BIM技術(shù)在鐵路站房運維風(fēng)險分析中的應(yīng)用

呼臘梅

（1.北京經(jīng)緯信息技術(shù)有限公司，北京 100081；2.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

BIM技術(shù)在我國土建行業(yè)的規(guī)劃［1］、設(shè)計、施工［2］、運維［3］中已經(jīng)逐步得到應(yīng)用，并取得了一定成就。相關(guān)研究表明，BIM技術(shù)可以輔助鐵路項目三維建模、碰撞檢測、指導(dǎo)施工等［4］。在傳統(tǒng)的運維管理中，房建專業(yè)的運維管理更多注重資金、辦公、數(shù)據(jù)等方面的管理，很少注重機電設(shè)備本身的運維管理［5］。鐵路站房由于客流量大，站房使用率高，鐵路設(shè)備本身的運維管理不可忽略。

在基于BIM的鐵路站房全生命周期中，將設(shè)計階段搭建的BIM模型應(yīng)用于運維階段，逐步實現(xiàn)模型信息的不間斷集成［5-6］。目前基于BIM的風(fēng)險分析研究主要應(yīng)用于施工階段［7-10］，在運維階段的應(yīng)用很少?；趥鹘y(tǒng)管理模式的鐵路站房，在實際運維管理中存在一定風(fēng)險。對現(xiàn)場設(shè)備不了解、對各設(shè)備的信息統(tǒng)計不齊全等因素很容易促進運營管理風(fēng)險形成，由此可見，風(fēng)險是影響運維的重要因素。引入BIM技術(shù)可實現(xiàn)遠程可視化管理，從而降低運維過程中出現(xiàn)的風(fēng)險。

BIM作為計算機與土建專業(yè)銜接的中間橋梁，也作為站房全生命周期的信息承載體，能夠為站房的運維管理提供一定價值，在降低風(fēng)險方面起到了重要作用。以京張高鐵昌平站為例，根據(jù)實際運維管理，研究BIM技術(shù)在鐵路站房運維風(fēng)險分析中的應(yīng)用。

1 站房運維風(fēng)險

風(fēng)險管理的概念最早起源于19世紀(jì)，隨著信息技術(shù)的發(fā)展以及新風(fēng)險不斷出現(xiàn)，風(fēng)險管理在全世界各行各業(yè)得到廣泛應(yīng)用。在我國鐵路站房運維管理中，也存在不同類型、不同損害程度的風(fēng)險因素。風(fēng)險管理的整個流程包括4部分內(nèi)容，即風(fēng)險識別、風(fēng)險評估、風(fēng)險評價以及風(fēng)險處置。具體流程見圖1。風(fēng)險管理整個過程是一個新風(fēng)險源不斷出現(xiàn)、風(fēng)險管理過程不斷循環(huán)、風(fēng)險處理意見不斷更新、風(fēng)險處理方法不斷改進的閉環(huán)流程。

1.1 風(fēng)險分類

鐵路站房運維管理是基于前期設(shè)計階段和施工階段圖紙信息與工藝工法完整性、合理性、規(guī)范性的理論和實踐基礎(chǔ)，因此，站房運維管理需要集成設(shè)計期、建設(shè)期的數(shù)據(jù)信息，以實現(xiàn)運維階段的高效管理、合理運作、降低運營成本等目標(biāo)。站房在運維管理過程中，存在多種不確定風(fēng)險源，直接或者間接導(dǎo)致運維過程復(fù)雜、檢修維修過程耗時、運營投資高等后果。風(fēng)險分析成為站房運維管理必不可少的專項工作。目前，在鐵路站房的運維階段，主要存在的風(fēng)險類型有：

（1）各階段信息不齊全。運維管理采用的信息包括設(shè)計、建設(shè)、運維等階段的各類信息。各類信息不齊全可能阻礙運維管理正常進行，運維管理存在的風(fēng)險源見圖2。

圖2 運維管理存在的風(fēng)險源

（2）管線排布錯綜復(fù)雜。鐵路站房運維管理中，不僅需要對房屋的建筑結(jié)構(gòu)進行維護保養(yǎng)，也需要對室內(nèi)的設(shè)備管線進行檢查檢修。站房中各專業(yè)管線排布必須依托土建專業(yè)的主體結(jié)構(gòu)，土建專業(yè)實體建筑為各專業(yè)管線正常排布提供了必要的承載體。站房中管線主要涉及專業(yè)包括給排水、暖通、電氣、信息等。在現(xiàn)場運維管理中，由于各專業(yè)設(shè)備管線布置在樓板層與天花板之間，因此存在多用途、多類型、多專業(yè)的設(shè)備管線交叉分布現(xiàn)象，導(dǎo)致管理過程復(fù)雜。各專業(yè)分類情況見圖3。

圖3 鐵路站房專業(yè)分類

1.2 風(fēng)險分析

風(fēng)險分析采用的常用方法有：故障樹分析法（FTA）、故障模式影響及危害性分析法（FMECA）、建模和仿真分析法等。在鐵路站房運維管理中，需要不斷對站房各設(shè)備進行檢修維修，定期查看與實體設(shè)備、實體結(jié)構(gòu)相關(guān)聯(lián)的圖紙信息、設(shè)備履歷等。在上述風(fēng)險分析方法中，建模和仿真分析能夠直接反映設(shè)備信息。針對上述提到的2類風(fēng)險，基于BIM技術(shù)的建模和仿真分析方法，采用Revit軟件搭建BIM模型，實現(xiàn)風(fēng)險分析的目標(biāo)。

（1）各階段信息不齊全。針對此類問題，可以通過各階段的數(shù)據(jù)信息不斷累積，逐步添加到模型中，實現(xiàn)設(shè)備的集成展示與調(diào)用。首先，在設(shè)計階段，依據(jù)設(shè)計圖紙搭建仿真模型，并在模型中添加設(shè)計期的屬性信息，形成設(shè)計階段的模型；其次，在施工階段，將設(shè)計模型作為載體，依據(jù)建設(shè)內(nèi)容添加建設(shè)期的屬性信息，進而升級為建設(shè)階段的竣工模型；最后，在運維階段，在模型中添加運維期的屬性信息，形成最終的運維階段模型。Revit建模軟件中添加的屬性信息為靜態(tài)信息，添加的數(shù)據(jù)信息為結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)信息，無法實現(xiàn)非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)、動態(tài)數(shù)據(jù)實時更新，因此，需要借助二次研發(fā)，將非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)（二維設(shè)計圖紙、施工影響資料、動態(tài)運維管理資料等）關(guān)聯(lián)到模型上，實現(xiàn)整個站房全生命周期數(shù)據(jù)的完整與正確性。站房各階段信息缺失的風(fēng)險分析方法見圖4。

圖4 站房各階段信息缺失的風(fēng)險分析方法

（2）管線排布錯綜復(fù)雜。各專業(yè)管線排布錯綜復(fù)雜，給實際運維管理造成一定難度。針對多專業(yè)設(shè)備綜合管理、單專業(yè)維修檢修記錄分類存檔的現(xiàn)象，需要運維管理人員去實際設(shè)備間、管廊層檢修各設(shè)備的運行狀況，造成檢修耗時長等問題。因此，分專業(yè)、利用仿真模型實現(xiàn)可視化管理成為分析上述風(fēng)險的重要途徑，在風(fēng)險分析過程中，主要將機電專業(yè)綜合集成模型拆分成單一專業(yè)獨立顯示模型，并對單一專業(yè)模型的關(guān)鍵控制設(shè)備（如閥門、開關(guān)等）與普通設(shè)備（如管道）進行區(qū)分，實現(xiàn)在虛擬環(huán)境中模擬真實的設(shè)備運維管理，實現(xiàn)基于可視化技術(shù)的降低運營風(fēng)險目標(biāo)。多專業(yè)模型風(fēng)險分析路徑見圖5。

圖5 多專業(yè)模型風(fēng)險分析路徑

1.3 風(fēng)險處置

各階段的屬性信息存在缺失等風(fēng)險，處理該類風(fēng)險的主要途徑是基于IFC標(biāo)準(zhǔn)搭建BIM模型，在Revit軟件中添加屬性信息。在設(shè)計階段，按施工圖紙以及專業(yè)分類搭建BIM模型，并在后續(xù)各階段將所需要的信息添加至BIM模型。在模型屬性添加過程中，首先，需要確認(rèn)屬性名和屬性值，同時需要對屬性值的類型進行定義，如文字、尺寸標(biāo)注等；其次，針對各設(shè)備的屬性信息完整性，可以通過項目明細表查看各設(shè)備的具體信息，將信息不齊全的設(shè)備通過內(nèi)部關(guān)聯(lián)定位到三維BIM模型中，在可視化界面添加屬性信息，實現(xiàn)模型中各構(gòu)件屬性信息的補充完善。

在BIM模型中初步添加屬性后，需要對模型進行輕量化處理，實現(xiàn)模型的數(shù)模分離目標(biāo)，降低模型的文件存儲量，并利用WebGL技術(shù)，實現(xiàn)模型的線上發(fā)布，最終可以在多個客戶端同時查看攜帶屬性信息的BIM模型，達到多專業(yè)模型協(xié)同管理的目標(biāo)。在BIM模型輕量化處理過程中，主要采用三角面片進行網(wǎng)格劃分，在處理過程中去除冗余的幾何形狀，最大限度地使模型變小。輕量化后的模型，由于數(shù)據(jù)庫與模型分別存在不同格式的文件中，二者通過GUID進行關(guān)聯(lián)，因此可以對數(shù)據(jù)庫中多余、無用的信息進行刪除，并添加或修改模型中需要的屬性，豐富模型的靜態(tài)信息。

可以通過各系統(tǒng)的鏈路控制進行多專業(yè)設(shè)備模型管理。首先，依據(jù)既定的編碼規(guī)則，為各專業(yè)的設(shè)備模型進行編碼；其次，通過編碼規(guī)則控制與其關(guān)聯(lián)的設(shè)備屬性。各設(shè)備的編碼控制關(guān)系如下：

式中：Y1、Y2代表設(shè)備1和設(shè)備2的設(shè)備編碼；Xi、xi分別代表設(shè)備1和設(shè)備2的編碼中的各項字符；i為編碼所占的字符長度，i=1，2，3，…，n。

（1）Y1中的前i位與Y2中的前i位各項字符相同時，如果Y1中的i+1位與Y2中的前i+1位各項字符不同，則設(shè)備1與設(shè)備2為同等級設(shè)備，不存在設(shè)備的上下級關(guān)系；如果Y1中只包含前i位字符，Y2中存在的字符數(shù)量大于i時，則設(shè)備1為設(shè)備2的上級，即：在實際設(shè)備運營中，設(shè)備1出現(xiàn)故障，必然影響設(shè)備2的正常運行。

（2）Y1中的前i位與Y2中的前i位各項字符均不相同時，則代表Y1與Y2為互不影響的設(shè)備，Y1的運行狀況與Y2的運行狀況無關(guān)聯(lián)。

2 RReevviitt構(gòu)建三維模型

為實現(xiàn)基于BIM技術(shù)的三維模型可視化，需要采用Revit進行建模，主要基于CAD圖紙幾何-矢量相結(jié)合的方式搭建模型。幾何建模是利用Revit中自帶的基礎(chǔ)工具繪制出模型，再利用渲染材質(zhì)對模型進行渲染，形成與實際相匹配的效果；矢量建模是將二維CAD圖紙進行處理后，將CAD圖紙導(dǎo)入至Revit模型，然后進行坐標(biāo)系校核，快速形成三維BIM模型。昌平站站房BIM模型見圖6，該模型是利用Revit搭建的BIM模型，并將圖紙的設(shè)計信息添加到BIM模型中。圖6左側(cè)為昌平站站房模型，右側(cè)為選中的坡屋頂具體信息，包括所在的標(biāo)高、所屬專業(yè)、設(shè)備大類等設(shè)計、運維期信息。

圖6 昌平站站房BIM模型

3 應(yīng)用實例

以京張高鐵昌平站站房為研究對象，展開BIM技術(shù)在站房運營風(fēng)險分析中應(yīng)用的研究。京張高鐵作為2022年冬奧會的重要交通樞紐，具有“智能京張”稱號。昌平站地處北京昌平區(qū)，建筑面積為4 995.91 m2，地上1層，局部2層，地下1層，是京張高鐵的重要交通樞紐站。結(jié)合昌平站實際情況，依據(jù)圖紙信息搭建BIM模型，通過數(shù)據(jù)輕量化處理，基于WebGL技術(shù)，在網(wǎng)頁端發(fā)布了昌平站的BIM模型。在三維場景中，結(jié)合實際的業(yè)務(wù)應(yīng)用，研發(fā)了模型查看、數(shù)據(jù)信息瀏覽、鏈路控制等功能。

（1）BIM模型信息瀏覽見圖7，基于三維GIS底圖，將輕量化后的BIM模型加載到GIS地圖上。通過點擊項目信息，可以查看昌平站的基本信息、建設(shè)信息。針對有變化的項目信息，依據(jù)實際運維管理情況進行修改。通過系統(tǒng)結(jié)構(gòu)樹，分層級查看各專業(yè)的設(shè)備模型，如給排水系統(tǒng)中，可以查看生活給水、生活排水等BIM模型，同時，能夠查看各系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息。實現(xiàn)三維可視化狀態(tài)下的信息管理，避免部分構(gòu)件信息缺失等現(xiàn)象，為實際運維管理的信息調(diào)用提供捷徑。

圖7 BIM模型信息瀏覽

（2）各專業(yè)設(shè)備信息管理見圖8。以給排水專業(yè)為例，圖8（a）中綠色閥門為選中的閥門，紅色閥門為控制該閥門水流的所有上級閥門，黑色管道為連接上級控制閥門與本閥門的設(shè)備。通過定位閥門設(shè)備，可以自動篩選出控制該閥門設(shè)備的所有上級閥門以及連接上級閥門和該閥門的所有管道。該功能可以指導(dǎo)實際運維管理中，本閥門正常運作狀態(tài)與關(guān)聯(lián)的上級閥門開關(guān)狀態(tài)、故障狀況等相互關(guān)系，給維修檢修人員提供參考意見。

圖8（b）中黃色與黑色交界處的閥門為選中閥門，紅色閥門為選中閥門所控制的下級閥門，黑色設(shè)備為選中閥門控制的其他設(shè)備，包括管道、衛(wèi)浴等設(shè)備。該功能可以輔助檢修維修人員查看某一閥門運行狀態(tài)對下級各設(shè)備的影響，模擬水流經(jīng)過該閥門后，對下級設(shè)備的供水狀態(tài)展示，從單一專業(yè)角度，形象地模擬自身管路運行狀況，減少多專業(yè)交叉管路的識別時間。

圖8 各專業(yè)設(shè)備信息管理

（3）各關(guān)鍵設(shè)備影響范圍見圖9。通過點擊閥門，可虛擬展示該閥門運行狀態(tài)對站房中房間的影響范圍。圖9中，綠色為選中閥門，紅色為受該閥門影響的房間，即1#女衛(wèi)生間、1#男衛(wèi)生間、飲水處、4#衛(wèi)生間。該功能可以虛擬展示機電設(shè)備運行狀態(tài)對實際房間的影響區(qū)域，指導(dǎo)檢修維修人員在合理時間段內(nèi)關(guān)停相應(yīng)設(shè)備，最大限度地減少對旅客出行的影響。

圖9 各關(guān)鍵設(shè)備影響范圍

4 結(jié)束語

對鐵路站房運維管理中各階段信息不齊全、多專業(yè)管線排布錯綜復(fù)雜等現(xiàn)象進行了詳細的風(fēng)險源分析，提出利用BIM模型解決問題的辦法?；贐IM技術(shù)、數(shù)據(jù)輕量化、WebGL技術(shù)，在三維可視化平臺中，展示與實際運維管理相對應(yīng)的數(shù)據(jù)信息，避免數(shù)據(jù)缺失。按專業(yè)劃分機電設(shè)備模型，在可視化界面虛擬現(xiàn)場檢修維修過程中各專業(yè)關(guān)鍵設(shè)備的控制關(guān)系，即上級鏈路、下級鏈路和影響范圍，解決維修檢修人員無法快速定位到故障設(shè)備的問題。

隨著計算機技術(shù)發(fā)展，BIM技術(shù)在鐵路站房運維風(fēng)險分析中的應(yīng)用更加廣泛，深度挖掘BIM價值，利用BIM、物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)相結(jié)合的技術(shù)，通過智能化數(shù)據(jù)分析，降低運維成本，需要進一步進行研究與探索。