基于BIM的鐵路隧道工程施工協(xié)同管理平臺研究

馬少雄,李昌寧,徐 宏,徐 飛,趙 欽

(1.陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院,陜西渭南 714000； 2.西安理工大學(xué)土木建筑工程學(xué)院,西安 710048； 3.中鐵一局集團(tuán)有限公司,西安 710054； 4.西安工業(yè)大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院,西安 710021)

隨著《中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》和《交通強(qiáng)國建設(shè)綱要》等政策文件的頒布實(shí)施，我國迎來鐵路建設(shè)高潮。然而鐵路項(xiàng)目因?yàn)槠涫┕⒔▎挝欢?、工期要求緊、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)高、施工難度大和控制工點(diǎn)多等特點(diǎn)[1-5]，導(dǎo)致傳統(tǒng)的鐵路項(xiàng)目管理方式存在智能化程度不足、施工管理混亂等問題，成為制約鐵路工程產(chǎn)業(yè)建設(shè)轉(zhuǎn)型升級、提質(zhì)增效的重要因素。在鐵路項(xiàng)目施工過程中，如何實(shí)現(xiàn)施工信息的高效共享和利用，提高協(xié)同管理水平，進(jìn)而優(yōu)化施工設(shè)計、合理制定計劃、掌握施工進(jìn)度、合理使用各項(xiàng)資源，是縮短工期、降低成本、提高質(zhì)量的根本途徑[6-10]。

BIM是利用三維數(shù)字技術(shù)建立包含工程項(xiàng)目各種相關(guān)信息的數(shù)據(jù)模型[11-14]，項(xiàng)目施工過程中，各參與方都可以在信息模型中插入、提取、更新和修改信息，以實(shí)現(xiàn)其各自職責(zé)的協(xié)同作業(yè)[15-20]。因此，BIM技術(shù)的核心思想是構(gòu)筑多專業(yè)間協(xié)同管理環(huán)境，將分散的參與方從時間和空間上聯(lián)系起來，解決傳統(tǒng)紙質(zhì)方式交流的“信息斷層”和“信息孤島”問題，提升各主體信息交互的效率與準(zhǔn)確性，為建立建設(shè)項(xiàng)目數(shù)字化施工協(xié)同管理平臺提供了條件。利用BIM技術(shù)及計算機(jī)相關(guān)技術(shù)實(shí)現(xiàn)建設(shè)項(xiàng)目施工過程優(yōu)化管理，可以達(dá)到提高項(xiàng)目管理水平、提升企業(yè)生產(chǎn)效益的目標(biāo)[21-24]。目前，BIM技術(shù)在鐵路建設(shè)項(xiàng)目施工協(xié)同管理中的研究與應(yīng)用成果較少。本文依托太焦鐵路TJZQ-5標(biāo)武鄉(xiāng)隧道工程建設(shè)，對基于BIM的數(shù)字化施工協(xié)同管理平臺展開研究。

1 工程概況

太焦鐵路TJZQ-5標(biāo)武鄉(xiāng)隧道位于山西省長治市武鄉(xiāng)縣，全長9 024 m，最大埋深約172.19 m，高程1 196.94 m。隧道區(qū)巖性主要為砂巖、泥巖，巖體節(jié)理裂隙較發(fā)育，多呈碎石狀、塊石狀，易產(chǎn)生局部坍塌、掉塊。其中Ⅴ級圍巖884 m，Ⅳ級圍巖3 610 m，Ⅲ級圍巖4 530 m。隧道施工過程中，先后4次下穿村莊，12次下穿既有道路，并且下穿村莊多為年久失修的窯洞，安全隱患極大。施工全部采用控制爆破、短進(jìn)尺開挖。

2 工程施工特點(diǎn)

武鄉(xiāng)隧道工程具有涉及專業(yè)廣、施工干擾大、施工外部環(huán)境復(fù)雜、工期風(fēng)險極高、現(xiàn)場調(diào)度管理難度極大等特點(diǎn)。同時，隧道開挖對沿線百姓生產(chǎn)生活影響較大。鑒于此，引入BIM技術(shù)，研發(fā)數(shù)字化施工協(xié)同管理平臺，一方面采用BIM技術(shù)實(shí)現(xiàn)碰撞檢測、優(yōu)化隧道構(gòu)件結(jié)構(gòu)、虛擬建造等常規(guī)功能，提前避免因設(shè)計缺陷導(dǎo)致的工程返工問題，為隧道施工進(jìn)度安排提供合理的參考依據(jù)，有效提升施工效率；另一方面在此過程中形成以BIM為核心、可支撐施工管理各參與方管理業(yè)務(wù)標(biāo)準(zhǔn)化運(yùn)轉(zhuǎn)的施工過程協(xié)同管理環(huán)境，將影響或干擾施工管理的各因素可視化，將各專業(yè)信息數(shù)字化，提升施工管理效率，降低施工管理難度。

3 基于BIM的施工協(xié)同管理平臺研發(fā)

3.1 BIM協(xié)同管理平臺總體框架結(jié)構(gòu)

鐵路建設(shè)項(xiàng)目數(shù)字化協(xié)同管理體系以鐵路隧道模型為基礎(chǔ)，以集成化管理理念與協(xié)同為主要理論依據(jù)，以關(guān)系數(shù)據(jù)庫存儲為支撐，以鐵路建設(shè)項(xiàng)目數(shù)字化管理平臺為核心，結(jié)合鐵路專業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和統(tǒng)一編碼體系，通過集成編碼結(jié)構(gòu)管理、規(guī)劃組織管理、人員管理、模型管理、權(quán)限管理、工序管理、圍巖等級管理、報表管理等功能模塊，輔助各參建單位等利益相關(guān)方可在鐵路建設(shè)項(xiàng)目施工全過程進(jìn)行基于統(tǒng)一信息模型的數(shù)據(jù)采集、整理、統(tǒng)計、分析，從而有效開展決策支持、多目標(biāo)綜合管理，確定基于BIM的協(xié)同管理平臺總體結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 數(shù)字化協(xié)同管理平臺結(jié)構(gòu)

3.2 數(shù)字化協(xié)同管理平臺子系統(tǒng)劃分

鐵路建設(shè)項(xiàng)目數(shù)字化協(xié)同管理體系的核心是數(shù)字化綜合管理，平臺由綜合展板、隧道展板、橋梁展板、軌道展板、路基展板五大模塊組成，其中隧道模塊由項(xiàng)目管理、組織機(jī)構(gòu)管理、圍巖等級管理、工序管理、計劃管理、模型管理、報表管理、權(quán)限管理8個子系統(tǒng)構(gòu)成，見圖2。

圖2 數(shù)字化協(xié)同管理平臺應(yīng)用組成

3.2.1 項(xiàng)目管理與組織機(jī)構(gòu)管理

項(xiàng)目管理與組織機(jī)構(gòu)管理子系統(tǒng)包括項(xiàng)目基礎(chǔ)信息維護(hù)、組織機(jī)構(gòu)維護(hù)功能，項(xiàng)目基礎(chǔ)信息包含項(xiàng)目唯一識別碼、項(xiàng)目簡稱、項(xiàng)目簡介、項(xiàng)目宣傳視頻圖片、項(xiàng)目開始結(jié)束時間、各參建單位等有關(guān)項(xiàng)目所有基本信息，以支持多項(xiàng)目集中維護(hù)，實(shí)現(xiàn)多項(xiàng)目信息相對獨(dú)立而又相互共享，滿足數(shù)據(jù)共享的要求，組織機(jī)構(gòu)功能則對公司內(nèi)部所有部門信息進(jìn)行了系統(tǒng)的建立，支持從其他業(yè)務(wù)系統(tǒng)接入，也支持其他業(yè)務(wù)系統(tǒng)通過API接口共享訪問，為企業(yè)后期業(yè)務(wù)系統(tǒng)集成提供了統(tǒng)一的數(shù)據(jù)管理模型。

3.2.2 模型管理

通過專業(yè)的建模軟件對施工項(xiàng)目主體進(jìn)行BIM建模，利用插件進(jìn)行模型輕量化處理，通過Cesnium開源技術(shù)封裝的模型引擎對輕量化后的模型數(shù)據(jù)文件進(jìn)行加載呈現(xiàn)。項(xiàng)目中存在多個BIM模型，就對應(yīng)多個模型json數(shù)據(jù)文件，相互獨(dú)立存儲。在業(yè)務(wù)系統(tǒng)中，通過引擎API處理接口對所需的模型實(shí)現(xiàn)共同加載，達(dá)到多個模型融合的效果(圖3)。

圖3 模型管理子系統(tǒng)界面

3.2.3 計劃管理

計劃進(jìn)度控制是將項(xiàng)目的各個階段和先后順序進(jìn)行統(tǒng)籌規(guī)劃和協(xié)調(diào)，對人力、物力、財力等資源進(jìn)行合理安排和充分利用，達(dá)到在預(yù)定的工期內(nèi)以最優(yōu)的時間和資源消耗完成工程項(xiàng)目建設(shè)的目標(biāo)。進(jìn)度控制要求建設(shè)單位要按照制定計劃、監(jiān)控實(shí)施、積極調(diào)整的原則對工程建設(shè)全過程進(jìn)行控制。

進(jìn)度計劃子系統(tǒng)中使用表格進(jìn)度計劃編制方式，快速定義任務(wù)的主要參數(shù)，包含計劃名稱、計劃天數(shù)、開始時間、結(jié)束時間、實(shí)際天數(shù)、實(shí)際開始時間、實(shí)際結(jié)束時間、前置任務(wù)等。模塊中設(shè)計計劃與模型銜接，實(shí)現(xiàn)計劃與模型的關(guān)聯(lián)，也可以從模型樹結(jié)構(gòu)中直接提取有效參數(shù)批量設(shè)置計劃，實(shí)現(xiàn)模型與計劃的無縫對接(圖4)。

圖4 計劃管理子系統(tǒng)界面

3.2.4 工序管理

隧道施工過程中包括開挖、仰拱、初襯、水電溝槽等幾個常規(guī)施工步驟。此模塊主要功能是對隧道施工工序進(jìn)行常規(guī)維護(hù)，用戶可以自定義工序步驟，由簡單工序到復(fù)雜工序都能進(jìn)行統(tǒng)一的管理維護(hù)，并根據(jù)各個工序步驟相對整體工程進(jìn)度的影響程度，由項(xiàng)目管理人員對工序步驟設(shè)置權(quán)重比例，方便根據(jù)隧道實(shí)際施工進(jìn)度和權(quán)重比例進(jìn)行報表的統(tǒng)計(圖5)。

圖5 工序管理子系統(tǒng)界面

3.2.5 圍巖等級管理

此模塊主要功能是對隧道圍巖等級進(jìn)行設(shè)定，包含了圍巖等級編碼、圍巖等級名稱，通過將圍巖數(shù)據(jù)與平臺模型關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)圍巖狀態(tài)的實(shí)時跟蹤并可視化展示，方便用戶及時掌握圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)狀態(tài)，及時制定應(yīng)急方案，對圍巖信息進(jìn)行統(tǒng)一管理維護(hù)(圖6)。

圖6 圍巖等級管理子系統(tǒng)界面

3.2.6 報表管理

報表管理模塊包含了施工進(jìn)度累進(jìn)報表、產(chǎn)值累進(jìn)報表、施工進(jìn)度折線圖多維度統(tǒng)計分析、產(chǎn)值數(shù)據(jù)多維度折線圖和柱狀圖分析、總完成占比分析等圖表可視化分析(圖7)。

圖7 報表管理子系統(tǒng)界面

3.2.7 權(quán)限管理

此模塊具有維護(hù)系統(tǒng)用戶、角色、權(quán)限分配等功能。

3.3 數(shù)字化協(xié)同管理平臺應(yīng)用

利用基于BIM技術(shù)與軟件開發(fā)的可視化項(xiàng)目管理系統(tǒng)開展施工管理、審核和鑒權(quán)工作，可以科學(xué)有效地指導(dǎo)工程決策。通過數(shù)字化協(xié)同管理平臺，對項(xiàng)目實(shí)施情況進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控與審核，及時上報問題并通知相關(guān)業(yè)務(wù)負(fù)責(zé)人進(jìn)行處理。同時該系統(tǒng)具有鑒權(quán)功能，允許用戶根據(jù)自己的職位和權(quán)限進(jìn)行有限制的操作，達(dá)到多人協(xié)同處理業(yè)務(wù)，形成一站式的業(yè)務(wù)流。

通過數(shù)字化協(xié)同管理平臺大屏顯示功能，點(diǎn)擊按鈕即可觀察隧道各個部分當(dāng)前的施工狀態(tài)。在右側(cè)的展板清晰地查看數(shù)據(jù)的分析狀況，便于從宏觀角度對鐵路項(xiàng)目施工進(jìn)行把控(圖8)。

圖8 管理平臺大屏展示

不同的使用者在該平臺對應(yīng)不同的權(quán)限。系統(tǒng)管理員具有最高權(quán)限，能夠?qū)ζ脚_中所有的模塊進(jìn)行管理，后臺實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的采集、匯總、處理(圖9)，通過模型引擎、Echart框架在前臺進(jìn)行模型渲染和數(shù)據(jù)可視化圖表展示。

圖9 系統(tǒng)管理員后臺展示

4 效益分析

4.1 經(jīng)濟(jì)效益

在鐵路隧道項(xiàng)目施工過程中，利用BIM技術(shù)優(yōu)化作業(yè)過程和工藝流程，開展施工管理技術(shù)創(chuàng)新，提升企業(yè)生產(chǎn)效益?；贐IM的數(shù)字化協(xié)同管理平臺在武鄉(xiāng)隧道施工過程中的應(yīng)用，針對隧道洞口斷面定位減少變更費(fèi)用30萬元、施工方案優(yōu)選等方面減少變更費(fèi)用137萬元，工程量核算對比節(jié)約830 m3混凝土約30萬元，節(jié)約93 t鋼材約25萬元，隧道既有工程碰撞檢查問題562處節(jié)約成本83萬元，路橋隧接口設(shè)計優(yōu)化問題35處節(jié)約成本42萬元，圍巖風(fēng)險預(yù)警58次節(jié)約成本40萬元，工序管理和圍巖管理的節(jié)約現(xiàn)場隧道施工數(shù)據(jù)分析，提高了工作效率及數(shù)據(jù)分析自動化，為項(xiàng)目節(jié)省人工和材料費(fèi)用約48萬元，合計435萬元。

4.2 社會效益

BIM技術(shù)在武鄉(xiāng)隧道項(xiàng)目的成功應(yīng)用，有效解決了傳統(tǒng)隧道施工過程中可視化程度不高、現(xiàn)場調(diào)度困難、協(xié)同管理水平低等問題。研發(fā)了基于BIM的可視化管理共享平臺及移動端，實(shí)現(xiàn)了對隧道施工過程中模型構(gòu)件的全生命周期管理以及項(xiàng)目可視化、項(xiàng)目信息化，給企業(yè)、業(yè)主帶來良好經(jīng)濟(jì)效益的同時，樹立了實(shí)體經(jīng)濟(jì)與“互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能”等新技術(shù)深度融合的典范，提升了企業(yè)在行業(yè)的影響力。同時，也推動了BIM技術(shù)與鐵路施工技術(shù)的融合發(fā)展。

5 結(jié)論

(1)在鐵路隧道工程施工過程中，利用基于BIM技術(shù)的協(xié)同管理平臺進(jìn)行施工管理，可以避免傳統(tǒng)管理方式中存在信息分散、各部門人員交流不順暢、進(jìn)度質(zhì)量安全問題處理不及時、管理混亂等缺陷，有效提升管理效率和管理水平。

(2)研發(fā)的協(xié)同管理平臺包含綜合展板、隧道展板、橋梁展板、軌道展板、路基展板五大模塊，其中隧道模塊由項(xiàng)目管理、組織機(jī)構(gòu)管理、圍巖等級管理、工序管理、計劃管理、模型管理、報表管理、權(quán)限管理子系統(tǒng)組成，能夠?qū)崿F(xiàn)施工過程中主要管理功能。

(3)該平臺可以直接觀察隧道各個部分當(dāng)前的施工狀態(tài)，清晰地展示施工計劃和施工工序，快速分析施工數(shù)據(jù)，便于管理者從宏觀角度對鐵路項(xiàng)目施工進(jìn)行把控。該平臺在武鄉(xiāng)隧道工程建設(shè)中的成功應(yīng)用，節(jié)省近435萬元費(fèi)用，是企業(yè)“提質(zhì)增效”的有效途徑，同時為鐵路建設(shè)項(xiàng)目應(yīng)用BIM技術(shù)進(jìn)行施工管理提供了借鑒。