基于四層結(jié)構(gòu)軟件體系的高鐵特大橋BIM+施工信息管理系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

劉坤，沙尚典

（1.中鐵四局集團(tuán)有限公司，安徽合肥 230041；2.四川華興捷運(yùn)鐵路工程有限公司，四川成都 610037）

0 引言

隨著對(duì)高鐵施工現(xiàn)代化水平要求的提高，實(shí)現(xiàn)具有信息化建造流程的“智慧工地”（Smart Works）已成為當(dāng)前高鐵工程領(lǐng)域一個(gè)熱點(diǎn)問(wèn)題［1］。建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）技術(shù)的迅猛發(fā)展，為解決這一問(wèn)題提供了有力的技術(shù)支持。

作為建造行業(yè)信息化的主要手段之一，早在2007年，澳大利亞新南威爾士大學(xué)的Plume等［2］就論述了BIM在多學(xué)科、多協(xié)同制造上的巨大作用；2014年，伯明翰大學(xué)的David等［3］建立了一種基于BIM技術(shù)的地下建筑信息模型，以獲得施工線路周圍的地下詳盡信息，為前期施工和后期施工提供了極大便利；2016年意大利布雷西亞大學(xué)的Ciribini等［4］采用基于4DBIM的可互操作流程極大地優(yōu)化了住宅建筑的設(shè)計(jì)和施工；2019年特溫特大學(xué)的Sloot等［5］詳細(xì)論述了4DBIM工具在建筑制造風(fēng)險(xiǎn)管理中的作用。

我國(guó)的BIM技術(shù)應(yīng)用起步稍晚于發(fā)達(dá)國(guó)家，但近年來(lái)也取得了不俗的成果。在基于BIM技術(shù)的自動(dòng)化施工方法研究方面，蔡磊磊［6］研究BIM放樣機(jī)器人技術(shù)在地鐵施工測(cè)量中的應(yīng)用；方睿等［7］研究基于BIM平臺(tái)的測(cè)量機(jī)器人在施工放樣中的應(yīng)用；王勝軍［8］建立基于Navisworks Manage平臺(tái)的4DBIM施工信息模型；趙敬忠［9］研究基于Dematel分析模型和BIM技術(shù)的工程項(xiàng)目施工成本精細(xì)化管理；楊補(bǔ)平等［10-11］研究基于4DBIM的建筑施工優(yōu)化及動(dòng)態(tài)管理技術(shù)；任盤小等［12］研究基于BIM技術(shù)與3D掃描技術(shù)結(jié)合，在風(fēng)電、水電安裝工程中的深度運(yùn)用?？傮w而言，BIM技術(shù)在我國(guó)的應(yīng)用大多還處于具體的模型應(yīng)用階段，很少有從“智慧工地”的全局出發(fā)，融合BIM模型中的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)與工程專業(yè)其他數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上實(shí)時(shí)反饋至施工過(guò)程之中，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)施工自動(dòng)化的案例。

因此，在分析“智慧工地”實(shí)際需求基礎(chǔ)上［12-15］，以高鐵特大橋自動(dòng)化放樣施工為例，針對(duì)傳統(tǒng)BIM技術(shù)專業(yè)性強(qiáng)而數(shù)據(jù)互通性、適配性較差等問(wèn)題，運(yùn)用四層結(jié)構(gòu)軟件體系模型，將BIM技術(shù)與施工自動(dòng)化技術(shù)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，重點(diǎn)研究在“高內(nèi)聚、低耦合”原則下，BIM數(shù)據(jù)和施工數(shù)據(jù)耦合于統(tǒng)一坐標(biāo)體系的機(jī)制。在此基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)了一套高鐵特大橋自動(dòng)化施工放樣系統(tǒng)，規(guī)范放樣流程，實(shí)現(xiàn)了高鐵特大橋異形結(jié)構(gòu)三維特征點(diǎn)的快速獲取及自動(dòng)放樣，提高了施工流程的速度并保證了施工數(shù)據(jù)的精確性，為實(shí)現(xiàn)“智慧工地”探索一條新的途徑。

1 面向“智慧工地”的BIM+施工信息四層耦合機(jī)制

1.1 傳統(tǒng)BIM技術(shù)的局限

BIM技術(shù)起源于美國(guó)Georgia Institute of Technology的Chuck Eastman博士提出的一個(gè)重要概念：建筑信息模型包含了不同專業(yè)的屬性信息、功能要求以及相關(guān)性能，因此，可以將工程項(xiàng)目所涉及的設(shè)計(jì)過(guò)程、施工過(guò)程、運(yùn)營(yíng)管理過(guò)程等所有信息整合到一個(gè)完整的建筑模型之中［16］。該技術(shù)不是簡(jiǎn)單的建造行業(yè)信息集成，而是一種全方位的建造行業(yè)信息綜合管理，具有信息完備性、關(guān)聯(lián)性、一致性、協(xié)調(diào)性、模擬性、優(yōu)化性、可視化以及可出圖性等8大特征。在過(guò)去10余年，BIM技術(shù)給建造行業(yè)帶來(lái)了“革命性”的變化，為建筑和制造行業(yè)作出了卓越的貢獻(xiàn)。

但傳統(tǒng)BIM技術(shù)本身仍然有著無(wú)法克服的缺陷與局限性，主要體現(xiàn)在：

（1）傳統(tǒng)BIM軟件專業(yè)性強(qiáng)而數(shù)據(jù)互通性、適配性較差，導(dǎo)致與其他異構(gòu)數(shù)據(jù)互聯(lián)互通困難，進(jìn)而聯(lián)合其他行業(yè)、其他學(xué)科發(fā)揮作用的能力有限；

（2）傳統(tǒng)BIM技術(shù)在實(shí)現(xiàn)展示諸如施工建造這樣的動(dòng)態(tài)過(guò)程上有著其固有的局限性，精心構(gòu)建的BIM模型在具體的施工過(guò)程中往往“好看不好用”，只能作為參考信息，還需要大量的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)繪與計(jì)算作業(yè)予以配合，使得精密的BIM數(shù)據(jù)沒(méi)有實(shí)時(shí)反饋到施工過(guò)程中，未能真正實(shí)現(xiàn)BIM的“所見(jiàn)即所得”。

隨著“智慧工地”的日益發(fā)展，對(duì)BIM技術(shù)的應(yīng)用提出了更高的要求，而軟件工程中的四層結(jié)構(gòu)為這一目標(biāo)提供了有效的技術(shù)支持。

1.2 四層結(jié)構(gòu)軟件體系模型

傳統(tǒng)的軟件開(kāi)發(fā)將軟件系統(tǒng)分為3層，即數(shù)據(jù)庫(kù)管理層、應(yīng)用服務(wù)層和用戶界面層。這樣最大的缺點(diǎn)在于當(dāng)面向具體的行業(yè)服務(wù)時(shí)，容易將數(shù)據(jù)管理、業(yè)務(wù)邏輯處理甚至界面交互功能混淆，或者把業(yè)務(wù)邏輯處理等同于簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)管理，使得業(yè)務(wù)邏輯處理與界面交互功能混淆，將表達(dá)層的任務(wù)復(fù)雜化，增加了層與層之間的耦合程度。而“高內(nèi)聚、低耦合”［14］則是應(yīng)用軟件系統(tǒng)開(kāi)發(fā)必須遵循的軟件工程原則。

針對(duì)這一問(wèn)題，業(yè)界提出了新型的四層結(jié)構(gòu)軟件體系模型［17］（見(jiàn)圖1）。同傳統(tǒng)的三層結(jié)構(gòu)軟件體系相比，四層結(jié)構(gòu)將原來(lái)的應(yīng)用服務(wù)層分解為以下2個(gè)部分：

（1）業(yè)務(wù)規(guī)則層：負(fù)責(zé)驗(yàn)證從其他功能層傳輸而來(lái)的專業(yè)信息，然后從數(shù)據(jù)庫(kù)中提取相關(guān)數(shù)據(jù)并返回；

（2）業(yè)務(wù)處理層：負(fù)責(zé)將相關(guān)系統(tǒng)功能的提供者和使用者分離。

四層結(jié)構(gòu)軟件體系模型極大地改善了傳統(tǒng)三層結(jié)構(gòu)的各層次間容易混淆的情況，使軟件系統(tǒng)中各層次的功能更加明確，強(qiáng)調(diào)建立數(shù)據(jù)耦合機(jī)制，并且獨(dú)立了數(shù)據(jù)一體化工作，在整個(gè)軟件工程中起到了承上啟下的關(guān)鍵作用。

1.3 BIM+施工信息四層耦合

通常實(shí)現(xiàn)BIM與施工信息集成的方法主要有3種［18］：

圖1 四層結(jié)構(gòu)軟件體系模型

（1）將BIM數(shù)據(jù)引入具有管理特性的施工系統(tǒng)中，這種模式只是BIM與MIS之間的參數(shù)傳遞操作，不具備真正意義上的BIM+功能；

（2）在BIM模型中直接集成施工信息，這種模式將施工信息作為一種屬性數(shù)據(jù)賦予BIM，僅是靜態(tài)調(diào)用，數(shù)據(jù)沒(méi)有真正地融合；

（3）基于BIM與施工信息四層耦合機(jī)制的統(tǒng)一集成平臺(tái)，可采用此方法為基本模式。

實(shí)現(xiàn)BIM與施工信息四層耦合的根本目的是實(shí)現(xiàn)二者優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)：在統(tǒng)一坐標(biāo)體系下，BIM模型向施工信息提供精準(zhǔn)的空間位置數(shù)據(jù)，并通過(guò)可視化手段將數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)地表現(xiàn)出來(lái)；施工信息向BIM模型反饋實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的施工數(shù)據(jù)；有機(jī)地結(jié)合工程施工所涉及的空間信息、靜態(tài)屬性和動(dòng)態(tài)屬性，增強(qiáng)了對(duì)施工信息的實(shí)時(shí)反饋能力。由于BIM模型可以提供施工對(duì)象的空間信息，因此極大地提高了施工自動(dòng)化的準(zhǔn)確性及可靠性。將兩者數(shù)據(jù)耦合需遵循以下原則：

（1）采用四層結(jié)構(gòu)軟件體系實(shí)現(xiàn)BIM數(shù)據(jù)與施工數(shù)據(jù)的低耦合于統(tǒng)一坐標(biāo)體系下；

（2）嚴(yán)格的功能劃分機(jī)制實(shí)現(xiàn)BIM建模與自動(dòng)化施工數(shù)據(jù)功能模塊的高內(nèi)聚。

面向“智慧工地”的BIM+施工信息四層耦合方案結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。

圖2 BIM+施工信息四層耦合方案結(jié)構(gòu)

2 應(yīng)用實(shí)例研究

運(yùn)用四層結(jié)構(gòu)軟件體系設(shè)計(jì)了一套高鐵特大橋自動(dòng)化施工系統(tǒng)，在工程實(shí)踐中取得了較好的效果。下面以系統(tǒng)中高鐵特大橋樁基自動(dòng)化放樣施工模塊的開(kāi)發(fā)為例說(shuō)明BIM+施工信息四層耦合機(jī)制的應(yīng)用。

2.1 高鐵特大橋施工中的橋梁基柱放樣

樁基施工是高鐵特大橋工程中最重要的環(huán)節(jié)之一，樁基施工質(zhì)量可決定整個(gè)高鐵項(xiàng)目的成?。?9-20］。樁基施工是一種地下隱蔽施工，需要嚴(yán)謹(jǐn)縝密的前期準(zhǔn)備工作以及完備的施工組織方案，施工中包括測(cè)量放樣、護(hù)筒埋設(shè)、鋼筋籠放置、樁基灌注等等重要工序。其中，測(cè)量放樣的目的是為了對(duì)施工對(duì)象在三維空間中的具體位置做準(zhǔn)確定位，包括在地面上測(cè)設(shè)出點(diǎn)的平面坐標(biāo)和高程。這一工序需要極其精確的數(shù)據(jù)，但少有軟件能提供相關(guān)技術(shù)支持。

總體而言，高鐵特大橋樁基施工信息可分為靜態(tài)的樁基空間數(shù)據(jù)、樁基屬性數(shù)據(jù)以及動(dòng)態(tài)的施工管理數(shù)據(jù)：

（1）空間數(shù)據(jù)是指在統(tǒng)一坐標(biāo)系下，描述樁基實(shí)體的位置、形態(tài)、分布和空間關(guān)系等的空間信息；

（2）屬性數(shù)據(jù)主要用于描述樁基實(shí)體的類別、體量以及零部件等信息，如里程數(shù)、編號(hào)、部位等；

（3）施工管理數(shù)據(jù)主要用于描述施工過(guò)程中用于管理和查詢的信息，如設(shè)備的操控、信號(hào)的傳輸反饋等。

在系統(tǒng)放樣施工模塊中，BIM主要提供精確的靜態(tài)數(shù)據(jù)，負(fù)責(zé)高鐵模型的構(gòu)建、更新并提供施工成果的校核算法；而施工管理部分則作為動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的組織者，負(fù)責(zé)相關(guān)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，如信號(hào)反饋的獲取和存儲(chǔ)。

2.2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)以樁基實(shí)體為核心對(duì)象，與施工設(shè)備及屬性關(guān)聯(lián)，建立一對(duì)多關(guān)系，系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)擴(kuò)展實(shí)體-關(guān)系（EE-R）圖見(jiàn)圖3。

圖3 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)EE-R圖

系統(tǒng)開(kāi)發(fā)使用VS2012平臺(tái)；BIM建模采用Revit軟件；空間數(shù)據(jù)管理組件采用AE10.2；放樣設(shè)備采用徠卡MS60。系統(tǒng)工作流程見(jiàn)圖4，系統(tǒng)主界面見(jiàn)圖5。

圖4 系統(tǒng)工作流程

圖5 系統(tǒng)主界面

2.3 系統(tǒng)功能

2.3.1 BIM數(shù)據(jù)入庫(kù)功能

系統(tǒng)通過(guò)AutoCAD交換格式DXF數(shù)據(jù)導(dǎo)入平臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)；同時(shí)，將模型設(shè)計(jì)坐標(biāo)導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫(kù)，并對(duì)原模型進(jìn)行坐標(biāo)系統(tǒng)一轉(zhuǎn)換并校核，若轉(zhuǎn)換后坐標(biāo)比對(duì)結(jié)果差值不符合要求則進(jìn)行重新建模。坐標(biāo)統(tǒng)一后提取二維坐標(biāo)以生成二維模型。在此基礎(chǔ)上，將二維模型與屬性信息，如項(xiàng)目參數(shù)、控制點(diǎn)、線路信息等逐一關(guān)聯(lián)。BIM數(shù)據(jù)入庫(kù)并統(tǒng)一坐標(biāo)系的效果見(jiàn)圖6。

圖6 BIM數(shù)據(jù)入庫(kù)并統(tǒng)一坐標(biāo)效果圖

2.3.2 數(shù)據(jù)四層耦合功能

系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)遵循四層結(jié)構(gòu)軟件體系原則，在此基礎(chǔ)上，封裝ADO形成新的四層結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)增強(qiáng)對(duì)象用以實(shí)現(xiàn)BIM與施工系統(tǒng)數(shù)據(jù)耦合功能。該功能具有以下特征：

（1）向下支持ADO對(duì)象，向上提供前臺(tái)的實(shí)用性接口來(lái)簡(jiǎn)化前臺(tái)調(diào)用，增強(qiáng)功能接口、控制方式和狀態(tài)跟蹤，并可根據(jù)功能要求和當(dāng)前狀態(tài)調(diào)整ADO對(duì)象的調(diào)用，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)高內(nèi)聚目標(biāo)［21］；

（2）BIM與施工信息耦合于統(tǒng)一坐標(biāo)體系下，避免兩者間數(shù)據(jù)的重復(fù)調(diào)用，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)低耦合的目標(biāo)。

開(kāi)發(fā)的四層結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)增強(qiáng)對(duì)象采用事件調(diào)用機(jī)制來(lái)引發(fā)事件，即直接從系統(tǒng)底層出發(fā)，跳過(guò)中間各層而得到最上層的應(yīng)用。簡(jiǎn)單地講，就是面向最上層對(duì)象，添加一個(gè)內(nèi)部方法，當(dāng)事件觸發(fā)時(shí)，由下一層對(duì)象直接調(diào)用該層所緊鄰的上層對(duì)象。相對(duì)應(yīng)的，當(dāng)上一層對(duì)象需要引發(fā)相應(yīng)事件時(shí)，可以直接調(diào)用最上層的相應(yīng)過(guò)程。

2.3.3 自動(dòng)放樣功能

將BIM模型數(shù)據(jù)與施工數(shù)據(jù)耦合并指導(dǎo)自動(dòng)化放樣施工是本軟件關(guān)鍵模塊。在模塊中開(kāi)發(fā)設(shè)備參數(shù)設(shè)置、自動(dòng)設(shè)站、測(cè)量放樣及放樣結(jié)果測(cè)量檢核4個(gè)功能（見(jiàn)圖7）。施工人員可根據(jù)實(shí)際情況和需求進(jìn)行自動(dòng)化放樣。

圖7 系統(tǒng)自動(dòng)放樣功能模塊

2.3.4 自動(dòng)校核及報(bào)表生成功能

為確保施工精確性，系統(tǒng)提供了坐標(biāo)檢核及報(bào)表生成功能，前者可在實(shí)體施工完成后讀取全站儀中任意測(cè)量點(diǎn)的數(shù)據(jù)并與三維模型實(shí)現(xiàn)可視化校核，后者可根據(jù)校核結(jié)果成嚴(yán)密的數(shù)據(jù)表格，供設(shè)計(jì)施工人員通過(guò)數(shù)據(jù)和三維模型直觀地參考和評(píng)估施工質(zhì)量和進(jìn)度，確保了自動(dòng)化施工中最重要的精確性。實(shí)踐證明，系統(tǒng)自動(dòng)化施工成果誤差精度均控制在毫米級(jí)（見(jiàn)圖8），完全符合高鐵施工規(guī)范要求。

圖8 系統(tǒng)自動(dòng)校核及報(bào)表生成成果圖

3 結(jié)論與展望

從四層結(jié)構(gòu)軟件體系模型在高鐵行業(yè)的應(yīng)用角度出發(fā)，針對(duì)高鐵特大橋施工的技術(shù)特點(diǎn)，探討在“高內(nèi)聚、低耦合”原則下BIM與施工信息耦合于統(tǒng)一坐標(biāo)系的機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了高鐵特大橋異形結(jié)構(gòu)三維特征點(diǎn)的快速獲取及自動(dòng)放樣。實(shí)踐證明，這一機(jī)制切實(shí)可行，并在實(shí)際工作中得到了很好的應(yīng)用。

作為建造領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，今后的工作將主要在以下2個(gè)方面展開(kāi)：

（1）提高BIM與其他軟件之間的數(shù)據(jù)適配性和通用性，促進(jìn)BIM與其他產(chǎn)業(yè)及學(xué)科的緊密結(jié)合與協(xié)作，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)BIM+的思想。

（2）在保證工程的精確性、安全性的前提下，更多地實(shí)現(xiàn)基于BIM+對(duì)施工流程的可視化及管理乃至完全自動(dòng)化的操控，打造真正意義上的“智慧工地”。