基于BIM技術(shù)的智能建造在鐵路行業(yè)的應(yīng)用與發(fā)展

趙有明

（中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司， 北京 100081）

在新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革發(fā)展背景下，信息化與工業(yè)化的融合成為了世界各國積極推動的熱點(diǎn)工作，美國、英國、日本、德國等發(fā)達(dá)國家相繼發(fā)布了相關(guān)戰(zhàn)略規(guī)劃。面對挑戰(zhàn)與機(jī)遇，我國也不甘人后，先后發(fā)布了實(shí)質(zhì)性規(guī)劃和政策，如《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》、《互聯(lián)網(wǎng)+”行動計劃》等。政策與需求驅(qū)動興起一次新的工業(yè)革命浪潮，推動建筑業(yè)邁向由建筑信息模型（BIM）與移動互聯(lián)、物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）、虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）等信息技術(shù)為支撐的智能建造。同時，也為鐵路建造提供了新的思路，著力推動中國鐵路由傳統(tǒng)建設(shè)體系向新時期智能建造模式的探索和轉(zhuǎn)變，中國鐵路初步確定了以BIM為先導(dǎo)的智能建造發(fā)展方向，智能建造將有極大的發(fā)展空間。另一方面，在取得快速發(fā)展的同時，鐵路建造與新技術(shù)深度融合應(yīng)用方面還存在一定差距，急需探索出新的理論方法指導(dǎo)我國鐵路建造發(fā)展，滿足鐵路建造智能化發(fā)展新需求。

鐵路工程建設(shè)作為一項極其復(fù)雜的系統(tǒng)工程，具有建設(shè)周期長、參與單位數(shù)量多，協(xié)同組織困難；專業(yè)、設(shè)備、物資、檔案、質(zhì)量等要求標(biāo)準(zhǔn)高、接口眾多，技術(shù)管理不易；施工環(huán)境十分復(fù)雜、質(zhì)量安全風(fēng)險控制責(zé)任重大；建設(shè)期技術(shù)、投資、進(jìn)度、質(zhì)量、安全、外部協(xié)調(diào)的控制水平與建設(shè)推進(jìn)和安全運(yùn)維密切相關(guān)等特點(diǎn)。因此，鐵路工程建設(shè)領(lǐng)域迫切需要運(yùn)用智能建造的理念，將信息技術(shù)和傳統(tǒng)建設(shè)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)技術(shù)融創(chuàng)，推進(jìn)鐵路建造過程精益、智慧、高效、綠色協(xié)同發(fā)展。

1 鐵路工程智能建造的主要內(nèi)容

1.1 智能建造內(nèi)涵

智能建造以BIM+地理信息系統(tǒng)（GIS） 技術(shù)為核心，綜合應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)、云計算、移動互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等新一代信息技術(shù)，與先進(jìn)的工程建造技術(shù)相融合，通過自動感知、智能診斷、協(xié)同互動、主動學(xué)習(xí)和智能決策等手段，進(jìn)行工程設(shè)計及仿真、工廠化加工、精密測控、自動化安裝、動態(tài)監(jiān)測和信息化管理等工程化應(yīng)用，構(gòu)建勘察、設(shè)計、施工、驗(yàn)收、安質(zhì)、監(jiān)督全壽命可追溯的閉環(huán)體系，圍繞橋梁、隧道、路基、軌道及車站，實(shí)現(xiàn)建設(shè)過程中進(jìn)度、質(zhì)量、安全、投資的精細(xì)化和智能化管理，形成和諧共生的工程建設(shè)產(chǎn)業(yè)生態(tài)環(huán)境，使復(fù)雜的建造過程透明化、可視化，推動鐵路建設(shè)從信息化、數(shù)字化走向智能化發(fā)展[1-2]。鐵路智能建造內(nèi)涵如圖1所示。

1.2 智能建造特征

鐵路工程建設(shè)領(lǐng)域的智能建造具有自動感知、智能診斷、協(xié)同互動、主動學(xué)習(xí)和智能決策5個基本特征，主要包括以下幾個方面：

（1）對鐵路工程建設(shè)中人、機(jī)、料、法、環(huán)等要素進(jìn)行全面透徹的信息感知；

（2）對感知的海量大數(shù)據(jù)信息進(jìn)行存儲、分析，形成對鐵路工程建設(shè)質(zhì)量、安全、效率等指標(biāo)的評判；

圖1 鐵路智能建造內(nèi)涵

（3）提供更優(yōu)質(zhì)、更主動的交互以及廣泛、深度、安全可信的互聯(lián)互通和互操作，實(shí)現(xiàn)全面的信息和資源共享；

（4）積累大量數(shù)據(jù)和知識，不斷自主迭代，以適應(yīng)鐵路工程建設(shè)發(fā)展需求；

（5）基于數(shù)據(jù)驅(qū)動、模型驅(qū)動、知識驅(qū)動等方法，從海量數(shù)據(jù)中提出決策信息，輔助建設(shè)管理和施工決策。

2 鐵路工程智能建造的核心技術(shù)體系

BIM是一個涵蓋項目從設(shè)計到運(yùn)維生命期的管理工具，利用BIM進(jìn)行設(shè)計應(yīng)用、施工應(yīng)用和建設(shè)管理，可以解決項目建設(shè)過程中復(fù)雜的技術(shù)問題[3]，提升鐵路精細(xì)化管理水平、增加資源利用率[4]。鐵路工程智能建造的核心技術(shù)為BIM技術(shù)，在建造生命期中，利用BIM進(jìn)行應(yīng)用管理，基于 BIM 的全生命周期建設(shè)管理理念，綜合運(yùn)用GIS、大數(shù)據(jù)、AR、VR等技術(shù)，圍繞人員、機(jī)械、物料、方法、環(huán)境等關(guān)鍵要素，實(shí)現(xiàn)信息智能采集、管理高效協(xié)同、數(shù)據(jù)科學(xué)分析、過程智慧預(yù)測等為主要內(nèi)容的工程建設(shè)信息化，從而實(shí)現(xiàn)鐵路建造生命期中各方面信息的集成與管控。在工程實(shí)踐中，探索形成了面向全球鐵路的BIM標(biāo)準(zhǔn)體系、基于BIM+GIS技術(shù)的全生命周期管理、泛在智能感知體系、基于移動互聯(lián)的智能物聯(lián)傳輸體系、基于云計算的全路工程建設(shè)智能管理平臺、基于大數(shù)據(jù)的智能分析決策和基于人工智能的機(jī)器人輔助作業(yè)等7大核心技術(shù)體系。

2.1 鐵路BIM標(biāo)準(zhǔn)體系

參照ISO12006、buildingSMART及中國國家BIM標(biāo)準(zhǔn)體系，通過在鐵路領(lǐng)域的大量拓展，形成一系列鐵路BIM相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[5]，包括技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)兩大部分，中國鐵路BIM標(biāo)準(zhǔn)體系如圖2所示。目前，已經(jīng)發(fā)布了3項技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和6項實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)，3項技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)為：《鐵路工程信息模型分類和編碼標(biāo)準(zhǔn)（1.0版）》，《鐵路工程信息模型數(shù)據(jù)存儲標(biāo)準(zhǔn)（1.0版）》，《鐵路四電工程信息模型數(shù)據(jù)存儲標(biāo)準(zhǔn)（1.0版）》。6項實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)為：《鐵路工程信息模型表達(dá)標(biāo)準(zhǔn)（1.0版）》，《鐵路工程信息模型交付精度標(biāo)準(zhǔn)（1.0版）》，《面向鐵路工程信息模型應(yīng)用的地理信息交付標(biāo)準(zhǔn)（1.0版）》，《基于信息模型的鐵路工程施工圖設(shè)計文件編制辦法（1.0版）》，《鐵路工程數(shù)量標(biāo)準(zhǔn)格式編制指南（試用）》，《鐵路工程信息交換模板編制指南（試用）》 。

圖2 中國鐵路BIM標(biāo)準(zhǔn)體系框架

2.2 基于BIM+GIS技術(shù)的全生命周期管理

面向BIM+GIS設(shè)計、施工、運(yùn)維的全生命周期和全專業(yè)的管理應(yīng)用[6]，構(gòu)建總體應(yīng)用架構(gòu)，如圖3所示。提供 “設(shè)計-工廠制造-現(xiàn)場裝配”產(chǎn)業(yè)模式的技術(shù)平臺，在此基礎(chǔ)上形成建設(shè)單位主導(dǎo)、項目參建各方共享、共同受益的技術(shù)體系，在勘察、設(shè)計、施工、運(yùn)營的全生命周期中，實(shí)現(xiàn)信息共享和無損傳遞。

2.3 泛在智能感知體系

應(yīng)用感知技術(shù)，建立鐵路建設(shè)時空自感體系，如圖4所示。實(shí)現(xiàn)對自然、人、工程實(shí)體、設(shè)備物資等工程要素的全面感知。例如：沿線地形、地勢、地貌、地質(zhì)、水文條件等自然環(huán)境，橋梁、隧道、路基、站房等施工現(xiàn)場，拌和站、梁場、板場等大臨工程，壓力機(jī)、試驗(yàn)機(jī)等實(shí)驗(yàn)設(shè)備。通過對各類數(shù)據(jù)實(shí)時感知與采集，構(gòu)建人與人、人與物、人與自然3個層次感知網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)信息的無障礙獲取和傳遞。

圖3 基于BIM+GIS技術(shù)的全生命周期管理

圖4 泛在智能感知體系

2.4 基于移動互聯(lián)的智能物聯(lián)傳輸體系

針對鐵路工程建設(shè)現(xiàn)場多作業(yè)面同時施工而搭建的泛在智能感知體系，構(gòu)建立體移動傳輸體系，如圖5所示。包括：基于近距離無線通信（NFC）、射頻識別（RFID）等技術(shù)的近場通信；基于WiFi、藍(lán)牙等技術(shù)的短距離大容量通信；基于NB-IoT、ZigBee 、LoRa等技術(shù)的低功耗遠(yuǎn)距離通信；基于4G和衛(wèi)星等技術(shù)的遠(yuǎn)距離通信。總體實(shí)現(xiàn)建設(shè)現(xiàn)場、參與各方的無障礙傳輸，形成立體移動傳輸體系。

圖5 基于移動互聯(lián)的智能物聯(lián)傳輸體系

2.5 基于云計算的全路工程建設(shè)智能管理平臺

搭建行業(yè)私有云計算中心，如圖6所示。承載進(jìn)度、質(zhì)量、安全、投資、環(huán)境、驗(yàn)收等多級多維工程建設(shè)應(yīng)用，解決工程建設(shè)過程中快速計算、優(yōu)化處理、云端存儲、信息共享等技術(shù)瓶頸，為建設(shè)單位、參建單位提供數(shù)據(jù)資源、專業(yè)管理和技術(shù)應(yīng)用服務(wù)，實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)、平臺即服務(wù)、應(yīng)用即服務(wù)。

圖6 基于云計算的全路工程建設(shè)智能管理平臺

2.6 基于大數(shù)據(jù)的智能分析決策

如圖7所示，基于GIS、影像、物聯(lián)網(wǎng)感知、BIM、地質(zhì)環(huán)境、視頻多媒體等各類結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化信息，進(jìn)行海量數(shù)據(jù)信息智能檢索與實(shí)時分析，挖掘主題知識，實(shí)現(xiàn)建設(shè)過程優(yōu)化和輔助決策[7]。

圖7 基于大數(shù)據(jù)的智能分析決策

2.7 基于人工智能的機(jī)器人輔助作業(yè)

基于人工智能的機(jī)器人輔助作業(yè)如圖8所示[8]，主要包括2個方面：（1）通過應(yīng)用無人機(jī)搭載傾斜攝影、軌道板智能精調(diào)小車等新型工裝機(jī)械，實(shí)現(xiàn)自動、自助采集實(shí)際施工過程數(shù)據(jù)，與BIM技術(shù)結(jié)合進(jìn)行多算對比，在建造過程中形成全面監(jiān)督和及時反饋；（2）應(yīng)用BIM技術(shù)，對地形、地質(zhì)、場地、實(shí)體模型進(jìn)行統(tǒng)籌，對盾構(gòu)機(jī)、架梁機(jī)、攤鋪機(jī)、挖掘機(jī)等設(shè)備進(jìn)行指導(dǎo)，完成精準(zhǔn)施工、智能評判，從而提高工程效率和質(zhì)量。

圖8 基于人工智能的機(jī)器人輔助作業(yè)

3 鐵路工程智能建造的應(yīng)用實(shí)踐

我國高度重視高速鐵路的發(fā)展，經(jīng)過多年的技術(shù)研究、工程實(shí)踐和安全運(yùn)營，高鐵事業(yè)取得了巨大成就，尤其是形成了以智能京張為代表的一系列創(chuàng)新實(shí)踐，在全路范圍打造出多項標(biāo)桿工程。在摸索與實(shí)踐中形成了智能建造6大應(yīng)用場景，即工程設(shè)計及仿真、工廠化加工、精密測控、自動化安裝、動態(tài)監(jiān)測、信息化管理。

3.1 工程設(shè)計及仿真

工程設(shè)計及仿真優(yōu)化，如圖9所示，包括：方案對比，方案優(yōu)選，虛擬建造等應(yīng)用。通過BIM工具快速生成鐵路工程信息模型，對比構(gòu)筑物造型及環(huán)境，選取最優(yōu)方案；基于BIM對預(yù)制構(gòu)件深度拆分、房建工程綠建節(jié)能、構(gòu)筑物穩(wěn)定性等進(jìn)行分析，完成設(shè)計方案優(yōu)化；通過BIM模擬建造過程，利用精細(xì)化模型指導(dǎo)施工，提前發(fā)現(xiàn)問題，保證施工順利進(jìn)行。

圖9 工程設(shè)計及仿真優(yōu)化

3.2 工廠化加工

工廠化加工包括鋼梁、鋼筋自動化加工等應(yīng)用，通過BIM數(shù)據(jù)與數(shù)控機(jī)床直接對接，實(shí)現(xiàn)將三維BIM轉(zhuǎn)化為數(shù)控機(jī)床的G代碼，供數(shù)控機(jī)床使用，減少人工二次轉(zhuǎn)換的工作量，并提高制造準(zhǔn)確性?；凇癇IM翻樣+數(shù)控加工”模式，實(shí)現(xiàn)鋼筋自動加工。

3.3 精密測控

精密測控包括數(shù)字化施工、軌道板精調(diào)、梁體自動張拉、樁基施工等應(yīng)用。通過構(gòu)建施工現(xiàn)場的北斗衛(wèi)星定位和無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化測量、數(shù)字化機(jī)械施工和施工過程的智能化?；谲壍腊寰{(diào)小車，實(shí)測平面位置及軌面高程，指導(dǎo)軌道調(diào)整；通過自動張拉設(shè)備，實(shí)現(xiàn)張拉過程一鍵全自動控制，精確調(diào)控張拉力，確保張拉同步，提高預(yù)制梁工程質(zhì)量；利用無縫線路施工裝備自動監(jiān)控軌溫、氣溫，自動判斷施工方法和鋼軌拉伸量，實(shí)時監(jiān)控撞軌過程，自動判斷撞軌是否達(dá)到零應(yīng)力狀態(tài)，全程監(jiān)控鋼軌縱向位移值和均勻性；通過北斗定位及傳感器監(jiān)測技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對樁長、樁身垂直度、提鉆速率的實(shí)時監(jiān)測，有效提高樁基施工質(zhì)量。

3.4 自動化安裝

自動化安裝包括三維數(shù)字化預(yù)拼裝、橋梁、軌道板自動化安裝等應(yīng)用。通過高精度測量桿件幾何尺寸，分析桿件制造精度，快速分析拼裝控制參數(shù)，并獲取桿件安裝變形，分析現(xiàn)場架設(shè)誤差并指導(dǎo)施工；利用架梁機(jī)、鋪軌機(jī)等大型智能工裝設(shè)備對橋梁、軌道板等進(jìn)行半自動化安裝。

3.5 動態(tài)監(jiān)測

動態(tài)監(jiān)控包括線路沉降觀測、圍巖量測、連續(xù)梁線形監(jiān)控等應(yīng)用。應(yīng)用智能技術(shù)，實(shí)現(xiàn)線路外業(yè)量測數(shù)據(jù)的實(shí)時采集、測點(diǎn)變形的實(shí)時預(yù)警，方便及時掌控沉降變形情況；在全站儀量測作業(yè)的同時自動分析計算，針對變形速率和累計變形量實(shí)行雙控報警，大幅提高隧道施工風(fēng)險管控能力；對連續(xù)梁線形及偏差進(jìn)行監(jiān)測，輔助進(jìn)行連續(xù)梁結(jié)構(gòu)分析和后續(xù)施工控制，確保合龍線形符合設(shè)計要求。

3.6 信息化管理

鐵路工程建設(shè)信息化形成了“一門戶、三平臺、六體系” 模式[9]?！耙婚T戶”即鐵路工程建設(shè)網(wǎng)站；“三平臺”即工作平臺、服務(wù)平臺及知識平臺；“六體系”分別為綜合管理體系、進(jìn)度管理體系、材料管理體系、質(zhì)量管理體系、安全管理體系和投資控制體系，如圖10所示。

圖10 鐵路工程管理平臺“六體系”

3.6.1 綜合管理體系

應(yīng)用電子沙盤技術(shù)，對全線結(jié)構(gòu)物、征地拆遷、大臨工程等的現(xiàn)狀分布、進(jìn)度、安全、質(zhì)量、檢驗(yàn)及過程記錄進(jìn)行全面、直觀揭示。按照預(yù)設(shè)和可調(diào)節(jié)的指標(biāo)體系進(jìn)行綜合分析，以此對現(xiàn)場進(jìn)行調(diào)度指揮；提供移動工作平臺，方便建設(shè)項目相關(guān)人員隨時隨地使用，釋放精力專注現(xiàn)場。

3.6.2 進(jìn)度管理體系

包括電子日志、施工組織、形象進(jìn)度。通過施工現(xiàn)場安全員、技術(shù)員、質(zhì)量員應(yīng)用電子日志，全面、真實(shí)、實(shí)時反映現(xiàn)場作業(yè)實(shí)際，生成全線各標(biāo)段單位工程二維、三維混合形象進(jìn)度，應(yīng)用施工組織指標(biāo)對關(guān)鍵線路進(jìn)行分析預(yù)判，對存在問題進(jìn)行移動預(yù)警。

3.6.3 材料管理體系

包括拌和站、試驗(yàn)室、物料進(jìn)場驗(yàn)收等。提供試驗(yàn)過程全過程管理，能夠?qū)毫C(jī)、萬能機(jī)等主要試驗(yàn)自動采集，對混凝土配合比、拌和時間進(jìn)行采集分析報警，對原材進(jìn)出場、庫存進(jìn)行可視化、數(shù)字化管控，全面加強(qiáng)源頭控制。

3.6.4 質(zhì)量管理體系

包括梁場、板場系統(tǒng)，自動張拉、樁基施工、路基連續(xù)壓實(shí)、橋梁靜載等。對線下、線上工程和梁、板、枕等廠制品生產(chǎn)制造過程利用信息化手段進(jìn)行自動作業(yè)、采集和主動上傳，實(shí)現(xiàn)施工環(huán)節(jié)質(zhì)量全過程監(jiān)控和可追溯。

3.6.5 安全管理體系

包括隧道圍巖量測、超前地質(zhì)預(yù)報、作業(yè)人員定位、跨線施工管理等。通過加強(qiáng)對施工環(huán)境、作業(yè)過程、作業(yè)行為的監(jiān)管，實(shí)現(xiàn)對重大、突發(fā)風(fēng)險的預(yù)防預(yù)判，強(qiáng)化安全風(fēng)險管控能力。

3.6.6 投資管理體系

依托實(shí)時的實(shí)物工程量，結(jié)合概算指標(biāo)進(jìn)行投資，完成跟蹤及推算，為計劃管理提供依據(jù)；開展離線和在線結(jié)合的驗(yàn)工計價技術(shù)支撐，提高工作效率。

4 鐵路工程智能建造發(fā)展展望

當(dāng)前，基于BIM技術(shù)的鐵路智能建造取得階段性成果，隨著BIM、物聯(lián)網(wǎng)、云計算、機(jī)器人及數(shù)字孿生等技術(shù)的不斷發(fā)展，工程項目環(huán)境愈發(fā)復(fù)雜，需進(jìn)一步統(tǒng)籌考慮鐵路工程全生命周期建造需求，推進(jìn)BIM應(yīng)用向縱深發(fā)展，強(qiáng)化智能機(jī)器人輔助作業(yè)，加強(qiáng)對多元信息分析整合，提高鐵路建造智能決策水平，進(jìn)而構(gòu)建和諧共生的工程建設(shè)產(chǎn)業(yè)生態(tài)環(huán)境。

4.1 BIM應(yīng)用發(fā)展

BIM應(yīng)用發(fā)展愈發(fā)縱深。BIM應(yīng)用將覆蓋整個勘察、設(shè)計、施工、運(yùn)營與維護(hù)全過程，涵蓋站前、站后等涉及設(shè)計、施工、建設(shè)管理、運(yùn)營維修全專業(yè)和全體人員。

BIM應(yīng)用將涵蓋整個勘察、設(shè)計、施工、運(yùn)營和維護(hù)的全過程，涵蓋車站前后的整個專業(yè)人員，涉及設(shè)計、施工管理、運(yùn)營維護(hù)等人員。

4.2 智能機(jī)器人輔助作業(yè)

智能機(jī)器人輔助作業(yè)更為廣泛。在現(xiàn)有智能機(jī)器人應(yīng)用的基礎(chǔ)上，拓寬智能機(jī)器人在鐵路工程各環(huán)節(jié)的應(yīng)用，特別是危險地段、隱蔽地段等可能危及施工人員安全或施工人員難以到達(dá)的位置，進(jìn)一步保障施工安全，提高工程質(zhì)量。

4.3 智能決策

智能決策更加精準(zhǔn)?；诤Ａ繗v史數(shù)據(jù)和深度學(xué)習(xí)，對多元信息進(jìn)行智能綜合檢索、多維分析，獲取更加精確的決策信息，輔助工程建設(shè)施工。

4.4 產(chǎn)業(yè)生態(tài)環(huán)境

產(chǎn)業(yè)生態(tài)環(huán)境趨向人性化、社會化，并且更加和諧。通過建立多方參與的協(xié)同共享、互利共生的開放平臺，創(chuàng)造和諧共生的產(chǎn)業(yè)生態(tài)環(huán)境，推進(jìn)復(fù)雜的建造過程向透明化發(fā)展，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)建造過程的智能化、集成化以及互聯(lián)化。

5 結(jié)束語

在國家信息化與工業(yè)化融合發(fā)展的背景下，本文基于BIM技術(shù)開展積極探索，聚焦鐵路工程智能建造，提煉智能建造5個基本特征，形成7大技術(shù)體系，開展6種典型應(yīng)用，在此基礎(chǔ)上研發(fā)實(shí)踐了“一門戶、三平臺、六體系”的信息化管理平臺，并提出智能建造在鐵路工程建設(shè)的發(fā)展展望，為打造符合新技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化建造產(chǎn)品，助力鐵路可持續(xù)發(fā)展，服務(wù)廣大人民群眾奠定了堅實(shí)的基礎(chǔ)。