城市軌道交通工程BIM技術(shù)應(yīng)用

田海波，鄭利龍

(中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江杭州 310014)

1 發(fā)展現(xiàn)狀

城市軌道交通工程涉及專業(yè)多、建設(shè)投資大，周邊環(huán)境復(fù)雜，參與單位眾多，社會(huì)影響大、安全要求高。因此將BIM等信息化技術(shù)運(yùn)用到軌道交通工程的規(guī)劃設(shè)計(jì)、建設(shè)管理、運(yùn)維等過程中，有利于實(shí)現(xiàn)軌道交通工程數(shù)字化、信息化和智慧化。

BIM技術(shù)具有信息豐富、數(shù)據(jù)量大的特點(diǎn)，而軌道交通因其體量大、系統(tǒng)復(fù)雜的特點(diǎn)，對(duì)數(shù)據(jù)輕量化提出了較高要求[1]。軌道交通建設(shè)與周邊環(huán)境關(guān)系密切，BIM對(duì)片區(qū)級(jí)及城市級(jí)應(yīng)用場(chǎng)景展示效率不足，而GIS技術(shù)對(duì)大場(chǎng)景展示體現(xiàn)優(yōu)勢(shì)，但細(xì)節(jié)不足。將BIM與GIS有效結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)精細(xì)的局部和整體場(chǎng)景相融合[2-3]。

國(guó)內(nèi)北京、上海、廣州等地軌道交通工程都已不同程度在設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維過程中進(jìn)行BIM技術(shù)應(yīng)用。北京地鐵在信息化管理中實(shí)現(xiàn)了可視化監(jiān)控、可視化維護(hù)與現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急指揮[4]。上海地鐵選取部分車站開展智慧車站試點(diǎn)工作[5]，建設(shè)軌道工程數(shù)據(jù)中心，構(gòu)建軌道建設(shè)與運(yùn)營(yíng)管理平臺(tái)，應(yīng)用于設(shè)備設(shè)施管理、客運(yùn)組織、移動(dòng)端運(yùn)維檢修等方面，打造智慧地鐵[6]。廣州地鐵基于BIM技術(shù)進(jìn)行工單精細(xì)化管理，實(shí)現(xiàn)對(duì)計(jì)劃、進(jìn)度、材料的精細(xì)化管控；通過設(shè)備模型和附加文件信息，對(duì)設(shè)備安裝、調(diào)試以及驗(yàn)收的全過程信息記錄，為運(yùn)維提供數(shù)據(jù)支持[7]。

國(guó)外軌道交通工程BIM應(yīng)用中，英國(guó)Crossrail地鐵工程應(yīng)用BIM技術(shù)在各個(gè)階段實(shí)現(xiàn)全生命周期的信息管理，在技術(shù)發(fā)展、數(shù)據(jù)引入信息管理系統(tǒng)以及BIM指導(dǎo)施工方面取得了一定的成果[8]。

整體上，城市建設(shè)的高速發(fā)展對(duì)軌道交通建設(shè)和管理都提出了更高要求，利用大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)互聯(lián)等技術(shù)[9]。把軌道交通規(guī)劃設(shè)計(jì)、建設(shè)、運(yùn)營(yíng)等全生命周期內(nèi)不同階段的數(shù)據(jù)進(jìn)行有效集成，為不同階段和目標(biāo)的決策提供技術(shù)支持。

2 軌道交通工程BIM價(jià)值分析

2.1 設(shè)計(jì)應(yīng)用價(jià)值

2.1.1 提高設(shè)計(jì)準(zhǔn)確率

與CAD設(shè)計(jì)文件傳送互提資料不同，三維協(xié)同設(shè)計(jì)最大特點(diǎn)是一個(gè)數(shù)據(jù)源，即時(shí)傳輸數(shù)據(jù)信息，減少設(shè)計(jì)協(xié)調(diào)，減少提資錯(cuò)誤和人為失誤，提高生產(chǎn)效率和準(zhǔn)確率。

2.1.2 減少設(shè)計(jì)投入

三維協(xié)同設(shè)計(jì)采用數(shù)據(jù)共享模式生產(chǎn)，可減少會(huì)簽環(huán)節(jié)；通過標(biāo)準(zhǔn)化模塊，通用元件庫，參數(shù)化設(shè)計(jì)，減少大量低端重復(fù)工作，提高設(shè)計(jì)生產(chǎn)效率，減少設(shè)計(jì)人員投入。

2.1.3 設(shè)計(jì)施工一體化，減少施工失誤

設(shè)計(jì)施工共享模型信息，基于同一個(gè)模型開展施工深化與施工配合，實(shí)現(xiàn)真正意義的設(shè)計(jì)施工一體化。將差錯(cuò)漏碰消滅在設(shè)計(jì)階段，減少變更和返工；通過可視化交底，提高溝通效率，輔助準(zhǔn)確理解設(shè)計(jì)意圖，避免施工錯(cuò)誤。

2.1.4 工程量智能統(tǒng)計(jì)

基于設(shè)計(jì)與施工模型，快速完成模型構(gòu)件工程量、價(jià)等信息的完善、匯總、篩分，輸出完整、精確、滿足國(guó)標(biāo)以及地方計(jì)算規(guī)則的工程量清單報(bào)表與計(jì)算書。

2.2 建設(shè)應(yīng)用價(jià)值

2.2.1 基于施工BIM模型的應(yīng)用

站后工程深化設(shè)計(jì)：主要用于機(jī)電安裝和裝飾裝修工程，通過各專業(yè)三維模型碰撞檢測(cè)，指導(dǎo)管綜設(shè)計(jì)優(yōu)化、關(guān)鍵房間空間布局優(yōu)化。

可視化交底：充分了解和領(lǐng)會(huì)設(shè)計(jì)意圖，減少施工錯(cuò)誤和返工，節(jié)省工期。

其他可視化應(yīng)用：三維場(chǎng)地布置、交通疏解方案、管線遷改、綠化恢復(fù)等，但針對(duì)臨時(shí)工程，價(jià)值有限。

2.2.2 基于信息化平臺(tái)的BIM模型管理和建設(shè)數(shù)據(jù)集成應(yīng)用

建管平臺(tái)以BIM為載體，以工程信息集成共享為目標(biāo)，為建設(shè)方、設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)理等參建單位提供基于BIM技術(shù)的資源共享、高效協(xié)作的專業(yè)解決方案。以工程建設(shè)的管理流程為主線，以BIM模型為信息載體，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)、投資、質(zhì)量、安全、進(jìn)度等管理要素全關(guān)聯(lián)。打通信息孤島，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的集中管理和應(yīng)用，提高溝通效率和管理效率。

3 BIM應(yīng)用存在的問題

3.1 平臺(tái)不統(tǒng)一

軌道交通工程涉及多單位、多專業(yè)的協(xié)同。目前行業(yè)內(nèi)各單位在BIM應(yīng)用的開發(fā)與研究方面目標(biāo)定位、平臺(tái)選型、技術(shù)路線不盡相同，對(duì)BIM技術(shù)的發(fā)展造成阻礙。因此，平臺(tái)的選擇與平臺(tái)的兼容性與可拓展性能是BIM應(yīng)用首先應(yīng)著力解決的問題。

3.2 邊界條件復(fù)雜，實(shí)施難度大

與民用建筑相比，軌道交通系統(tǒng)復(fù)雜，參建單位多，邊界條件影響因素多，接口復(fù)雜。BIM推廣應(yīng)用存在障礙和難度。

3.3 源頭單位參與積極性不高

由于軟件成熟度和生產(chǎn)習(xí)慣的制約，三維軟件形成設(shè)計(jì)生產(chǎn)力尚需時(shí)日，采用三維設(shè)計(jì)未對(duì)設(shè)計(jì)源頭產(chǎn)生增值服務(wù)。目前可用于提高效率，但無法代替現(xiàn)有生產(chǎn)。另外三維模型用于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施的法律效力問題，表達(dá)方式也不能滿足生產(chǎn)需要。

3.4 建設(shè)模式與設(shè)計(jì)周期

軌道交通土建施工圖設(shè)計(jì)通常較設(shè)備招標(biāo)、裝修設(shè)計(jì)提前，這導(dǎo)致三維協(xié)同設(shè)計(jì)在土建施工圖設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)后續(xù)機(jī)電安裝、裝修、導(dǎo)向標(biāo)識(shí)無法提前發(fā)揮作用。為此須要求傳統(tǒng)成熟設(shè)備提前招標(biāo)延緩?fù)懂a(chǎn)，但應(yīng)盡早介入設(shè)計(jì)；提前穩(wěn)定裝修方案，確保土建與裝修設(shè)計(jì)協(xié)調(diào)一致性。

3.5 模型的搭建及應(yīng)用局限

BIM遠(yuǎn)期是替代現(xiàn)有設(shè)計(jì)生產(chǎn)工具，但由于涉及建設(shè)、設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)理、政府等現(xiàn)有生產(chǎn)體系，近期主要是用于改善設(shè)計(jì)和施工手段。軌道交通設(shè)計(jì)流程上要經(jīng)過內(nèi)外審查等環(huán)節(jié)，同時(shí)涉及到眾多專業(yè)，不能做到設(shè)計(jì)生產(chǎn)和流程的應(yīng)用，目前的三維設(shè)計(jì)多數(shù)僅限于二維圖紙三維化，局限于土建和常規(guī)機(jī)電設(shè)計(jì)，特別是復(fù)雜的管線綜合和裝修設(shè)計(jì)，用于表達(dá)復(fù)雜的空間和要素關(guān)系。

三維地質(zhì)、傾斜攝影GIS等應(yīng)用，投入人工多，但現(xiàn)階段實(shí)際價(jià)值有限?；诮ü苄畔⒒牟牧?、進(jìn)度計(jì)劃、質(zhì)量驗(yàn)收等應(yīng)用，離散沒有成體系，且對(duì)現(xiàn)有建設(shè)生產(chǎn)流程產(chǎn)生了影響，兩套系統(tǒng)并行，增加了工作量，未產(chǎn)生顯著價(jià)值。

3.6 行業(yè)仍在摸索階段，技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，全范圍鋪開推廣宜慎重

BIM技術(shù)近年來雖然得到較快發(fā)展，行業(yè)發(fā)展仍在摸索階段，未形成行業(yè)性標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，不具備推廣價(jià)值。但統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)不僅關(guān)系到后續(xù)網(wǎng)絡(luò)層面BIM應(yīng)用的統(tǒng)一性，還關(guān)系到城市范圍內(nèi)的拓展接口。

4 軌道交通工程全生命周期應(yīng)用框架

4.1 總體目標(biāo)

建立軌道交通工程數(shù)據(jù)中心。借助工程數(shù)字化信息化技術(shù)，搭建軌道交通工程協(xié)同管理平臺(tái)，包含三維協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)、建設(shè)管理平臺(tái)、資產(chǎn)及運(yùn)維管理平臺(tái)，開展數(shù)字化及信息化全生命周期技術(shù)應(yīng)用。為建設(shè)增值，為運(yùn)營(yíng)服務(wù)。

以成都軌道交通18號(hào)線為例，基于BIM進(jìn)行全生命周期管理試點(diǎn)應(yīng)用，從設(shè)計(jì)、施工階段切入，搭建適用于成都市軌道交通工程建設(shè)管理的平臺(tái)、開展設(shè)計(jì)施工一體化技術(shù)應(yīng)用，以優(yōu)化設(shè)計(jì)、提高方案合理性、有效把控項(xiàng)目實(shí)施成本、進(jìn)度、質(zhì)量、安全為目標(biāo)，最終實(shí)現(xiàn)實(shí)物資產(chǎn)和全信息數(shù)字化虛擬資產(chǎn)的整體移交，為軌道交通工程的運(yùn)營(yíng)提供完備的工程設(shè)計(jì)、施工、安裝全過程的數(shù)字化基礎(chǔ)，以“技術(shù)進(jìn)步、管理創(chuàng)新”打造國(guó)內(nèi)全生命周期BIM技術(shù)應(yīng)用示范工程。

遠(yuǎn)期實(shí)現(xiàn)軌道交通工程BIM全生命周期應(yīng)用，建立并存儲(chǔ)地鐵沿線地理信息、規(guī)劃信息、地下空間、軌道交通一體化數(shù)字工程、為形成城市級(jí)數(shù)據(jù)管理平臺(tái)提供基礎(chǔ)，對(duì)后續(xù)軌道交通相關(guān)空間資源開發(fā)、經(jīng)營(yíng)管理等城市綜合運(yùn)營(yíng)提供服務(wù)。

4.2 實(shí)施框架

總體實(shí)施框架為：定標(biāo)準(zhǔn)，建平臺(tái)，全過程應(yīng)用，匯集數(shù)據(jù)，形成數(shù)字軌道。實(shí)現(xiàn)數(shù)字建造，智慧管理。如圖1所示。

圖1 軌道交通全生命周期實(shí)施框架

即建立軌道交通BIM實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)體系。在標(biāo)準(zhǔn)體系指導(dǎo)下搭建軌道交通三大協(xié)同平臺(tái)：協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)、建設(shè)管理平臺(tái)、運(yùn)維管理平臺(tái)。在協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)上開展設(shè)計(jì)施工一體化應(yīng)用，通過建設(shè)管理平臺(tái)對(duì)施工進(jìn)度、質(zhì)量、安全和成本等全要素進(jìn)行管控，經(jīng)過建設(shè)期的數(shù)據(jù)累積，數(shù)字化移交給運(yùn)維平臺(tái)后，開展資產(chǎn)管理、應(yīng)急管理、工程監(jiān)護(hù)等相關(guān)應(yīng)用。

4.3 實(shí)施內(nèi)容

(1)建立軌道交通BIM標(biāo)準(zhǔn)體系，包括技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和管理標(biāo)準(zhǔn)。主要包括管理體系和技術(shù)體系，包含：《實(shí)施方案及工作大綱》《實(shí)施管理辦法》《BIM協(xié)同管理標(biāo)準(zhǔn)》《BIM模型成果技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》《BIM應(yīng)用設(shè)施設(shè)備分類與編碼標(biāo)準(zhǔn)》。

(2)利用傾斜攝影技術(shù)搭建全線地理信息模型、搭建全線地質(zhì)及規(guī)劃信息模型，利用協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)搭建全線工程信息模型。

(3)在實(shí)施階段，搭建建管平臺(tái)，包含進(jìn)度、質(zhì)量、安全等模塊，開展設(shè)計(jì)施工一體化應(yīng)用。對(duì)場(chǎng)地布置、工程信息模型及變更、施工方案、虛擬建造、材料及派工計(jì)劃、進(jìn)度及成本、質(zhì)量驗(yàn)評(píng)、視頻監(jiān)控集成、安全風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)控管理、移動(dòng)端應(yīng)用等實(shí)施信息化數(shù)字化應(yīng)用。

(4)搭建資產(chǎn)及運(yùn)維管理平臺(tái)，包含數(shù)字化移交、數(shù)字化資產(chǎn)管理、數(shù)字化檔案管理、數(shù)字化檢修及安全監(jiān)護(hù)等模塊。最終將設(shè)計(jì)及建設(shè)期整個(gè)工程所有信息，按照統(tǒng)一編碼規(guī)則，實(shí)現(xiàn)實(shí)物資產(chǎn)和全信息數(shù)字化虛擬資產(chǎn)的整體移交。在集成平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)數(shù)字化移交、資產(chǎn)管理、設(shè)備運(yùn)營(yíng)狀態(tài)、視頻監(jiān)控和周邊工程監(jiān)護(hù)管理等功能，提高運(yùn)營(yíng)管理質(zhì)量和效率，降低運(yùn)維成本。

(5)建立并存儲(chǔ)地鐵沿線地理信息、規(guī)劃信息、地下空間、軌道交通一體化數(shù)字工程、為形成城市級(jí)數(shù)據(jù)管理平臺(tái)提供基礎(chǔ)，對(duì)后續(xù)軌道交通相關(guān)空間資源開發(fā)、經(jīng)營(yíng)管理等城市綜合運(yùn)營(yíng)提供服務(wù)。

5 全過程應(yīng)用及價(jià)值實(shí)現(xiàn)

5.1 標(biāo)準(zhǔn)體系

(1)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)以目標(biāo)為導(dǎo)向，BIM應(yīng)用目標(biāo)原則為價(jià)值導(dǎo)向，“有價(jià)值，可實(shí)現(xiàn)”。

(2)設(shè)計(jì)及施工本身價(jià)值之外，為軌道交通百年運(yùn)營(yíng)管理創(chuàng)造價(jià)值才是最大的價(jià)值單元。

(3)標(biāo)準(zhǔn)體系應(yīng)根據(jù)管理價(jià)值對(duì)系統(tǒng)單元進(jìn)行層級(jí)劃分，從而確定模型深度和應(yīng)用點(diǎn)。如圍護(hù)等臨時(shí)結(jié)構(gòu)僅建設(shè)期有管理價(jià)值，土建結(jié)構(gòu)等建設(shè)期有價(jià)值、運(yùn)營(yíng)期僅做空間管理，常規(guī)機(jī)電等根據(jù)更換周期管理，軌道、車輛、供電等集成化設(shè)備系統(tǒng)自身實(shí)現(xiàn)數(shù)字化，無需進(jìn)行模型搭建。

5.2 前期規(guī)劃

(1)基于現(xiàn)有GIS數(shù)據(jù)建立全景子系統(tǒng)，規(guī)劃信息一張圖。實(shí)現(xiàn)輔助線站位決策。實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)場(chǎng)踏勘，節(jié)省時(shí)間投入(圖2)。

圖2 軌道交通地理信息及模型系統(tǒng)

(2)基于信息化平臺(tái)，接入現(xiàn)有GIS數(shù)據(jù)、三維地下管網(wǎng)、建構(gòu)筑物模型。實(shí)現(xiàn)三維選線，線站位設(shè)計(jì)方案審查，有效決策(圖3)。

圖3 軌道交通基于GIS的決策分析

5.3 設(shè)計(jì)階段

(1)通過BIM技術(shù)，設(shè)計(jì)階段實(shí)現(xiàn)孔洞及模型檢查、工程量智能統(tǒng)計(jì)、站后工程優(yōu)化、可視化交底，提升設(shè)計(jì)質(zhì)量(圖4)。

圖4 軌道交通站后工程BIM應(yīng)用

(2)改變?cè)性O(shè)計(jì)流程和表達(dá)方式，提升方案合理性。

(3)站后工程采用BIM進(jìn)行管線、支吊架設(shè)計(jì)，減少差錯(cuò)漏碰,降低返工率。

5.4 建設(shè)階段

(1)施工共享設(shè)計(jì)模型，打破現(xiàn)場(chǎng)施工與設(shè)計(jì)的物理屏障，使設(shè)計(jì)成果更有效的服務(wù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施；可視化交底等設(shè)計(jì)施工一體化應(yīng)用，提高施工精細(xì)化管理水平，降低返工和變更，降低投資(圖5)。

圖5 可視化交底應(yīng)用

(2)通過BIM與建管信息化平臺(tái)的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)勘察設(shè)計(jì)信息的在線管理，降低管理成本，提高管理效率。

(3)施工應(yīng)用：實(shí)現(xiàn)工程量智能統(tǒng)計(jì)，自動(dòng)生成工程量清單，提供實(shí)物量，為材料管理、放樣、加工、安裝提供依據(jù)。實(shí)現(xiàn)移動(dòng)客戶端在線3D交底，直觀展現(xiàn)設(shè)計(jì)意圖，提高施工進(jìn)度和質(zhì)量。

(4)基于BIM模型和建管平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)變更方案可視化、對(duì)照量?jī)r(jià)清單，實(shí)現(xiàn)高效變更管理決策。

(5)通過建管信息化平臺(tái)，匯集處理各工程進(jìn)度安全信息，形成軌道交通信息化分級(jí)管控：集團(tuán)公司一張屏展示全網(wǎng)總體進(jìn)度與安全狀態(tài)；建設(shè)公司管理線路及標(biāo)段總體形象進(jìn)度及風(fēng)險(xiǎn)清單、盾構(gòu)一張網(wǎng)狀態(tài)；承包單位及標(biāo)段管理單項(xiàng)工程進(jìn)度及方案、風(fēng)險(xiǎn)工程方案及狀態(tài)(圖6)。

圖6 軌道交通信息一張圖

(6)通過信息化平臺(tái)，基于BIM模型收集建設(shè)、安裝信息，形成竣工模型。為建設(shè)及運(yùn)維服務(wù)提供數(shù)據(jù)及技術(shù)支撐(圖7)。

5.5 運(yùn)維階段

(1)將信息模型(幾何、安裝、廠商、編碼等信息)移交既有資產(chǎn)運(yùn)營(yíng)管理系統(tǒng)，不再二次錄入。

(2)資產(chǎn)管理：實(shí)現(xiàn)可視化巡檢，原有資產(chǎn)系統(tǒng)模型模塊實(shí)現(xiàn)。通過二維碼作為移動(dòng)端入口，便于設(shè)備巡檢等工作(圖8)。

(3)應(yīng)急管理：通過快速響應(yīng)，準(zhǔn)確定位，簡(jiǎn)單可視，提高應(yīng)急效率，特別是對(duì)于隱蔽工程的管理。

(4)地鐵保護(hù)：結(jié)合信息模型及地塊信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)地保影響范圍方案的審批。

(5)結(jié)合數(shù)字化安全監(jiān)控技術(shù)、信息化建設(shè)管理(成本、進(jìn)度、質(zhì)量、安全)、資產(chǎn)及運(yùn)維管理，以軌道交通工程數(shù)字化技術(shù)體系、多方協(xié)同平臺(tái)為切入點(diǎn)，搭建軌道交通設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維一體化管理系統(tǒng)，降低軌道交通全生命周期的建設(shè)運(yùn)維管理成本，提供增值服務(wù)。

6 結(jié)束語

軌道交通BIM應(yīng)用宜結(jié)合其工程自身特點(diǎn)，設(shè)定合理應(yīng)用目標(biāo)。

(1)總體思路為根據(jù)工程實(shí)施模式，確定總體應(yīng)用目標(biāo)，制訂實(shí)施框架和內(nèi)容，確定實(shí)施組織機(jī)構(gòu)和計(jì)劃，按階段實(shí)施。

(2)實(shí)施框架為定標(biāo)準(zhǔn)、搭平臺(tái)、建模型、全過程應(yīng)用、匯集信息、形成數(shù)字軌道，實(shí)現(xiàn)數(shù)字建造，智慧管理。

(3)BIM推進(jìn)一定是價(jià)值導(dǎo)向，遵循“有價(jià)值，可實(shí)現(xiàn)”的原則。

(4)軌道交通由于其自身專業(yè)多，邊界條件復(fù)雜，建設(shè)環(huán)節(jié)多等特點(diǎn)，BIM的應(yīng)用不宜對(duì)既有的生產(chǎn)體系產(chǎn)生干擾。