城市軌道交通 BIM 一體化管理模式及應(yīng)用

張 楠，周 君，王 保

（上海市隧道工程軌道交通設(shè)計(jì)研究院，上海 200235）

1 引言

在國家交通強(qiáng)國建設(shè)和行業(yè)全面數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級的大背景下，城市軌道交通在建設(shè)的各階段取得了眾多成果，全面數(shù)字化的關(guān)鍵點(diǎn)在于信息可以無障礙且準(zhǔn)確地傳遞和表達(dá)，但“數(shù)據(jù)孤島”“兩層皮”的問題仍然很普遍。各階段、各專業(yè)之間建筑信息模型（BIM）的信息交互存在缺陷，數(shù)據(jù)信息交互不僅不夠直接，且數(shù)據(jù)不夠完整。

鑒于以上問題和現(xiàn)狀，上海市軌道交通14 號線采用基于BIM 技術(shù)的一體化管理模式，打通各階段、各專業(yè)BIM 模型之間的通道，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享與協(xié)同。探索基于BIM 技術(shù)的管理新模式，助力城市軌道交通建設(shè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級。

2 工程概況及特點(diǎn)

上海市軌道交通14 號線是一條橫跨城市東西方向的直徑線，是新一輪建設(shè)規(guī)劃中重要的市區(qū)級線路[1]。線路全長38.514 km，全部為地下線，共設(shè)地下車站31座，平均站間距1.273 km。該線路具有如下特點(diǎn)。

（1）建設(shè)環(huán)境復(fù)雜。工程線路穿越主城區(qū)，區(qū)間段及站點(diǎn)與現(xiàn)狀建筑物、軌道、橋梁、河道、管線、道路等的關(guān)系復(fù)雜，工程實(shí)施需充分考慮對現(xiàn)狀環(huán)境及設(shè)施的影響，制定合理的保護(hù)或拆遷措施。

（2）工程進(jìn)度緊張。作為上海市重點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目，該工程自立項(xiàng)論證至全線施工并投入運(yùn)營，整個建設(shè)周期的工程量巨大，但時間有限，進(jìn)度緊張。

（3）質(zhì)量要求高。該工程的質(zhì)量水平受到社會各界的廣泛關(guān)注[2]，但由于城市軌道交通項(xiàng)目技術(shù)復(fù)雜，影響面大、周期長等特點(diǎn)，導(dǎo)致其質(zhì)量管理工作難度很大。

（4）建設(shè)管理難度大。采用分階段、分專業(yè)、平行交叉承包模式，客觀上造成了工程的設(shè)計(jì)、施工、供貨、安裝等過程不能很好地搭接，難以形成系統(tǒng)接口，工程實(shí)施協(xié)調(diào)難度大。

（5）建設(shè)條件多變，工程變更頻繁。由于工程涉及的不確定因素多，外部條件變化無法預(yù)測，造成了工程設(shè)計(jì)、施工、設(shè)備及材料采購的變更頻繁，加大管理難度。

（6）運(yùn)維管理壓力大[3-4]。14 號線為市區(qū)線，巨大的客運(yùn)壓力對運(yùn)維管理的系統(tǒng)性升級提出了較高的要求。

3 基于 BIM 技術(shù)的一體化管理

3.1 一體化管理技術(shù)路線

為保證工程的平穩(wěn)推進(jìn)，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量、低成本、短周期的目標(biāo)。工程自方案分析到建成交付的整個過程都采用了基于BIM 技術(shù)的一體化管理技術(shù)路線[5]。方案階段利用BIM 技術(shù)的輔助，精確分析周邊環(huán)境和限制因素；設(shè)計(jì)階段采用協(xié)同模式的試點(diǎn)三維正向設(shè)計(jì)，提高設(shè)計(jì)效率和精度；施工階段以三維模型交底的形式指導(dǎo)施工單位按模施工，監(jiān)理單位依模監(jiān)督[6]；運(yùn)維階段，通過實(shí)際竣工的數(shù)字模型為運(yùn)營管理提供數(shù)字化基礎(chǔ)。

建立線路級BIM 技術(shù)與應(yīng)用管理體系，以確保一體化管理技術(shù)路線得以落實(shí)，如圖1 所示，包括BIM總體管理文件（項(xiàng)目策劃大綱、項(xiàng)目管理辦法、項(xiàng)目實(shí)施方案及各單位招標(biāo)技術(shù)要求）、BIM 模型指導(dǎo)手冊、BIM 應(yīng)用指導(dǎo)手冊[7]。

圖1 BIM 一體化管理技術(shù)路線

3.2 一體化管理平臺

城市軌道交通工程的BIM 數(shù)據(jù)量大，參與方多且地域分散。各相關(guān)方能在一個模型上高效、便捷、權(quán)責(zé)清晰地協(xié)同工作是落實(shí)BIM 一體化管理的重點(diǎn)[8-10]。

為應(yīng)對跨地域跨部門協(xié)同工作的挑戰(zhàn)，工程基于Revit Server 進(jìn)行平臺開發(fā)，使不同地理位置的項(xiàng)目參與方通過廣域網(wǎng)以共享方式在同一個Revit 模型上開展工作成為可能。

在設(shè)計(jì)階段，通過Revit Server 實(shí)現(xiàn)廣域網(wǎng)環(huán)境下跨階段、跨單位、跨專業(yè)的設(shè)計(jì)協(xié)同一體化。在設(shè)計(jì)交付階段，平臺通過模型凍結(jié)與解凍結(jié)，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)階段到施工階段的模型傳遞[11]，打破常規(guī)“兩層皮”管理壁壘，實(shí)現(xiàn)一模到底。

在施工階段，各單位仍通過Revit Server 實(shí)現(xiàn)廣域網(wǎng)環(huán)境下的施工深化。但由于施工階段承包模式的特殊性，平臺開發(fā)采用更嚴(yán)格的權(quán)限管理機(jī)制，使各單位僅能鏈接其工點(diǎn)相關(guān)專業(yè)模型，并且關(guān)閉其隨意下載、覆蓋已有模型的權(quán)限，模型的更新有連續(xù)、清晰的歷史記錄。

竣工交付階段，施工單位根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測實(shí)量結(jié)果復(fù)核現(xiàn)有模型，并經(jīng)監(jiān)理單位、設(shè)計(jì)單位審核后，移到運(yùn)維階段。所有提資、會簽、審核、歸檔流程均在線上平臺發(fā)起，保證了信息傳遞的唯一路徑。各階段模型管理流程如圖2 所示。

圖2 各階段模型管理流程圖

4 典型 BIM 技術(shù)應(yīng)用

依托一體化管理技術(shù)路線及管理平臺，上海市軌道交通14 號線的全生命周期中廣泛運(yùn)用了各項(xiàng)BIM 技術(shù)，如圖3 所示。文章就本線路中較有代表性的幾項(xiàng)應(yīng)用進(jìn)行介紹。

圖3 BIM 技術(shù)應(yīng)用流程圖

4.1 市政管線綜合優(yōu)化

建設(shè)過程中涉及雨污水、電力、通信、上水、燃?xì)獾却罅楷F(xiàn)狀市政管線的改遷或保護(hù)。其管綜優(yōu)化方案應(yīng)基于原設(shè)計(jì)資料、竣工圖紙、物探情況及特殊位置的精測結(jié)果，結(jié)合本工程區(qū)間段平縱布置、站點(diǎn)定位及基坑支護(hù)、場地特性、環(huán)境因素、交通導(dǎo)改等因素綜合考慮。但由于管綜資料缺失、探測誤差不可控、環(huán)境情況多變、信息孤島等原因，管綜方案通常難以得到足夠的優(yōu)化，造成其在施工過程中變更較多，對工期和造價的影響較大。

14 號線工程在管綜優(yōu)化階段引入BIM 技術(shù)，將所有相關(guān)的數(shù)據(jù)信息集成到一個平臺中。通過BIM 模型指導(dǎo)手冊要求各方統(tǒng)一軟件、坐標(biāo)體系和模型表達(dá)，并規(guī)定了模型范圍及深度，如道路翻交模型不僅要體現(xiàn)各階段道路的變化，還要體現(xiàn)車站借地線、各階段施工圍擋線、道路綠化帶等要素。通過將孤立的管線模型、道路模型、場地模型、車站模型、圍護(hù)模型、區(qū)間模型等集成到一個平臺中，可視化完成管綜設(shè)計(jì)方案，如圖4所示，為設(shè)計(jì)階段管線方案的盡快決策提供幫助，同時也為施工人員了解全局情況提供便利，施工完成后形成的竣工模型可作為未來開發(fā)的第一手資料。

圖4 市政管線綜合模型

4.2 三維正向設(shè)計(jì)

城市軌道交通工程參建單位眾多、數(shù)據(jù)資產(chǎn)龐大、運(yùn)營周期較長，傳統(tǒng)的BIM 翻模難以滿足工程精細(xì)化的需求。部分車站在設(shè)計(jì)階段應(yīng)用了三維正向設(shè)計(jì)，各單位、各專業(yè)基于Revit Server 進(jìn)行廣域網(wǎng)協(xié)同設(shè)計(jì)，實(shí)時在同一模型中反饋需求及變化。BIM 模型可直接用于有限元分析，數(shù)據(jù)信息能準(zhǔn)確、直接地傳遞和交互，減少設(shè)計(jì)人員大量重復(fù)性工作，提高設(shè)計(jì)效率和準(zhǔn)確性。

同時，研發(fā)了一系列參數(shù)化智能設(shè)計(jì)族和標(biāo)記族。該樣板及族庫在本工程BIM 正向設(shè)計(jì)進(jìn)行了廣泛應(yīng)用，車站剖面圖及部分專業(yè)系統(tǒng)圖均采用配套出圖插件從模型直接導(dǎo)出，提高了出圖的效率和質(zhì)量。

4.3 預(yù)留預(yù)埋 BIM 專冊

工程建設(shè)時，機(jī)電安裝作業(yè)通常在土建工程已大部分完工后才介入，如果土建的預(yù)留預(yù)埋存在錯漏，就經(jīng)常導(dǎo)致安裝作業(yè)時的二次打鑿、穿孔。為確保施工現(xiàn)場預(yù)留孔洞的準(zhǔn)確性，通過BIM 模型深化復(fù)核預(yù)留預(yù)埋，并從模型直接導(dǎo)出預(yù)留預(yù)埋專冊，提高其精度與深度，如圖5 所示。

圖5 預(yù)留預(yù)埋BIM 專冊

4.4 土建結(jié)構(gòu)幾何尺寸智能化檢驗(yàn)

采用三維激光掃描技術(shù)對車站建成的主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行3D 掃描，將掃描得出的點(diǎn)云模型與土建施工圖模型進(jìn)行參數(shù)化校核，如圖6 所示，檢查主體結(jié)構(gòu)幾何尺寸施工質(zhì)量，并創(chuàng)建實(shí)際幾何尺寸的土建竣工模型，用以輔助后期機(jī)電BIM 模型的施工深化。

圖6 三維激光掃描模型與BIM 模型對比檢驗(yàn)圖

4.5 預(yù)制裝配式施工管理

以通風(fēng)專業(yè)為例，傳統(tǒng)工藝中風(fēng)管的現(xiàn)場安裝環(huán)節(jié)與工廠加工環(huán)節(jié)銜接性差，工廠加工的管件尺寸易出錯，運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場后編碼無序，造成現(xiàn)場施工時高頻倒運(yùn)，效率低下。采用BIM 技術(shù)進(jìn)行風(fēng)管預(yù)制裝配式施工管理。施工階段，基于設(shè)計(jì)三維模型深化設(shè)備層環(huán)控模型，由監(jiān)理、設(shè)計(jì)、施工審核無誤后，直接由模型導(dǎo)出風(fēng)管下料圖，如圖7 所示。工廠按圖生產(chǎn)，按圖編碼，按序配送，現(xiàn)場按圖施工，按圖檢驗(yàn)，大大提高了工效，也提高了復(fù)合風(fēng)管的施工質(zhì)量。

圖7 預(yù)制裝配式施工管理

4.6 設(shè)施設(shè)備產(chǎn)品模型庫

依托BIM 平臺的信息收集與整合功能，聯(lián)合設(shè)備廠商、機(jī)電施工單位，搭建了設(shè)施設(shè)備產(chǎn)品模型庫[12]。每個設(shè)施設(shè)備產(chǎn)品包括幾何參數(shù)、技術(shù)參數(shù)、設(shè)備編碼等內(nèi)容，模型精細(xì)到最小維護(hù)單元，使模型數(shù)據(jù)更加標(biāo)準(zhǔn)化。

模型庫匯總了13 個專業(yè)的500 余種設(shè)備產(chǎn)品類型，共計(jì)3 000 余個模型單元。其中，排熱風(fēng)機(jī)模型如圖8所示。該模型庫作為數(shù)字資產(chǎn)的一部分，同步交付給后期運(yùn)維平臺。

圖8 設(shè)施設(shè)備產(chǎn)品模型庫樣例圖

4.7 數(shù)字化運(yùn)維管理

以竣工交付模型作為數(shù)字底座，疊加工單數(shù)據(jù)、資產(chǎn)數(shù)據(jù)等靜態(tài)信息以及設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、空間定位數(shù)據(jù)等動態(tài)信息開發(fā)了基于BIM 技術(shù)的車站智慧運(yùn)維平臺[13-15]。

該平臺包含設(shè)施設(shè)備管理、客運(yùn)管理、站務(wù)管理、乘務(wù)管理、人員管理、專項(xiàng)管理等功能模塊，覆蓋了車站各類的日常維護(hù)工作，如圖9 所示為設(shè)備管理和客運(yùn)管理界面。平臺分桌面端、網(wǎng)頁端和3 個移動端，桌面端服務(wù)于車控室人員，網(wǎng)頁端服務(wù)于運(yùn)營公司管理人員，移動端服務(wù)于站內(nèi)多職能巡視、委外單位維護(hù)維修人員以及全自動線路中的多職能列控人員。另外，平臺還接入了申通集團(tuán)的各個既有系統(tǒng)數(shù)據(jù)，做到了車站級的運(yùn)營信息一屏總覽、車站運(yùn)營工作多端聯(lián)動。

圖9 數(shù)字化運(yùn)維管理

5 結(jié)語

上海市軌道交通14 號線工程依托BIM 一體化技術(shù)路線和管理平臺，在工程建設(shè)的整個生命周期中擴(kuò)寬了BIM 應(yīng)用場景，增強(qiáng)了BIM 協(xié)作效果。

該技術(shù)路線解決了各參建方及相關(guān)方獨(dú)立運(yùn)作、信息孤島的問題，有效提高設(shè)計(jì)方案合理性和圖紙精度，助力施工協(xié)調(diào)和質(zhì)量管控，并為后期運(yùn)維提供詳盡的信息流與數(shù)字底座，形成一套以業(yè)主為主導(dǎo)，多方共同參與的基于BIM“一模多用”的設(shè)計(jì)施工運(yùn)維一體化管理模式，其可做為工程類項(xiàng)目數(shù)字化精細(xì)管理的探索方向。