BIM技術(shù)在智能高鐵預(yù)制梁場管理的應(yīng)用研究

王輝麟，郝蕊，王可飛，王榮波

（中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司 電子計算技術(shù)研究所，北京 100081）

0 引言

在高速鐵路建設(shè)中，較多地采用以橋代路，橋梁比例高、數(shù)量大。預(yù)制梁場作為橋梁標(biāo)準(zhǔn)化建造與施工的重要基地，已廣泛應(yīng)用于各類建設(shè)工程施工中，尤其在大型橋梁工程和高速鐵路建設(shè)中。在預(yù)制梁場的生產(chǎn)管理過程中，可以通過信息化手段減少大量工序環(huán)節(jié)間的信息交換成本，提高施工效率。

建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）技術(shù)以三維數(shù)字技術(shù)為基礎(chǔ)，將信息模型與各專業(yè)融合，集成各專業(yè)相關(guān)信息的工程數(shù)據(jù)，能夠?qū)崿F(xiàn)對工程專業(yè)的功能進(jìn)行數(shù)字化表達(dá)。近年來，BIM技術(shù)在鐵路建造中受到廣泛重視并開始試點應(yīng)用，在鐵路建造工程項目中，BIM技術(shù)應(yīng)用已經(jīng)從最初重點集中于規(guī)劃設(shè)計階段的方案展示、參數(shù)化建模、碰撞檢查和三維模型制作等，逐步發(fā)展應(yīng)用到施工進(jìn)度、質(zhì)量管理和成本管理等，并逐步展示出在工程全生命周期實現(xiàn)信息傳遞、共享和使用帶來的巨大效益。

引入BIM技術(shù)的高鐵預(yù)制梁場生產(chǎn)管理模式是數(shù)字化方式，通過創(chuàng)建信息、管理信息和共享信息，可以實現(xiàn)梁場從設(shè)計、生產(chǎn)源頭、過程控制等的智能化管理[1]。

1 總體框架

高鐵預(yù)制梁場管理是鐵路工程建設(shè)管理的重要組成部分，基于平臺運用信息化、BIM等技術(shù)手段，建立高鐵梁場全過程控制和管理的綜合管理平臺，有效關(guān)聯(lián)集成拌和站、實驗室、自動張拉、自動壓漿、自動靜載相關(guān)數(shù)據(jù)，為梁場生產(chǎn)管理輔助決策智能化提供支撐。

高鐵預(yù)制梁場的智能化是基于以BIM技術(shù)為核心的各類智能化信息技術(shù)的，其實現(xiàn)需要集合構(gòu)架、系統(tǒng)、應(yīng)用、管理和優(yōu)化為一體，發(fā)揮感知、分析和決策的綜合智慧能力，形成人、梁場和環(huán)境相互協(xié)調(diào)的綜合體[2]。智能高鐵預(yù)制梁場為鐵路橋梁建設(shè)提供服務(wù)，將相關(guān)業(yè)務(wù)過程、數(shù)據(jù)和成果進(jìn)行全方位的管理，在信息安全規(guī)范體系和數(shù)據(jù)編碼體系的支撐與保障下，形成感知層、網(wǎng)絡(luò)及基礎(chǔ)設(shè)施層、數(shù)據(jù)層和應(yīng)用層的多層級框架（見圖1）：

（1）感知層。利用電子標(biāo)簽、RFID射頻設(shè)備、GPS定位設(shè)備、手持讀入設(shè)備和視頻監(jiān)控等終端設(shè)備，通過“人工+自動”的方式，實現(xiàn)動態(tài)智能化識別、感知、定位、跟蹤、采集、監(jiān)控和管理梁場生產(chǎn)全過程，為梁場管理提供實時、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)來源。

（2）網(wǎng)絡(luò)及基礎(chǔ)設(shè)施層。采用無線傳輸技術(shù)、移動通信技術(shù)、虛擬專用網(wǎng)技術(shù)和移動互聯(lián)技術(shù)等數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，為梁場的智能管理提供數(shù)據(jù)傳輸通道，通過移動終端、固定終端等設(shè)備隨地隨時獲取相關(guān)數(shù)據(jù)、聲音、視頻和報警消息，同時保證實現(xiàn)應(yīng)急突發(fā)信息的上下行數(shù)據(jù)傳輸。

（3）數(shù)據(jù)層?；阼F路工程管理平臺的數(shù)據(jù)、BIM模型庫的模型數(shù)據(jù)，通過計算機軟硬件技術(shù)的數(shù)據(jù)收集、存儲和分析，實現(xiàn)對梁場生產(chǎn)全過程的3D—4D—5D的BIM數(shù)據(jù)的建構(gòu)、組織、定位、分類、編碼、檢索、更新及維護等。

（4）應(yīng)用層。圍繞梁場的設(shè)計、原材料進(jìn)場驗收和運架生產(chǎn)（鋼筋綁扎—組裝模板—混凝土澆筑—拆?！B(yǎng)護—張拉—壓漿封錨等）全過程，對原材料和構(gòu)配件管理、試驗管理、生產(chǎn)管理、安全質(zhì)量管理以及運架管理等提供信息化、智能化應(yīng)用支撐。

圖1 智能高鐵預(yù)制梁場管理平臺總體框架

智能高鐵預(yù)制梁場管理平臺的總體框架是在信息安全規(guī)范和統(tǒng)一的數(shù)據(jù)編碼體系的保障下實現(xiàn)的，梁場的標(biāo)準(zhǔn)體系構(gòu)建一方面統(tǒng)籌考慮梁場各個生產(chǎn)要素（人、物、事）信息及其交互關(guān)系的集合，另一方面考慮BIM作為一種數(shù)字信息應(yīng)用載體，其標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范為保障各個環(huán)節(jié)間信息的高效流轉(zhuǎn)和利用提供了標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)。

在梁場生產(chǎn)過程的信息流轉(zhuǎn)和共享的過程中，通過信息安全規(guī)范體系建立的信息安全管理制度等，可以更好地促進(jìn)目標(biāo)要素實現(xiàn)，以保障建造信息的安全和共享。

2 設(shè)計思路

2.1 技術(shù)架構(gòu)

從技術(shù)實現(xiàn)角度出發(fā)，構(gòu)建智能高鐵預(yù)制梁場管理平臺的技術(shù)架構(gòu)（見圖2），通過ORM的框架封裝數(shù)據(jù)接口層，將數(shù)據(jù)庫和上層業(yè)務(wù)解耦，為后期業(yè)務(wù)的修改和完善預(yù)留接口；將成熟的服務(wù)組件統(tǒng)一進(jìn)行封裝，系統(tǒng)可以重復(fù)利用；利用MVC控制層可以面向不同的訪問終端，為其提供數(shù)據(jù)適配；PC端和移動設(shè)備提供基于H5的方案，PC端和移動端公用的頁面可以直接進(jìn)行使用。

2.2 功能應(yīng)用架構(gòu)

智能高鐵預(yù)制梁場管理平臺立足生產(chǎn)進(jìn)度、質(zhì)量、安全的實際，旨在優(yōu)化資源配置、規(guī)范管理流程、提高工作效率以及節(jié)約運營成本，以實現(xiàn)預(yù)制梁全生命周期建設(shè)管理，為梁場生產(chǎn)管理智能化輔助決策提供有力支撐[3]。智能高鐵預(yù)制梁場管理平臺的主要應(yīng)用包括梁場的生產(chǎn)質(zhì)量管控、安全風(fēng)險防控、進(jìn)度管理和BIM梁場管理，其功能應(yīng)用架構(gòu)見圖3。

圖2 智能高鐵預(yù)制梁場管理平臺技術(shù)架構(gòu)

2.2.1 生產(chǎn)質(zhì)量管控

箱梁生產(chǎn)按照過程分為不同的工序，需對原材料管理、過程控制、質(zhì)量檢驗以及成品梁驗收的全過程全要素進(jìn)行管理。不同部門負(fù)責(zé)其對應(yīng)職責(zé)分配到的質(zhì)量管理數(shù)據(jù)，在管理平臺上實時錄入，通過結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)形式，可將所有數(shù)據(jù)附加到相應(yīng)的三維模型上，實現(xiàn)一次輸入、重復(fù)調(diào)用，避免數(shù)據(jù)的重復(fù)輸入，提高了工作效率。

2.2.2 安全風(fēng)險防控

安全風(fēng)險防控應(yīng)用主要從安全檢查和環(huán)境監(jiān)測角度開展。在日常安全檢查過程中，安全員需要每天對梁場辦公生活區(qū)、制梁區(qū)、拌和站、提梁站等區(qū)域進(jìn)行巡檢，巡檢過程中可隨時拍攝檢查視頻及圖片等資料上傳至平臺，若下午5點尚有未巡檢區(qū)域，平臺會向安全員發(fā)送溫馨提示，提示未巡檢區(qū)域，若在24點依然有未巡檢區(qū)域，則向安質(zhì)部管理人發(fā)起報警。若在巡檢中發(fā)現(xiàn)問題，根據(jù)問題性質(zhì)可選擇是否將該問題納入問題庫進(jìn)行整改閉合，并對整改前后進(jìn)行對比。

安全風(fēng)險防控應(yīng)用應(yīng)與現(xiàn)場揚塵在線監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)合，實時傳遞數(shù)據(jù)至平臺以便實施管理措施。例如：當(dāng)風(fēng)力大于6級以上時進(jìn)行預(yù)警，現(xiàn)場不允許露天起重吊裝作業(yè)、不允許高處作業(yè)；PM2.5大于75 μg/m3時進(jìn)行預(yù)警，提示現(xiàn)場人員做好防護措施，如配備口罩等；白天噪音大于70 dB、晚上噪音大于55 dB時進(jìn)行預(yù)警，提示現(xiàn)場人員配備耳塞，實行人性化管理施工作業(yè)。

圖3 智能高鐵預(yù)制梁場管理平臺功能應(yīng)用架構(gòu)

2.2.3 進(jìn)度管理

依據(jù)梁場進(jìn)度管理的需求，可選擇任意時間段內(nèi)的計劃進(jìn)度與實際進(jìn)度進(jìn)行統(tǒng)計分析，比如總進(jìn)度、年進(jìn)度、月進(jìn)度或者任一選定時間段的進(jìn)度。若出現(xiàn)梁場于某個時間段內(nèi)生產(chǎn)進(jìn)度與計劃偏差較大的情況，即可通過分析該時間段內(nèi)生產(chǎn)每片梁的進(jìn)度曲線，找出影響梁場施工生產(chǎn)的工序及原因。梁場生產(chǎn)現(xiàn)場施工進(jìn)度管理是動態(tài)管理的過程，生產(chǎn)計劃會受外界因素影響和工期調(diào)整作出相應(yīng)調(diào)整，應(yīng)用智能高鐵預(yù)制梁場管理平臺只需在系統(tǒng)中對計劃進(jìn)行調(diào)整，相應(yīng)的資源配置等即可隨之自動生成，可提高進(jìn)度管理的精度及效率。

2.2.4 BIM梁場管理

BIM技術(shù)在梁場的進(jìn)度管理過程中，起到十分重要的作用，BIM技術(shù)的引入，可以將梁場生產(chǎn)進(jìn)度可視、具化。以梁體三維模型可視化效果展示某榀梁的生產(chǎn)過程資料和材料信息，如張拉、壓漿，選擇孔道可查看該孔道對應(yīng)的張拉、壓漿過程等數(shù)據(jù)，還可實現(xiàn)箱梁的碰撞檢查和工程數(shù)量計算等。

3 應(yīng)用實踐

根據(jù)總體框架和設(shè)計思路，智能高鐵預(yù)制梁場管理平臺整合了管理學(xué)理念和信息化手段，將標(biāo)準(zhǔn)梁預(yù)制梁場、40 m箱梁將先進(jìn)的管理思想固化為信息化管理手段，應(yīng)用BIM、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、數(shù)據(jù)加密等技術(shù)，涵蓋梁場所有作業(yè)環(huán)節(jié)、每個工作崗位、全部設(shè)備設(shè)施的生產(chǎn)全過程數(shù)據(jù)采集、錄入、存儲和加工分析，以滿足鐵路預(yù)制梁場生產(chǎn)管理和質(zhì)量控制專業(yè)化、機械化、工廠化和標(biāo)準(zhǔn)化要求。2018年5月，智能高鐵預(yù)制梁場管理平臺在某梁場的40 m正式上線試用。拌和站、試驗室、自動張拉、自動壓漿、自動靜載、自動噴淋等相關(guān)數(shù)據(jù)通過平臺進(jìn)行集成，物資、試驗、鋼筋加工、混凝土生產(chǎn)、預(yù)應(yīng)力加載、壓漿、養(yǎng)護、外觀檢測、靜載試驗、運架流程環(huán)環(huán)相扣，實現(xiàn)消除“信息碎片”和“信息孤島”的效果，原始資料一次錄入，便可多處復(fù)用，內(nèi)業(yè)資料隨即自動生成，避免了施工單位的重復(fù)錄入工作，能夠為梁場生產(chǎn)管理輔助智能化決策提供支撐。智能高鐵預(yù)制梁場管理平臺應(yīng)用實例見圖4。

圖4 智能高鐵預(yù)制梁場管理平臺應(yīng)用實例

4 展望

目前，智能高鐵預(yù)制梁場管理平臺以BIM技術(shù)為核心，將生產(chǎn)信息、進(jìn)度信息等與BIM模型掛接，建立包含設(shè)計階段、生產(chǎn)階段、運架階段和運維階段的全過程控制和管理，將建設(shè)單位、設(shè)計單位、施工單位、監(jiān)理單位和運營管理單位全部納入到系統(tǒng)中來并實現(xiàn)梁場生產(chǎn)的三維可視化管理[4]。隨著智能化技術(shù)的不斷發(fā)展，未來智能梁場發(fā)展需關(guān)注以下方面：

（1）信息驅(qū)動下的“感知—分析—決策—執(zhí)行與反饋”的大閉環(huán)建設(shè)與應(yīng)用。智能梁場是基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的閉環(huán)信息管理，將人與人、人與物、物與物間進(jìn)行有機聯(lián)系，協(xié)助梁場生產(chǎn)管理，對“事前、事中、事后”的各個階段進(jìn)行精細(xì)掌控，應(yīng)做好生產(chǎn)管理過程中的 “事前控制”，過程問題處理的“事中控制”，以及 “事后評價”[5-7]。在安全基礎(chǔ)上穩(wěn)步優(yōu)質(zhì)地推進(jìn)工程進(jìn)度，實現(xiàn)梁生產(chǎn)全過程的精益管控，提升工程建設(shè)管理水平。

（2）基于移動互聯(lián)、泛在網(wǎng)絡(luò)建立的全互聯(lián)即時應(yīng)用。施工現(xiàn)場采用智能前端（如手持終端、全站儀等信息采集設(shè)備）實現(xiàn)基于泛在網(wǎng)絡(luò)的軟硬件、終端應(yīng)用與人員管理融合。將網(wǎng)絡(luò)空間、信息空間和現(xiàn)場施工環(huán)境整合成為整體，實現(xiàn)“現(xiàn)場和遠(yuǎn)程管理人員”“量測現(xiàn)場測量設(shè)備和手持設(shè)備”以及“遠(yuǎn)程信息平臺”之間智能化信息交換的互聯(lián)，最終實現(xiàn)施工管理信息的實時采集、匯總、預(yù)警、提醒和監(jiān)控，以及現(xiàn)場人員和平臺管理人員的現(xiàn)場與遠(yuǎn)程管控。

（3）虛擬與物理的融合。基于BIM技術(shù)，對梁場的生產(chǎn)周期全過程進(jìn)行仿真模擬，從而指導(dǎo)、改進(jìn)現(xiàn)實世界的施工工藝，規(guī)范張拉過程,確保預(yù)應(yīng)力施工質(zhì)量,保障橋梁結(jié)構(gòu)安全性和耐久性，降低橋梁施工成本。