基于BIM的企業(yè)級(jí)鐵路施工管理平臺(tái)研究

王煥松，于勝利，盧文龍，張敬涵

(1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司電子計(jì)算技術(shù)研究所，北京 100081; 2.北京經(jīng)緯信息技術(shù)有限公司，北京 100081)

引言

為實(shí)施交通強(qiáng)國(guó)目標(biāo)，打造中國(guó)制造2025高鐵新標(biāo)準(zhǔn)，鐵路施工建設(shè)項(xiàng)目不斷地探索BIM、云計(jì)算、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、AI、北斗導(dǎo)航等新技術(shù)[1-4]，使得中國(guó)高鐵進(jìn)入綠色設(shè)計(jì)、智能建造、精益管理新模式[5]，為智慧鐵路建設(shè)發(fā)展提供良好的基礎(chǔ)，同時(shí)，解決了鐵路項(xiàng)目規(guī)模大、建設(shè)工期緊、技術(shù)要求高、安全風(fēng)險(xiǎn)高、施工管理混亂以及傳統(tǒng)鐵路項(xiàng)目管理方式存在智能化程度不足等問題[6-8]。BIM技術(shù)是鐵路工程領(lǐng)域中面向全生命周期的前沿技術(shù)，具備可視化、協(xié)調(diào)性、模擬性、可優(yōu)化性等特點(diǎn)[9-11]。因此，使用前沿科技技術(shù)和管理理念，研究基于BIM技術(shù)為核心的施工管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)鐵路工程建設(shè)過程中不同參與方的全要素、全方面、全過程的信息共享和協(xié)同作業(yè)，推動(dòng)鐵路工程建設(shè)向信息化、智能化發(fā)展等具有現(xiàn)實(shí)意義和理論價(jià)值[12-13]。目前，國(guó)內(nèi)許多學(xué)者研發(fā)BIM施工管理平臺(tái)，路耀邦等[14]運(yùn)用BIM、物聯(lián)網(wǎng)等先進(jìn)技術(shù)，研發(fā)BIM施工管理平臺(tái)并在大瑞鐵路高黎貢山隧道上應(yīng)用；馬少雄等[15]研究基于BIM技術(shù)的隧道施工協(xié)同管理平臺(tái)；戴林發(fā)寶等[16]針對(duì)鐵路工程中的多源數(shù)據(jù)，采用混合架構(gòu)研發(fā)BIM協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)，并在羊臺(tái)山隧道中應(yīng)用；智鵬[17]研究BIM與新技術(shù)(云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等)融合應(yīng)用等關(guān)鍵技術(shù)，并研發(fā)了基于BIM的鐵路隧道施工建設(shè)管理平臺(tái)；張貴忠[18]采用“云+端”應(yīng)用模式和WPF三層架構(gòu)方法研發(fā)滬通長(zhǎng)江大橋BIM管理平臺(tái)；韓鑫等[19]研發(fā)鐵路工程三維協(xié)同大數(shù)據(jù)云平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)多源數(shù)據(jù)信息一體化協(xié)同管理。同時(shí)，不少學(xué)者[20-23]研究BIM+GIS應(yīng)用于鐵路施工建設(shè)管理。但大多數(shù)施工管理平臺(tái)是根據(jù)單個(gè)項(xiàng)目研發(fā)施工管理平臺(tái)，而一個(gè)企業(yè)有多個(gè)項(xiàng)目時(shí)，比如有鐵路橋梁、隧道、路基等多個(gè)標(biāo)段項(xiàng)目時(shí)，難以集成數(shù)字化管理，故依托京雄城際鐵路(JXSG-7)雄安站特大橋研究企業(yè)級(jí)到項(xiàng)目級(jí)的閉環(huán)管理，采用BIM、3DGIS、物聯(lián)網(wǎng)、數(shù)據(jù)可視化等技術(shù)，研發(fā)施工單位企業(yè)級(jí)BIM鐵路施工管理平臺(tái)(Construction Enterprise Management，CEM)，實(shí)現(xiàn)多個(gè)項(xiàng)目的施工現(xiàn)場(chǎng)智慧化、可視化管理，提升整體管控能力。

1 工程概況

新建北京至雄安城際鐵路站前工程JXSG-7標(biāo)段位于雄縣東北部，處在雄安站兩側(cè)咽喉區(qū)，即雄安站特大橋，正線里程為DK102+002～DK104+625，設(shè)計(jì)時(shí)速為350 km。由于站場(chǎng)規(guī)模較大，場(chǎng)坪高，場(chǎng)址地形條件復(fù)雜，同時(shí)多條聯(lián)絡(luò)線引入，故全部為現(xiàn)澆道岔連續(xù)梁和現(xiàn)澆簡(jiǎn)支箱梁(其中雙線190孔、單線98孔)，現(xiàn)澆道岔梁約4 000 m；墩身均為實(shí)體墩，共計(jì)141個(gè)；基礎(chǔ)為鉆孔樁基礎(chǔ)，數(shù)量超1 300根。項(xiàng)目施工難度較大，協(xié)調(diào)困難，影響因素較多，是全線控制性工程之一，其特點(diǎn)有：施工工期緊，站前站后工程同步開展，交叉干擾大；建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)高，根據(jù)鐵路公司要求，需全力打造“精品工程、安全工程、智能工程”，建成高標(biāo)準(zhǔn)的高鐵項(xiàng)目；征拆難度大，需拆遷建筑物面積超過8 000 m2，35 kV及以上高壓線70多處，不可控因素多；雄安站施工組織難度大，雄安站為高架站，設(shè)計(jì)采用橋梁形式，道岔梁數(shù)量較多，施工技術(shù)和組織難度大。

2 施工管理平臺(tái)研發(fā)

2.1 施工管理平臺(tái)總體架構(gòu)

企業(yè)級(jí)BIM鐵路施工管理平臺(tái)采用私有云+公用端模式的多層架構(gòu)體系,使用模型層次化動(dòng)態(tài)加載技術(shù)和基于WebGL、ActiveX與云技術(shù)融合的混合云引擎技術(shù)，通過ASP.NET的MVC技術(shù)架構(gòu)和Http、WQTT多種安全傳輸協(xié)議以及分布式存儲(chǔ)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)以BIM模型數(shù)據(jù)為核心，互聯(lián)網(wǎng)為介質(zhì)的施工管理平臺(tái)，達(dá)到施工數(shù)字化和智能化管理、按需動(dòng)態(tài)加載模型和高效交互渲染應(yīng)用效果，其總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 CEM施工管理平臺(tái)總體架構(gòu)

2.2 施工管理平臺(tái)功能模塊

施工管理平臺(tái)功能模塊包含：項(xiàng)目管理、企業(yè)綜合駕駛艙、項(xiàng)目施工管理三大功能模塊，其功能組成如圖2所示。項(xiàng)目管理主要負(fù)責(zé)對(duì)企業(yè)多個(gè)鐵路工程項(xiàng)目的管理，其包含：①對(duì)企業(yè)鐵路項(xiàng)目信息日常管理和維護(hù)，如竣工時(shí)間、建設(shè)單位、工程進(jìn)度、施工日志、質(zhì)量檢查等，如圖3所示；②新增項(xiàng)目，在企業(yè)管理平臺(tái)中添加新項(xiàng)目的相關(guān)信息，并在企業(yè)綜合駕駛艙各個(gè)展示模塊新增相應(yīng)的數(shù)據(jù)顯示；③人員權(quán)限管控，通過管控權(quán)限設(shè)置，使不同用戶(企業(yè)用戶和項(xiàng)目用戶)進(jìn)入平臺(tái)中不同管理模塊(企業(yè)管理或項(xiàng)目施工管理)。

圖2 企業(yè)級(jí)BIM鐵路施工管理平臺(tái)應(yīng)用組成

圖3 企業(yè)項(xiàng)目管理平臺(tái)界面

企業(yè)綜合駕駛艙具備在地圖上顯示各個(gè)上線項(xiàng)目的位置，并對(duì)每個(gè)上線項(xiàng)目的各功能模塊數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、分析和展示。企業(yè)用戶通過點(diǎn)擊展示數(shù)據(jù)能夠查看對(duì)應(yīng)項(xiàng)目功能模塊數(shù)據(jù)以及點(diǎn)擊地圖上項(xiàng)目圖標(biāo)和名稱進(jìn)入相應(yīng)的項(xiàng)目施工管理。企業(yè)綜合駕駛艙展示內(nèi)容為各個(gè)項(xiàng)目的工程進(jìn)度情況、質(zhì)量檢查結(jié)果、重大安全統(tǒng)計(jì)、工程信息、人員統(tǒng)計(jì)、設(shè)備管理、物料管理等，如圖4所示。

圖4 企業(yè)綜合駕駛艙

項(xiàng)目施工管理功能模塊組成為：項(xiàng)目綜合駕駛艙、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理、施工進(jìn)度管理、施工過程資料管理、安全VR培訓(xùn)體驗(yàn)、隱患排查、視頻管控應(yīng)用、工程量統(tǒng)計(jì)、設(shè)備管理等，為項(xiàng)目用戶提供全方位、全流程的項(xiàng)目日?；芾?。項(xiàng)目功能模塊數(shù)據(jù)將同步至企業(yè)綜合駕駛艙，實(shí)現(xiàn)企業(yè)對(duì)項(xiàng)目的日常監(jiān)管。項(xiàng)目綜合駕駛艙主要展示項(xiàng)目概況、智能設(shè)備油耗統(tǒng)計(jì)、隱患排查、施工人員管理、電子沙盤等內(nèi)容，如圖5所示。

圖5 項(xiàng)目綜合駕駛艙

2.2.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)可分為BIM模型數(shù)據(jù)、GIS數(shù)據(jù)。BIM模型包含了構(gòu)筑物模型(路基、橋梁、隧道、軌道、邊坡防護(hù)等構(gòu)筑物模型)、機(jī)械模型(車輛、閘機(jī)、吊機(jī)等機(jī)械設(shè)備)。BIM模型的輕量化通過自主研發(fā)的輕量化組件和自定義數(shù)據(jù)格式“*.cars”上傳到平臺(tái)中，其輕量化研發(fā)的原理是采用“數(shù)模分離”思想，通過信息讀取和GUID關(guān)聯(lián)等方法得到無損幾何數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)兩個(gè)存儲(chǔ)文件，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜模型構(gòu)件一次性輕量化轉(zhuǎn)換高效提取存儲(chǔ)和可視化展示應(yīng)用，其流程如圖6所示。

圖6 BIM模型輕量化流程

GIS數(shù)據(jù)包括高清遙感影像、傾斜攝影模型、DEM等地理空間相關(guān)的數(shù)據(jù)。其中，傾斜攝影數(shù)據(jù)通過無人機(jī)搭載多臺(tái)不同角度傳感器獲取地面信息，再通過軟件處理成三維模型，如圖7所示。

圖7 傾斜攝影模型

2.2.2 電子沙盤

平臺(tái)融合了輕量化BIM模型、傾斜攝影模型以及GIS數(shù)據(jù)在自主高效圖形引擎技術(shù)中實(shí)現(xiàn)鐵路工程建設(shè)環(huán)境的虛擬場(chǎng)景，如圖8所示。在圖形引擎中可以通過里程定位或橋墩定位查看固定區(qū)域?qū)в[圖，還可以通過添加標(biāo)簽保存當(dāng)前位置視圖；也可以實(shí)現(xiàn)模型的精細(xì)化瀏覽并進(jìn)行一系列模型查看操作，如帶線渲染、剖切面、模型爆炸等功能，如圖9所示。此外，圖形引擎支持測(cè)量(測(cè)點(diǎn)距和面積，坐標(biāo)信息顯示)、場(chǎng)景模擬(陽(yáng)光、雨、雪)、飛行預(yù)覽等功能。

圖8 虛擬場(chǎng)景

圖9 精細(xì)化BIM模型

針對(duì)BIM模型屬性管理和關(guān)聯(lián)技術(shù)研究，可準(zhǔn)確查詢選擇的模型以下信息：模型常規(guī)屬性、工程完成情況、工程檢驗(yàn)批、工程量等，對(duì)單體構(gòu)筑物實(shí)現(xiàn)精細(xì)化、信息化管理，如圖10所示。

圖10 屬性查詢

2.2.3 進(jìn)度管理

根據(jù)施工總進(jìn)度計(jì)劃、季度進(jìn)度計(jì)劃、月進(jìn)度計(jì)劃、周進(jìn)度計(jì)劃，并自動(dòng)掛接BIM模型工程實(shí)體分解對(duì)應(yīng)構(gòu)件，分配各工序間的邏輯關(guān)系，同時(shí)賦予模型構(gòu)件詳細(xì)信息，如計(jì)劃起止時(shí)間、工程數(shù)量等，實(shí)現(xiàn)進(jìn)度計(jì)劃的動(dòng)態(tài)管理與聯(lián)動(dòng)修改。實(shí)際進(jìn)度信息采用直接從鐵路工程管理平臺(tái)獲取和手動(dòng)錄入兩種方式，對(duì)實(shí)際進(jìn)度和計(jì)劃進(jìn)度進(jìn)行對(duì)比分析，自動(dòng)計(jì)算滯后工期，并進(jìn)行預(yù)警，實(shí)現(xiàn)PC端對(duì)每一項(xiàng)計(jì)劃進(jìn)行任務(wù)派發(fā)和設(shè)定任務(wù)完成的要求，實(shí)時(shí)反饋派發(fā)任務(wù)完成狀態(tài)，實(shí)時(shí)閉環(huán)，互聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)同步，并在平臺(tái)可實(shí)時(shí)進(jìn)行已派發(fā)任務(wù)狀態(tài)的查詢，其流程如圖11所示。

圖11 施工進(jìn)度流程

根據(jù)實(shí)時(shí)進(jìn)度信息與模型關(guān)聯(lián)，在電子沙盤中實(shí)現(xiàn)BIM模型實(shí)時(shí)渲染，并可查看施工總進(jìn)度、施工進(jìn)度圖、設(shè)計(jì)總量和完成總量等信息，更好地把控和了解項(xiàng)目進(jìn)度，如圖12所示。

圖12 進(jìn)度管理

2.2.4 質(zhì)安管理

(1)隱患排查

通過對(duì)隱患排查、流程上報(bào)、流程跟蹤驗(yàn)證以及隱患消除的全流程環(huán)節(jié)控制關(guān)鍵技術(shù)研究，同時(shí)調(diào)用中鐵九局公司隱患排查系統(tǒng)接口數(shù)據(jù)，研發(fā)隱患排查APP和CEM施工管理平臺(tái)模塊功能，如圖13所示。檢查人員可快速通過移動(dòng)端對(duì)現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)的問題錄入并指定整改責(zé)任人和限期整改。整改責(zé)任人通過移動(dòng)端進(jìn)行整改回復(fù)和記錄，檢查人員進(jìn)行審核，并可在PC端隱患排查模塊進(jìn)行查看和隱患排查點(diǎn)的歷史追溯管理。

圖13 隱患APP和Web瀏覽端

(2)安全VR培訓(xùn)體驗(yàn)

通過VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，對(duì)鐵路工程人員進(jìn)行沉浸式安全教育培訓(xùn)，結(jié)合施工方案4D模擬和逃生方案進(jìn)行虛擬預(yù)演，增加工程人員安全逃生經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)，也可以核查施工過程安全漏洞。

(3)視頻管控應(yīng)用

通過無人機(jī)實(shí)時(shí)或留存的航拍視頻、視頻監(jiān)控錄制視頻，平臺(tái)自動(dòng)進(jìn)行視頻實(shí)時(shí)處理，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工程情況進(jìn)行記錄、標(biāo)注和提示，并可對(duì)歷史記錄進(jìn)行存儲(chǔ)和追溯。

2.2.5 費(fèi)用管理

(1)工程量統(tǒng)計(jì)

通過BIM模型的編碼標(biāo)準(zhǔn)、自動(dòng)計(jì)算和導(dǎo)出工程量等方法，并依據(jù)清單規(guī)范和預(yù)算標(biāo)準(zhǔn)，在施工管理平臺(tái)中設(shè)置相應(yīng)計(jì)量規(guī)則的映射和配置文件。將BIM模型導(dǎo)入平臺(tái)時(shí)，BIM模型關(guān)聯(lián)施工合同清單，后臺(tái)進(jìn)行自動(dòng)算量，生成清單匯總表及工程造價(jià)，并與施工進(jìn)度綁定展示實(shí)際工程量統(tǒng)計(jì)，形成BIM模型、工程量、綜合單價(jià)的“構(gòu)件級(jí)”關(guān)聯(lián)。此外，通過研究時(shí)間維度和空間維度，可以查看任意時(shí)間段和任意構(gòu)件組合的清單量，如圖14所示。

圖14 工程量統(tǒng)計(jì)

(2)設(shè)備管理

平臺(tái)采用BIM技術(shù)結(jié)合FRID技術(shù)，通過對(duì)設(shè)備進(jìn)場(chǎng)、驗(yàn)收以及使用情況進(jìn)行全過程、全方位管控，改善了設(shè)備管理狀況，降低設(shè)備成本，如圖15所示。同時(shí)，針對(duì)機(jī)械移動(dòng)設(shè)備的用油量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和跟蹤管理，減少不正常油耗，提高機(jī)械設(shè)備使用效率，節(jié)約成本。

圖15 設(shè)備管理

2.2.6 過程資料管理

平臺(tái)根據(jù)施工過程中的資料管理需求，研發(fā)過程資料管理功能模塊，如圖16所示，實(shí)現(xiàn)對(duì)施工過程中的各個(gè)環(huán)節(jié)和程序過程進(jìn)行管理和追溯，如勞務(wù)用工資料、施工方案、圖紙資料管理等，最終實(shí)現(xiàn)無紙化辦公。對(duì)圖紙進(jìn)行臺(tái)賬管理，隨時(shí)更新圖紙信息，替換已作廢的圖紙，同時(shí)記錄變更的詳細(xì)信息，實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目全生命周期的圖紙有序可追溯管理。

圖16 過程資料管理

3 示范應(yīng)用

依托雄安站特大橋工程項(xiàng)目進(jìn)行了基于BIM的企業(yè)級(jí)鐵路施工管理平臺(tái)研究，實(shí)現(xiàn)了企業(yè)到項(xiàng)目全流程閉環(huán)管理的成功示范應(yīng)用。在雄安站特大橋施工過程中面臨著站前站后同時(shí)施工、多現(xiàn)澆梁、地形復(fù)雜、多條聯(lián)絡(luò)線引入、多道岔梁等重難點(diǎn)問題，平臺(tái)以BIM模型為基礎(chǔ)，提供全方位、全過程的解決方案和信息化措施，如電子沙盤以可視化的方式對(duì)施工進(jìn)度、施工環(huán)境進(jìn)行模擬和對(duì)比預(yù)報(bào)，從而加快了10%進(jìn)度、隱患排查APP和隱患功能降低了安全風(fēng)險(xiǎn)20%，設(shè)備管理減少18%的非正常油耗等。此外，通過平臺(tái)的綜合駕駛艙以可視化方式展示項(xiàng)目施工現(xiàn)場(chǎng)的復(fù)雜地形、施工進(jìn)度情況、工程量統(tǒng)計(jì)、費(fèi)用管理等內(nèi)容，提高了企業(yè)對(duì)項(xiàng)目的高度集中信息可視化管理和日常管理機(jī)制。平臺(tái)的成功示范應(yīng)用，創(chuàng)造了可觀的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，推動(dòng)了鐵路工程建設(shè)信息化發(fā)展。

4 創(chuàng)新點(diǎn)

(1)平臺(tái)采用多層架構(gòu)體系、模型動(dòng)態(tài)加載技術(shù)以及混合云引擎技術(shù)和安全傳輸協(xié)議，實(shí)現(xiàn)以BIM為基礎(chǔ)，互聯(lián)網(wǎng)為介質(zhì)的企業(yè)到項(xiàng)目閉環(huán)施工管理平臺(tái)。

(2)自主研發(fā)BIM模型的輕量化組件，充分運(yùn)用數(shù)模分離的思想，將屬性數(shù)據(jù)與幾何數(shù)據(jù)分離并通過GUID關(guān)聯(lián)實(shí)現(xiàn)模型高效存儲(chǔ)，并在自主研發(fā)的圖形引擎中渲染應(yīng)用。

(3)研究BIM與GIS數(shù)據(jù)融合技術(shù)的電子沙盤，對(duì)鐵路構(gòu)筑物施工真實(shí)環(huán)境的模擬、施工進(jìn)度可視化展示、隱患排查等，并對(duì)單體構(gòu)筑物進(jìn)行精細(xì)化管理。

5 結(jié)論

(1)基于對(duì)企業(yè)級(jí)鐵路施工管理平臺(tái)的技術(shù)路線研究，從企業(yè)項(xiàng)目管理、綜合駕駛艙、項(xiàng)目施工管理(基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理、電子沙盤、施工進(jìn)度管理、質(zhì)安管理、工程量統(tǒng)計(jì)、過程資料管理)等方面進(jìn)行詳細(xì)闡述，滿足項(xiàng)目施工過程中可視化、信息化、集中化管理需求，實(shí)現(xiàn)企業(yè)到項(xiàng)目的一體化閉環(huán)管理。

(2)以京雄城際鐵路JXSG-7標(biāo)段的雄安站特大橋?yàn)樵圏c(diǎn)項(xiàng)目，從模型的輕量化、模型在圖形引擎應(yīng)用、模型分解掛接任務(wù)、施工進(jìn)度、質(zhì)安管理、過程資料管理等方面驗(yàn)證了平臺(tái)可行性。

(3)平臺(tái)在京雄鐵路施工過程應(yīng)用中創(chuàng)造了較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，實(shí)現(xiàn)了關(guān)鍵技術(shù)目標(biāo)，縮短了施工工期，節(jié)約了成本，降低了造價(jià)和安全風(fēng)險(xiǎn)，推動(dòng)了鐵路工程智慧化施工的實(shí)現(xiàn)，應(yīng)用前景廣泛。