芯片，通過固定位置讀頭讀取RFID芯片信息確定佩戴安全帽的人員位置。讀頭將信息通過無線傳輸逐級傳遞到中央監(jiān)控室中，動態(tài)跟蹤人員軌跡。

圖2 系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)

2.3 數(shù)字化管片系統(tǒng)

該系統(tǒng)（見圖3）通過將電子芯片固定在區(qū)間隧道管片內(nèi)，以環(huán)為單位。施工人員現(xiàn)場手持機終端掃描芯片后進行信息輸入，內(nèi)容包括環(huán)號、管片型號、施工日期、管片合格證信息、施工人員信息、整圓度及注漿量等，手持機信息輸入后與監(jiān)控中心的PC機終端進行同步處理，所有信息都可以在后臺進行分析處理，形成統(tǒng)計分析。

圖3 數(shù)字化管片系統(tǒng)架構(gòu)圖

2.4 數(shù)字化管片系統(tǒng)

物資管理系統(tǒng)（見圖4）實現(xiàn)方式與管片系統(tǒng)類似，將芯片固定在材料及設備上，通過手持機對材料及設備進行檢查及記錄實現(xiàn)物資管理數(shù)字化。

圖4 數(shù)字化物資系統(tǒng)使用流程

2.5 BIM集成管理系統(tǒng)

該系統(tǒng)（見圖5）部署在施工現(xiàn)場，工地端的人員追蹤系統(tǒng)、管片管理系統(tǒng)、盾構(gòu)推進系統(tǒng)，通過各自的數(shù)據(jù)采集設備，自動將井下與井上采集到的數(shù)據(jù)傳遞到工地端的核心數(shù)據(jù)庫，數(shù)字化盾構(gòu)隧道施工系統(tǒng)工程平臺通過BIM模型，動態(tài)監(jiān)控施工進度、施工質(zhì)量、人員安全，完成風險辨識，評估，預警和控制。當風險大于預警線時，系統(tǒng)會將預警通過BIM模型呈現(xiàn)給用戶。用戶通過模型在線預警數(shù)據(jù)，詳細了解風險形成的過程，進行風險進一步分析，制定解決方案。

圖5 數(shù)字化盾構(gòu)隧道施工系統(tǒng)工程平臺拓撲結(jié)構(gòu)

3 工程應用

系統(tǒng)以上海軌道交通12號線11標工程為應用對象，該項目地處徐匯區(qū)濱江開發(fā)區(qū)，主要包括龍華站～浦江南浦站區(qū)間隧道和浦江南浦站～大木橋路站區(qū)間隧道推進工程及旁通道2座、泵站1座。其中龍華站～浦江南浦站區(qū)間隧道長1 021 m，浦江南浦站～大木橋路站區(qū)間隧道長1 220 m，隧道頂埋深16.31～23.66 m，區(qū)間最小轉(zhuǎn)彎半徑380 m。本工程通過基于BIM的隧道施工過程管理系統(tǒng)的建設和應用，在對隧道整體施工質(zhì)量及安全風險防范上取得了良好效果，同時也進一步提高了管理人員的責任心以及作業(yè)人員的安全意識（見圖6～圖9）。

圖6 數(shù)字化安全管理系統(tǒng)現(xiàn)場應用

圖7 數(shù)字化管片系統(tǒng)現(xiàn)場應用

圖8 數(shù)字化物資管理系統(tǒng)現(xiàn)場應用

圖9 BIM集成管理系統(tǒng)現(xiàn)場應用

4 結(jié)論

基于BIM的數(shù)字化施工集成管理系統(tǒng)在上海軌道交通12號線11標的應用取得了初步的成功，但該系統(tǒng)僅僅覆蓋了施工管理工作，未來該系統(tǒng)可以在現(xiàn)有數(shù)字化管理系統(tǒng)基礎上向混凝土預制件、PC建筑、地下開發(fā)等領域進行拓展。計劃將現(xiàn)有“數(shù)字化管片管理系統(tǒng)”向前延伸至“隧道BIM模型建立”“管片生產(chǎn)管理系統(tǒng)”，向后將施工中的信息移交運營，為隧道后期維護管理提供便利，實現(xiàn)盾構(gòu)隧道全生命周期管理。

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U455

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1009-7716（2017）04-0168-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.04.050

2017-02-13

戴慧麗（1983-），女，上海人，工程師，從事市政工程建筑管理工作。