基于BIM+GIS的鐵路四電工程智能建造方案研究

趙正路，韓月樓

（1.中鐵電氣化局集團(tuán)公司 科技創(chuàng)新部，北京 100036；2.中鐵電氣化局集團(tuán)公司 生產(chǎn)技術(shù)管理部，北京 100036）

鐵路四電工程的施工階段存在較多因施工周期縮短、設(shè)計圖紙深度不夠、專業(yè)交叉復(fù)雜而導(dǎo)致的施工質(zhì)量問題[1]。目前，BIM（Building Information Modeling）技術(shù)在鐵路四電項目中的應(yīng)用還未貫穿于工程項目全過程，其主要原因有：（1）BIM建模過程的專業(yè)化導(dǎo)致建模時間較長，特別是在四電項目有效工期較短的情況下，存在建模進(jìn)度與施工進(jìn)度脫節(jié)的情況；（2）部分設(shè)計資料、過程資料、竣工驗收資料、BIM模型等數(shù)據(jù)統(tǒng)計集成需要大量BIM專業(yè)人員實時更新、維護(hù)模型數(shù)據(jù)[2]；（3）鐵路四電工程管理的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)沒有達(dá)到BIM要求的精細(xì)化程度，缺少設(shè)備安裝地理位置信息，造成項目管理數(shù)據(jù)與BIM之間的數(shù)據(jù)不互通。目前，國內(nèi)鮮有具有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)體系的鐵路四電工程施工管理平臺，嚴(yán)重制約了BIM技術(shù)在施工現(xiàn)場的應(yīng)用推廣[3]。

本文設(shè)計基于BIM+GIS（Geographic Information System）的鐵路四電工程智能建造方案，應(yīng)用BIM族庫構(gòu)建、參數(shù)化建模、輕量化、BIM+GIS等技術(shù)，實現(xiàn)了鐵路四電施工項目的數(shù)字化交付。

1 方案設(shè)計

本文以鐵路四電建造過程為時間橫軸，明確BIM在鐵路四電工程建造過程中的應(yīng)用時間點與作用，建立BIM構(gòu)件數(shù)據(jù)與工程管理數(shù)據(jù)映射架構(gòu)，使施工日志與BIM構(gòu)件之間信息互通，實時將項目管理要素、生產(chǎn)要素信息記錄在BIM構(gòu)件信息上，設(shè)計通過鐵路四電施工項目管理平臺與項目實施過程深度融合，減少對專業(yè)BIM技術(shù)人員的依賴，最終實現(xiàn)鐵路四電工程項目的數(shù)字化交付。整體方案如圖1所示。

圖1 整體方案

（1）施工階段在收到設(shè)計階段提供的施工圖后，應(yīng)用BIM構(gòu)件族庫與BIM參數(shù)化建模技術(shù)，實現(xiàn)項目由二維圖紙向三維模型的轉(zhuǎn)變[4]；

（2）形成的項目三維模型通過應(yīng)用BIM輕量化及BIM+GIS技術(shù)，實現(xiàn)三維模型的輕量化并與實際地理位置相結(jié)合，解決項目BIM占用內(nèi)存大、與實際地理位置有偏差等問題；

（3）將形成的BIM+GIS輕量化模型與建設(shè)過程中的生產(chǎn)要素（人員、物料、機械等）和管理要素（進(jìn)度時間、質(zhì)量驗收、安全管控、成本等）信息掛接，并接入基于BIM+GIS的鐵路四電項目管理平臺中；

（4）形成包含施工生產(chǎn)管理要素及生產(chǎn)要素的施工全過程數(shù)字化模型，交付給運營維護(hù)（簡稱：運維）階段使用。

2 技術(shù)架構(gòu)

基于BIM+GIS的鐵路四電工程智能建造技術(shù)架構(gòu)如圖2所示。通過建立四電設(shè)備BIM構(gòu)件族庫，直接調(diào)用族庫數(shù)據(jù) ，并根據(jù)實際情況修改參數(shù)；通過參數(shù)化建模，將二維的施工圖紙通過參數(shù)表快速轉(zhuǎn)換成項目初期需要的三維模型；通過構(gòu)建BIM+GIS管理平臺，實現(xiàn)BIM及GIS數(shù)據(jù)的在線輕量化和可視化。

圖2 基于BIM+GIS的鐵路四電工程智能建造技術(shù)架構(gòu)

2.1 鐵路四電BIM族庫構(gòu)建

鐵路四電工程項目構(gòu)件具有分類冗雜和數(shù)量龐大等特點，且BIM模型搭建過程有資源共享和大數(shù)據(jù)管理的實際需求，在建施工項目竣工移交的模型精細(xì)度等級不宜低于LOD 3.0[5]。統(tǒng)一的鐵路四電BIM構(gòu)件族庫的建立，是將所有鐵路四電工程項目涉及到的實物構(gòu)件進(jìn)行建模，并根據(jù)IFC標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分類。項目的三維模型搭建即基于各類構(gòu)件的組合，將各類構(gòu)件載入到三維繪圖平臺環(huán)境中進(jìn)行布局、放置及修改屬性等操作，實現(xiàn)二維圖紙向三維模型的快速轉(zhuǎn)變。BIM族庫可顯著提高模型的統(tǒng)一性和完整性，為后期模型維護(hù)及下階段使用提供保障。技術(shù)架構(gòu)如圖3所示。

圖3 鐵路四電BIM構(gòu)件族庫技術(shù)架構(gòu)

（1）基礎(chǔ)數(shù)據(jù)層將以施工圖構(gòu)件模型為單元的施工圖工序分解為數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，利用私有云服務(wù)器、BIM族數(shù)據(jù)庫及PC端存儲數(shù)據(jù)；

（2）系統(tǒng)管理層設(shè)置了用戶、權(quán)限、加密及專業(yè)管理，以保證族庫的安全性、便捷性；

（3）功能應(yīng)用層具有常規(guī)上傳、下載、分類、數(shù)據(jù)統(tǒng)計與檢索、調(diào)用，以及構(gòu)件模型的審核與加密、云端存儲、本地備份等功能；

（4）外部融合層負(fù)責(zé)與多種BIM軟件兼容，構(gòu)件可提供給目前主流的BIM軟件調(diào)用，使族庫更具有通用性。

2.2 BIM參數(shù)化建模

參數(shù)化建模是將同一類構(gòu)件的參數(shù)信息，通過表格的方式實現(xiàn)批量建模。BIM參數(shù)化建模不僅可以通過創(chuàng)建和修改構(gòu)件的幾何、材質(zhì)、通用信息等參數(shù)，獲得精準(zhǔn)的模型，將建筑物直觀展現(xiàn)出來；還能對碰撞檢測、空間、結(jié)構(gòu)靜力、動力等數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

本文采用BIM參數(shù)化建模技術(shù)將族庫中相同的BIM構(gòu)件，按照可以量化描述的路徑或位置參數(shù)擺放，實現(xiàn)BIM模型的批量、快速生成。

2.3 BIM+GIS管理平臺

BIM的建模和加載通常需要Revit等專業(yè)軟件來實現(xiàn)，存在服務(wù)器資源占用大且加載速度慢等問題。為提高加載和響應(yīng)速度，可通過輕量化技術(shù)實現(xiàn)BIM模型在瀏覽器端的加載[6-7]。BIM輕量化技術(shù)是在不改變模型和數(shù)據(jù)文件結(jié)構(gòu)屬性的基礎(chǔ)上，通過算法將模型數(shù)據(jù)重構(gòu)，縮小BIM模型體量，使模型數(shù)據(jù)便于提取使用。

本文設(shè)計基于模型輕量化技術(shù)的BIM+GIS管理平臺（簡稱：平臺），通過大體量BIM模型輕量化引擎、海量數(shù)據(jù)分析處理、參數(shù)化驅(qū)動等關(guān)鍵技術(shù)，實現(xiàn)BIM、GIS、傾斜攝影模型、視頻源和工程建設(shè)等海量多源、多主題、異構(gòu)時空數(shù)據(jù)融合的集成展示，從而滿足不同管理部門、不同層級用戶的三維可視化、數(shù)字化、全要素信息精益化管理需求。

3 平臺功能

3.1 模型快速生成

根據(jù)IFC分類標(biāo)準(zhǔn)，對鐵路四電工程設(shè)施結(jié)構(gòu)進(jìn)行逐級拆分，對拆分后的最小構(gòu)件單元進(jìn)行參數(shù)化建模，建模參數(shù)包含構(gòu)件材料、尺寸及安裝位置信息。通過平臺將施工圖的平面布置圖信息參數(shù)化，形成Excel表格，表中數(shù)據(jù)由項目技術(shù)人員直接填報。參數(shù)表導(dǎo)入平臺后，平臺可自動生成對應(yīng)圖紙的三維模型，具體包括：根據(jù)KML地理信息數(shù)據(jù)和站前單位路基、橋梁、隧道的里程坐標(biāo)進(jìn)行路橋隧的快速生成，快速搭建鐵路線路模型；根據(jù)設(shè)計安裝圖快速識別BIM構(gòu)件的類型型號，結(jié)合平面布置圖紙相對應(yīng)的坐標(biāo)信息、安裝圖號，調(diào)用BIM構(gòu)件圖元庫中的圖元，依據(jù)參數(shù)化生成算法快速生成BIM+GIS模型。

模型生成后，平臺通過土建單位的接口進(jìn)行碰撞檢查，規(guī)避設(shè)計、施工失誤造成的誤差，實現(xiàn)接口可視化管理、快速定位、缺陷整改管理和數(shù)據(jù)綜合集成展示。

3.2 施工生產(chǎn)要素管理

施工生產(chǎn)要素主要包括人、機、料等信息，在項目建造過程中通過與BIM模型構(gòu)件間的數(shù)字互通，將所有生產(chǎn)要素的活動記錄在BIM構(gòu)件信息上[8]。

以物料信息為例，在結(jié)合BIM構(gòu)件模型提料時，平臺可生成物料二維碼，物料出廠時帶有獨立二維碼，由生產(chǎn)者將物料生產(chǎn)信息錄入二維碼中，連同生產(chǎn)運輸、驗收入庫、物料提料等信息掛接到平臺BIM模型構(gòu)件上?，F(xiàn)場安裝時，工作人員通過掃描二維碼，填寫實體構(gòu)件的安裝、檢測、驗收等信息，并將信息同步到平臺上。

此外，施工測量、工程計算、仿真模擬、智能預(yù)配等信息均可通過設(shè)備或人員與平臺進(jìn)行互通。

3.3 BIM插件化應(yīng)用

將BIM應(yīng)用按主要和輔助對平臺功能進(jìn)行劃分，主要功能是實現(xiàn)項目三維建模的必要功能，包括BIM族庫構(gòu)建、參數(shù)化建模、BIM+GIS輕量化等；輔助功能是用于項目優(yōu)化的可選擇性功能，包括碰撞檢查、預(yù)配數(shù)據(jù)互聯(lián)、模擬施工、裝備數(shù)據(jù)互聯(lián)、電子圍欄等，通過插件的形式，實現(xiàn)平臺的可靈活拓展，如圖4所示。

圖4 BIM插件功能示意

4 方案應(yīng)用

基于BIM+GIS的鐵路四電工程智能建造方案已在集通（集寧—通遼）、貴南（貴陽—南寧）、天津—大興等鐵路四電工程項目建設(shè)過程中得到應(yīng)用，實現(xiàn)了建造過程中生產(chǎn)要素及管理要素實時數(shù)據(jù)與BIM構(gòu)件數(shù)據(jù)的對接，形成了BIM+GIS數(shù)字化交付模型。應(yīng)用示意如圖5所示。

圖5 BIM+GIS智能建造方案應(yīng)用示意

5 結(jié)束語

本文設(shè)計鐵路四電工程智能建造方案，將鐵路四電BIM族庫構(gòu)建、參數(shù)化建模、BIM+GIS模型輕量化等技術(shù)應(yīng)用于項目實施過程中，實現(xiàn)鐵路四電工程項目的數(shù)字化交付。通過設(shè)計BIM+GIS管理平臺，實現(xiàn)了項目生產(chǎn)要素信息、管理要素信息與模型間的信息交互，為鐵路四電工程智能建造及精細(xì)化管理提供技術(shù)支撐。后續(xù)將繼續(xù)豐富BIM插件化功能，推進(jìn)機械化施工與機械數(shù)據(jù)的自動收集、傳輸，以降低人力成本、提高工作效率。