BIM技術(shù)在鐵路“四電”工程項目管理中的應(yīng)用

楊建偉

（中鐵武漢電氣化局集團華北區(qū)域指揮部 黨委書記、副指揮長，北京 100072）

1 研究的目的

1.1 國內(nèi)BIM應(yīng)用發(fā)展現(xiàn)狀

近年來BIM技術(shù)得到迅速發(fā)展和應(yīng)用，并已被工程業(yè)普遍認為是行業(yè)的第二次信息技術(shù)革命。在我國，建筑工程中BIM的應(yīng)用起步較晚，深度、廣度遠不及美國，但是近幾年在一些大型、復(fù)雜項目中進行了嘗試，取得了部分應(yīng)用效果，也為后續(xù)的發(fā)展應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。由于BIM應(yīng)用相關(guān)的配套標準不完善，軟件系統(tǒng)不落地，管理方式?jīng)]有跟進，從總體上呈現(xiàn)散點式的非系統(tǒng)性應(yīng)用特點。建設(shè)部在2011年5月發(fā)布了 《2011—2015年建筑業(yè)信息化發(fā)展綱要》，2015年7月發(fā)布《關(guān)于推進建筑信息模型應(yīng)用的指導(dǎo)意見》（建質(zhì)函〔2015〕159號），以上海市為代表的各地區(qū)政府也出臺多個應(yīng)用指南或規(guī)范，國內(nèi)一些大型設(shè)計公司、施工企業(yè)和地產(chǎn)公司成立了自己的BIM團隊，為BIM應(yīng)用研究投入了大量的人力物力。

1.2 研究目的

BIM技術(shù)以三維模型為基礎(chǔ)，逐步形成建筑物在工程全生命周期內(nèi)的信息模型，支持建筑物在規(guī)劃、設(shè)計、施工、運維等各階段活動，從而實現(xiàn)工程領(lǐng)域的精細化方案、精細化施工和精細化管理。

本次研究依托BIM技術(shù)應(yīng)用，建立 “四電”集成全屬性信息三維模型。在可視化方面，通過三維模型的快速展現(xiàn)，實現(xiàn)所見即所得，獲取更多的工程信息，為決策提供詳實的依據(jù)。在工程實踐中，可以利用BIM技術(shù)實現(xiàn)變（配）電所、信號中繼站、通信基站和綜合接地等集中纜線分層分路徑預(yù)定位和動態(tài)碰撞檢查。通過三維模型的4D模擬安裝、安裝演示等功能來指導(dǎo)實際的施工，減少在安裝過程中的錯漏碰缺，最大程度地減少返工和修改，最終實現(xiàn)“四電”接觸網(wǎng)等項目施工過程的可視化、信息化、協(xié)同化與數(shù)字化管理。

2 研究成果

2.1 主要研究內(nèi)容

BIM信息模型是開展BIM應(yīng)用的前提和基礎(chǔ)，是三維可視化的管理對象，是數(shù)據(jù)信息載體及竣工數(shù)字化交付的重要組成部分。創(chuàng)建與設(shè)計圖紙相一致，與實際施工相一致的BIM信息模型是項目管理BIM應(yīng)用的重點工作之一。“四電”工程項目的BIM模型包含以下內(nèi)容：

1）三維空間線路模型創(chuàng)建：線路作為其他各專業(yè)模型的定位依據(jù)，其坐標系統(tǒng)與高程系統(tǒng)必須與設(shè)計總圖保持一致。在其他建模工作開始之前，首先要完成線路模型的建立，以便其他各專業(yè)實時獲取線路空間參數(shù)信息。

2）站前土建部分模型創(chuàng)建：讀取已創(chuàng)建的三維空間線路模型幾何形體及空間參數(shù)，利用CSD軟件的路、橋、隧專業(yè)建模工具，設(shè)置好起止里程標、斷面類型等相關(guān)參數(shù)，軟件系統(tǒng)自動創(chuàng)建站前工程的三維模型。

3）接觸網(wǎng)參數(shù)化模型創(chuàng)建：CSD軟件為接觸網(wǎng)專業(yè)專門研發(fā)了接觸網(wǎng)設(shè)計模塊，模型創(chuàng)建方式與流程如下：（1）創(chuàng)建區(qū)間：選擇線路右線輸入?yún)^(qū)間名稱，設(shè)定起始樁號與終止樁號創(chuàng)建區(qū)間；（2）創(chuàng)建錨段：選擇區(qū)間并輸入錨段名稱，每個錨段均分為前段、中間錨段、后段三個部分，可分別控制接觸網(wǎng)支柱數(shù)量與間距，共同決定一個錨段的總長度，程序會根據(jù)輸入?yún)?shù)自動判斷生成錨段；（3）創(chuàng)建參考柱線：需要設(shè)定接觸網(wǎng)支柱限界、拉出值、導(dǎo)高、吊弦長度與數(shù)量等參數(shù)，確定接觸網(wǎng)支柱（含設(shè)備）的具體位置，選擇錨段或者區(qū)間定位平面線生成參考柱線；（4）創(chuàng)建接觸網(wǎng)柱（含設(shè)備）：使用實體模型類型，支柱類型可在構(gòu)件庫中選擇不同的接觸網(wǎng)柱類型，構(gòu)件庫內(nèi)模型對象主要有兩種，一種是通過MS建立的實體模型入庫，另一種是由PCL語言創(chuàng)建的模型；（5）創(chuàng)建懸鏈：根據(jù)前面步驟設(shè)定參數(shù)，選擇相應(yīng)的區(qū)間或者錨段自動生成接觸線。

2.2 鐵路“四電”BIM應(yīng)用管理系統(tǒng)研發(fā)

“四電”BIM應(yīng)用管理系統(tǒng)是開展基于BIM技術(shù)的項目可視化管理的重點，其主要功能如下：

1）加載管理三維BIM信息模型，將本地BIM模型通過輕量化處理，加載到管理系統(tǒng)中，為項目質(zhì)量、進度、造價、安全等管理提供管理對象，為項目管理提供三維可視化工作場景。項目管理者可看到與項目現(xiàn)場一致的工程進展情況，并能通過虛擬仿真漫游等技術(shù)讓人有身臨其境的感覺。

2）為各個參與單位提供協(xié)同工作環(huán)境，“四電”管理系統(tǒng)為項目管理提供信息數(shù)據(jù)集成、共享環(huán)境，使各方獲得的數(shù)據(jù)能夠及時、唯一。本系統(tǒng)協(xié)同包括：能夠提供建設(shè)單位、施工單位（子單位）、監(jiān)理單位等不同參與方及每個單位的不同部門之間協(xié)同，能夠提供“四電”不同專業(yè)間協(xié)同，能夠提供不同時間、空間之間協(xié)同。

3）為項目質(zhì)量、進度、造價管理等提供專業(yè)管理工具，以傳統(tǒng)項目管理的流程和管理內(nèi)容為基礎(chǔ)，加入三維可視管理的工具，讓項目質(zhì)量、進度、造價等管理更為直觀、簡便。做到三維可視化模型、數(shù)據(jù)信息、現(xiàn)場實際三者相互對應(yīng)，相互檢驗。

4）為項目過程信息數(shù)據(jù)處理提供專業(yè)工具，以BIM模型為對象，對項目施工過程的設(shè)計、采購、預(yù)配、施工、驗收等環(huán)節(jié)進行系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、存儲、交換、分析，方便日后查詢、追溯。結(jié)合設(shè)備或構(gòu)配件的二維碼管理，通過電腦PC端、移動端掃描對接，實現(xiàn)信息記錄、信息查詢不受時空限制。

2.3 關(guān)鍵技術(shù)及研究方法

以BIM理論及相關(guān)軟件為基礎(chǔ)，結(jié)合鐵路“四電”項目施工過程進行研究，在研究過程中主要采用如下研究方法：

1）智能設(shè)計法：三維建模過程中，基于Project Wise協(xié)同管理平臺，跨專業(yè)、跨地域地進行交互、協(xié)同設(shè)計，使數(shù)據(jù)與信息得到共享，保證每個參與人員及時獲得正確版本上游文件。數(shù)據(jù)模型的參數(shù)化與關(guān)聯(lián)性，使項目設(shè)計模型的部分專業(yè)或模塊如有變更，與之相關(guān)的數(shù)據(jù)參數(shù)可自動變化。

2）基于BIM的施工管理法：基于Civil Station Construction施工管理軟件，結(jié)合Project軟件調(diào)整和控制工程項目的施工進度，通過處理現(xiàn)場的施工計劃進度與實際進度，實現(xiàn)工程項目施工過程的可視化模擬；實時錄入工程質(zhì)量驗收相關(guān)數(shù)據(jù)，對施工現(xiàn)場進行動態(tài)監(jiān)控管理；工程量的動態(tài)統(tǒng)計，與造價信息的掛接，實現(xiàn)工程項目施工進度的4D（三維+時間）與5D動態(tài)管理。

3 BIM技術(shù)在“四電”工程項目管理中的具體應(yīng)用

3.1 二維圖深化設(shè)計

通過使用三維BIM信息模型創(chuàng)建工具，將多個二維圖按照1：1比例集成創(chuàng)建鐵路“四電”項目信息模型（圖1、圖2），形成一個直觀具體的虛擬項目實體，集成項目設(shè)備構(gòu)件的位置信息、外觀信息、矢量尺寸、規(guī)格型號等多項信息，可以360°無死角全面展示項目實際面貌，即（模型）所見為（施工后）所得，更加直觀表達設(shè)計師的意圖。通過協(xié)同管理平臺共享信息模型，參建各方、各個部分可以獲取相同的項目信息，提高各方交流與溝通的效率。

圖1接觸網(wǎng)BIM信息模型

圖2接觸網(wǎng)補償裝置模型

創(chuàng)建三維信息模型的過程也是工程施工預(yù)演過程，應(yīng)用相關(guān)的工具軟件，分部創(chuàng)建單專業(yè)模型，然后通過協(xié)同平臺合并組裝，利用專業(yè)工具軟件進行碰撞檢查，檢驗各個專業(yè)之間信息模型是否存在錯、漏、碰、缺等設(shè)計質(zhì)量缺陷（圖3），檢驗房間與設(shè)備之間的空間布局是否合理，設(shè)備的各項參數(shù)是否符合施工及運維要求，反查二維圖存在的缺陷與不足，提前修改，減少設(shè)計變更，減少過程返工，提高設(shè)計質(zhì)量效率。同時，為后續(xù)的工程質(zhì)量管理、進度管理、成本管理等創(chuàng)造條件。

圖3 BIM模型的生成及檢查

3.2 施工組織模擬

施工組織是進行正式施工前整體工作計劃安排，有著十分重要的作用，是對項目進行施工段劃分、工序劃分、各項人、材、機、物等資源的調(diào)配管理，來指導(dǎo)施工。傳統(tǒng)的施工組織都是在二維圖上進行推演，雖然發(fā)揮了重要作用，但也存在一些難以解決的問題。應(yīng)用BIM技術(shù)進行施工組織，相比二維圖條件下，具有優(yōu)勢：一是利用三維可視化BIM模型，可以在空間維度上進行作業(yè)空間劃分，按專業(yè)、工序合理安排各種資源，更加直觀、準確；二是應(yīng)用BIM模型進行各類數(shù)據(jù)測算，能夠準確預(yù)判每個作業(yè)空間的資源需求，為施工組織計劃提供準確的數(shù)據(jù)支撐；三是對已安排的計劃利用BIM模型進行推演模擬，直觀地展示施工安裝工序以及工序之間的銜接，檢查施工組織計劃是否合理，發(fā)現(xiàn)計劃安排不合理的施工順序、不合理的資源安排，可能存在的作業(yè)安全隱患，預(yù)留的空間不足等問題，并清晰把握在安裝過程中的難點和要點，施工方也可以進一步對原有安裝方案進行優(yōu)化和改善，以提高施工效率和施工方案的安全性。

3.3 工程量統(tǒng)計

工程量是整個項目實施中最為重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，是進行項目經(jīng)濟性判斷、施工資源預(yù)配、項目成本測算、資金安排、項目進度計算的基礎(chǔ)。工程量是進行工程項目管理的樞紐，項目各參與單位甲方、設(shè)計、施工、監(jiān)理等都非常重視，貫穿項目初步設(shè)計、施工圖設(shè)計、工程施工全過程（如圖4）。

圖4工程量使用類型及需求單位

傳統(tǒng)條件下，預(yù)算工程師（工料測量師）依據(jù)二維圖紙，結(jié)合國家設(shè)計、施工規(guī)范，安裝圖集等資料，先進行分類列項，再按順序逐一羅列項目，最后根據(jù)統(tǒng)計要求形成一份完整的工程量清單。利用BIM模型計算工程量，只要BIM模型創(chuàng)建完成，計算機會自動計算出準確詳實的工程數(shù)量，可以根據(jù)項目多種空間劃分、專業(yè)、時間、里程等多維度進行組合統(tǒng)計，統(tǒng)計方式更加靈活，統(tǒng)計速度更加快速，統(tǒng)計結(jié)果更加準確，能夠切實為項目管理者提供決策中數(shù)據(jù)支撐。BIM模型大大減少了繁瑣的人工操作和潛在錯誤，相比手工計算節(jié)省近90%工作時間。兩種工程量計算流程對比見圖5。

圖5兩種工程量計算流程對比

3.4 施工進度管理

施工進度管理是項目施工管理的重要內(nèi)容之一，傳統(tǒng)管理方式是在類似工程經(jīng)驗基礎(chǔ)上，以橫道圖（甘特圖）為主，來表達施工的空間關(guān)系、工序關(guān)系、時間進度等信息。由于專業(yè)性強，可視化程度低，無法清晰描述施工進度以及各種復(fù)雜關(guān)系，難以準確表達工程施工的動態(tài)變化過程，尤其是無法對工程進度量化。

應(yīng)用BIM技術(shù)進行施工進度管理，通過將BIM與施工進度計劃相鏈接，將空間信息與時間信息整合在一個可視的 4D(3D+Time)模型中，可以直觀、精確地反映整個施工過程。具體來說，一是利用BIM模擬性，綜合考慮多因素來驗證既定進度計劃是否合理；二是通過BIM模型直觀反映工程實際進展，用不同顏色來區(qū)別構(gòu)件是否按計劃時間完成；三是通過數(shù)據(jù)統(tǒng)計方法用柱狀圖或餅狀圖來表示（如圖6），從定性和定量兩個方面分析，隨時檢查不同時間維度、空間維度項目完成情況，對整個工程的施工進度、資源和質(zhì)量進行統(tǒng)一管理和控制，以縮短工期、降低成本、提高質(zhì)量。

圖6某“四電”項目接觸網(wǎng)專業(yè)進度統(tǒng)計柱狀圖

3.5 工程物料跟蹤

鐵路“四電”項目物料管理是確保工程質(zhì)量符合設(shè)計要求，項目工期能夠按計劃推進的關(guān)鍵，建立一整套從物料計劃、物料采購到物料配送、現(xiàn)場安裝一體化的閉環(huán)管理流程是根本。在BIM技術(shù)出現(xiàn)以前，物料卡控的重點放在流程建立與制度管理方面，在技術(shù)方面借助較為成熟的物流行業(yè)的管理經(jīng)驗及技術(shù)方案 (例如 RFID無線射頻識別電子標簽)。通過RFID可以把建筑物內(nèi)各個設(shè)備構(gòu)件貼上標簽，以實現(xiàn)對這些物體的跟蹤管理，但RFID本身無法進一步獲取物體更詳細的信息(如生產(chǎn)日期、生產(chǎn)廠家、構(gòu)件尺寸等)。

應(yīng)用BIM綜合管理平臺，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用，將物料需求單、物料采購、物料配送、過程監(jiān)控、物料現(xiàn)場安裝等所有環(huán)節(jié)管理放在同一個平臺，減少手工錄入，每個階段信息無縫銜接，數(shù)據(jù)準確無誤。在BIM模型創(chuàng)建以后，系統(tǒng)會根據(jù)模型自動生成一個物料數(shù)據(jù)庫，每個物料都有唯一的編碼標識，選擇生成一份物料需求單，給出每種物料編碼（二維碼）、名稱、型號規(guī)格等相關(guān)技術(shù)要求。通過招投標以后，由相關(guān)人員推送給生產(chǎn)廠家，接下來的每個環(huán)節(jié)可以直接在系統(tǒng)中填報或掃描二維碼填報物料信息，隨時查詢了解各項數(shù)據(jù)是否準確，進行物料信息追蹤、比對，避免出現(xiàn)信息不對稱，形成信息孤島，引起物料質(zhì)量不合格，采購與實際需求不一致，到場時間不及時，或發(fā)生物料丟失等情況。

3.6 工程信息管理

鐵路“四電”項目信息管理貫穿項目設(shè)計、施工兩階段，是以對應(yīng)BIM模型為對象，通過對單位工程、分部工程、分項工程，分解到構(gòu)成部件和最小構(gòu)成單元——零件，逐級進行信息記錄，結(jié)構(gòu)化信息存儲。記錄的內(nèi)容涉及材料信息、人員信息、技術(shù)信息、時間信息，是包含設(shè)計圖紙信息、采購信息、預(yù)配信息、施工過程信息的全周期記錄。信息數(shù)據(jù)庫能夠查詢、追溯施工期間各類信息，進行各類數(shù)據(jù)統(tǒng)計，項目竣工后形成數(shù)字化檔案，永久服務(wù)運營管理，是鐵路“四電”項目大數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)。

以某鐵路“四電”項目接觸網(wǎng)專業(yè)為例，工程技術(shù)人員通過BIM綜合管理系統(tǒng)或同步開發(fā)APP，隨時隨地記錄零部件的技術(shù)參數(shù)、施工人員、施工時間、施工條件等，并就這些信息進行前后對比，檢查是否有設(shè)計、施工偏差，并且共享這些數(shù)據(jù)信息，信息數(shù)據(jù)傳遞確保唯一性、及時性、無損性（如圖7）。

圖7某鐵路“四電”項目接觸網(wǎng)信息記錄

3.7 竣工模型交付

在傳統(tǒng)的竣工交付中，施工單位通常會向檔案管理單位移交一套竣工圖紙及紙質(zhì)技術(shù)資料檔案?？⒐べY料在以后應(yīng)用過程會出現(xiàn)很多問題，第一，竣工圖與工程實體的實際信息還有差距，信息不完整、不準確，有些工程表面看起來工作量不大，但在實際中卻非常重要；第二，技術(shù)資料非常龐雜，檢索起來并非易事，時間越久會越難。

應(yīng)用BIM技術(shù)，項目竣工后，移交一套完整的與工程實體相一致的三維可視化數(shù)字檔案，不僅為后續(xù)的維管運營帶來便利，并且可以在未來的改造、擴建過程中為業(yè)主及項目團隊提供有效的歷史信息。一是BIM是動態(tài)的，BIM模型位置信息與工程現(xiàn)場實際完全一致，位置信息一一對應(yīng)；二是BIM模型承載了一整套完整的貫穿設(shè)計施工全過程的信息數(shù)據(jù)，可以輕松檢索到各類信息；三是可以查看一般構(gòu)件，也可以檢查隱蔽工程，實現(xiàn)全面查詢；四是信息數(shù)據(jù)庫存儲龐大的數(shù)據(jù)信息，是未來大數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)。

4 社會效益與經(jīng)濟效益

1）采用數(shù)字化手段，對工程項目進行虛擬化設(shè)計，方便進行技術(shù)比較，避免設(shè)計事故發(fā)生，從而減少工程返工，有效控制成本，提高設(shè)計產(chǎn)品質(zhì)量。

2）運用三維設(shè)計和出圖，將重復(fù)性設(shè)計工作自動化，解放了設(shè)計人員生產(chǎn)力，進而縮短設(shè)計周期，大幅度提高了設(shè)計效率。

3）采用可視化技術(shù)，對項目設(shè)計、施工、運行各階段的總體情況進行展示說明，使項目的設(shè)計優(yōu)越性和企業(yè)的管理先進性得以推廣，提升了設(shè)計影響力。

4）工程項目管理能力反映工程公司的水平，而協(xié)同設(shè)計正是工程項目管理的基礎(chǔ)。數(shù)字化設(shè)計工作的研究和開展，有利于增加企業(yè)核心競爭力。

5 結(jié)束語

鐵路“四電”工程項目管理引入BIM技術(shù)，使項目各參與方協(xié)同工作，實現(xiàn)工程項目的精細化管理，實現(xiàn)全生命周期的信息共享。2018年國家提出了鐵路工程的智能化、信息化的戰(zhàn)略方針，打造中國高鐵名片，把BIM應(yīng)用在電氣化智能管理系統(tǒng)就是一次有意義的技術(shù)經(jīng)濟探索。