戴慧麗

（上海城建市政工程（集團(tuán)）有限公司，上海市 200065）

基于BIM的軌道交通數(shù)字化施工集成管理研究

戴慧麗

（上海城建市政工程（集團(tuán)）有限公司，上海市 200065）

軌道交通施工過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，涉及進(jìn)度、質(zhì)量、安全等多維度信息，傳統(tǒng)管理模式下難滿足多維度信息的管理要求。針對(duì)隧道施工過(guò)程在傳統(tǒng)管理控制模式下遇到的問(wèn)題，提出了一種基于BIM的數(shù)字化施工集成管理方法，構(gòu)建了基于BIM的數(shù)字化施工管理平臺(tái)。最后，以上海軌道交通12號(hào)線11標(biāo)為應(yīng)用對(duì)象，通過(guò)系統(tǒng)的實(shí)施效果反映出集成管理的效果，進(jìn)而充分體現(xiàn)了基于BIM的地鐵施工過(guò)程集成管理的應(yīng)用價(jià)值和發(fā)展前景。

BIM；施工管理；數(shù)字化

0 引言

隨著信息技術(shù)在工程管理領(lǐng)域應(yīng)用的不斷拓展和建筑業(yè)科技水平的迅猛提高，國(guó)家對(duì)建筑行業(yè)安全標(biāo)準(zhǔn)和監(jiān)管力度的逐步加強(qiáng)，工程施工現(xiàn)場(chǎng)管理也要求達(dá)到信息化和標(biāo)準(zhǔn)化，打造“數(shù)字化工地”已成為施工現(xiàn)場(chǎng)信息化管理的新要求和新目標(biāo)，建立一套完整的數(shù)字化工地管理系統(tǒng)也成為未來(lái)的主流趨勢(shì)。住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部《2011～2015年建筑業(yè)信息化發(fā)展綱要》中提出:推進(jìn)BIM技術(shù)在施工階段的應(yīng)用，加快推廣4D項(xiàng)目管理技術(shù)在工程項(xiàng)目管理中的應(yīng)用?？梢?jiàn)，BIM作為一種新興數(shù)據(jù)化技術(shù)，已逐步受到建筑行業(yè)各方的認(rèn)可，發(fā)揮著越來(lái)越積極的作用[1]。

本項(xiàng)目基于現(xiàn)代物聯(lián)網(wǎng)、BIM等技術(shù)研究基于BIM的數(shù)字化施工集成管理系統(tǒng)，并在上海軌道交通12號(hào)線11標(biāo)工程上進(jìn)行了應(yīng)用。

1 研究現(xiàn)狀

城市軌道交通作為城市大型基礎(chǔ)設(shè)施，其建設(shè)與發(fā)展速度的正確決策，會(huì)對(duì)城市社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和交通的持續(xù)發(fā)展產(chǎn)生重要影響。城市軌道交通往往穿越城市繁華地區(qū)，商業(yè)、交通繁忙，地面建筑物眾多，其施工過(guò)程勢(shì)必會(huì)影響正常的城市交通，其在建設(shè)期間往往會(huì)加重城市交通擁堵?tīng)顩r，增加城市交通壓力，故按期完成城市軌道交通的建設(shè)尤為重要。然而現(xiàn)階段的城市軌道交通項(xiàng)目建設(shè)效率低、信息化程度低，而且由于城市軌道交通建設(shè)項(xiàng)目自身的特殊性，技術(shù)難度大、建設(shè)環(huán)境復(fù)雜、建設(shè)過(guò)程動(dòng)態(tài)變化等特點(diǎn)，給工程的進(jìn)度管理和控制帶來(lái)了巨大壓力，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)工期拖延的情況，對(duì)城市居民正常生活造成重大影響。

建筑信息模型 (Building Information Modeling，BIM)以三維數(shù)字技術(shù)為基礎(chǔ)，通過(guò)一個(gè)共同的標(biāo)準(zhǔn)，目前主要是 IFC(Industry Foundation Class)，集成了建設(shè)工程項(xiàng)目各種相關(guān)信息的工程數(shù)據(jù)模型。作為一項(xiàng)新的計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)，BIM從CAD擴(kuò)展到了更多的軟件程序領(lǐng)域，如工程造價(jià)、進(jìn)度安排，還蘊(yùn)藏著服務(wù)于設(shè)備管理等方面的潛能。BIM給建筑行業(yè)的軟件應(yīng)用增添了更多的智能工具，實(shí)現(xiàn)了更多的職能工序。設(shè)計(jì)師通過(guò)運(yùn)用新式工具，改變了以往方案設(shè)計(jì)的思維方式；承建方由于得到新型的圖紙信息，改變了傳統(tǒng)的操作流程；管理者則因使用統(tǒng)籌信息的新技術(shù)，改變其前前后后工作日程、人事安排等一系列任務(wù)的分配方法[2]。

在進(jìn)度管理方面，清華大學(xué)BIM課題組一直走在4D研究的最前沿。清華大學(xué)張建平教授上世紀(jì)九十年代開(kāi)始，一直致力于4D模型的理論和技術(shù)研究。課題組開(kāi)發(fā)的4D-GCPSU的促進(jìn)了4D施工模型的理論發(fā)展，填補(bǔ)了4D模擬施工領(lǐng)域的空白吸納了國(guó)際上先進(jìn)的施工模擬系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，在具備常規(guī)功能的基礎(chǔ)上還增加了更多的管理工具，適用范圍更加寬廣。通過(guò)WBS和信息交互等核心模塊的共同作用，建立了4D可視化平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)4D集成化施工管理。與國(guó)外同類(lèi)系統(tǒng)相比，它具有支持基于IFC標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)集成與交換、信息高度集成、預(yù)留升級(jí)空間用于4D++模型擴(kuò)展等優(yōu)勢(shì)，該4D施工管理系統(tǒng)的研發(fā)成功和實(shí)踐應(yīng)用在國(guó)內(nèi)是首次，完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)并達(dá)到了世界一流水準(zhǔn)。但是，該項(xiàng)成果局限于工程項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)施工進(jìn)度管理，沒(méi)有將其應(yīng)用范圍擴(kuò)展到全生命周期，從而無(wú)法盡早開(kāi)展對(duì)項(xiàng)目的可行性研究和早期規(guī)劃，是一個(gè)不小的遺憾。另外，該4D系統(tǒng)的三維模型只是對(duì)工程的不完全模擬，只包含基本信息，沒(méi)有存入其他相關(guān)工程信息，所以還不是嚴(yán)格標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字化模型。陳謙、齊鍵在分析了項(xiàng)目施工組織和4D模型相關(guān)理論的基礎(chǔ)上，詳細(xì)分析了4D模型的可視化模擬、信息共享與交互等功能對(duì)施工進(jìn)度產(chǎn)生的影響，他們認(rèn)為4D模型的應(yīng)用有利于工程目標(biāo)的管理和控制，提高勞動(dòng)效率丁杰從一體化的角度提出4D模型是設(shè)計(jì)與建造的一體化融合，分別使用CAD方法和BIM方法建立4D模型，并通過(guò)IDEFO驗(yàn)證了4D建模的實(shí)施過(guò)程[3]。牟銘詳細(xì)介紹并總結(jié)4D模型的研究成果，并結(jié)合Revit軟件提出了詳細(xì)具體的4D建模方案，使Revit平臺(tái)下的工程項(xiàng)目進(jìn)度管理得以實(shí)現(xiàn)，滿足建筑企業(yè)對(duì)信息一體化的渴望和追求[4]。4D模型的具體適用條件由丁衛(wèi)平首先提出，他構(gòu)造了“3D”+“時(shí)間維度”的4D模型，指出了模型的問(wèn)題并給出模型的優(yōu)化建議[5]。

在質(zhì)量安全方面，國(guó)內(nèi)一些學(xué)者對(duì)BIM的質(zhì)量控制也做了相關(guān)研究，探討了BIM技術(shù)在建設(shè)項(xiàng)目中的相關(guān)應(yīng)用及BIM技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)項(xiàng)目管理帶來(lái)的影響。張大鎮(zhèn)、饒紅旗、張?jiān)卵?、王彥哲[6]對(duì)二維與三維數(shù)字化質(zhì)量管控的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析比較，并合實(shí)踐介紹了三維信息化質(zhì)量管控的設(shè)計(jì)流程。郭秀平[7]對(duì)中吉大地公司的質(zhì)量管理業(yè)務(wù)流程現(xiàn)狀進(jìn)行了全面的診斷，闡述了工程生命周期各階段的業(yè)務(wù)流程。師征[8]建立了基于 BIM的工程項(xiàng)目管理流程，進(jìn)行了組織結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、人員職責(zé)設(shè)計(jì)，并通過(guò)三層的別墅小樓實(shí)例模擬驗(yàn)證了其可行性。李亞?wèn)|、郎灝川、吳天華[9]認(rèn)為項(xiàng)目各參與方用BIM技術(shù)進(jìn)行質(zhì)量管理會(huì)更方便高效，指出了基于BIM的質(zhì)量管理的關(guān)鍵數(shù)據(jù)處理和實(shí)施要點(diǎn)，最后結(jié)合上海中心實(shí)例進(jìn)行闡述。應(yīng)宇墾、王婷[10]指出 BIM的應(yīng)用對(duì)現(xiàn)有的工程項(xiàng)目流程有所影響，評(píng)價(jià)一個(gè)工程的項(xiàng)目管理如何，首先分析其組織和流程，應(yīng)以傳統(tǒng)流程占主，BIM流程為輔，對(duì)現(xiàn)有的流程進(jìn)行優(yōu)化。肖夢(mèng)琪、莫世聰、熊峰、董娜[11]從目前施工質(zhì)量控制體系的缺陷出發(fā)，提出了基于BIM的清單式質(zhì)量控制方法。李勇、郄恩田、郭陽(yáng)[12]主要在三維模型展示工序流程、管件的碰撞檢查、二維出圖以及參數(shù)化設(shè)置、高集成化方便信息查詢(xún)和搜集，四個(gè)方面闡述BIM的質(zhì)量管理。田云峰、祝連波[13]利用三維激光掃描采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)和BIM模型的對(duì)接，分析了基于三維激光掃描和BIM模型在橋梁質(zhì)量管理中的可行性和必然性，最后以中心灘黃河大橋?yàn)槔U述了基于三維激光掃描和BIM模型在橋梁施工階段質(zhì)量管理。劉志平、李慧良、彭永文[14]從產(chǎn)品質(zhì)量管理和技術(shù)質(zhì)量管理兩個(gè)方面分析了BIM技術(shù)在工程質(zhì)量管理中的具體應(yīng)用。

本文從軌道交通施工數(shù)字化管理各個(gè)角度出發(fā)，構(gòu)建基于BIM的數(shù)字化施工集成管理系統(tǒng)。在質(zhì)量上，實(shí)現(xiàn)對(duì)隧道施工現(xiàn)場(chǎng)所有材料、設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控，使得質(zhì)量管控人員能智能的追溯、追蹤質(zhì)量上出現(xiàn)的任何問(wèn)題；在安全方面，實(shí)現(xiàn)對(duì)隧道施工現(xiàn)場(chǎng)一些出現(xiàn)危險(xiǎn)源的地方能第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)危險(xiǎn)狀況，能第一時(shí)間對(duì)施工人員采取出相應(yīng)安全保護(hù)措施，提前讓施工人員對(duì)這些風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行有效的防護(hù)措施；在項(xiàng)目質(zhì)量管理上，實(shí)現(xiàn)整個(gè)施工過(guò)程的所有材料、設(shè)備、人員、進(jìn)度、質(zhì)量監(jiān)控動(dòng)態(tài)化、項(xiàng)目管理的協(xié)同化和項(xiàng)目信息展現(xiàn)的多樣化。

2 基于BIM的數(shù)字化施工集成管理框架

基于BIM的數(shù)字化施工集成管理系統(tǒng)基于現(xiàn)代物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、BIM技術(shù)、信息技術(shù)等，面向軌道交通施工的信息管理需求，實(shí)現(xiàn)工程質(zhì)量、安全、物資的實(shí)時(shí)管理，增強(qiáng)工程質(zhì)量、安全、物資管理的可追溯性，實(shí)時(shí)掌控項(xiàng)目工料機(jī)計(jì)劃及實(shí)際耗用分析，強(qiáng)調(diào)多子系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)校驗(yàn)分析，項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)節(jié)點(diǎn)及時(shí)發(fā)現(xiàn)及預(yù)警，項(xiàng)目運(yùn)行綜合數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程智能展現(xiàn)。

2.1 系統(tǒng)總體機(jī)構(gòu)

整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。其主要包括數(shù)字化安全管理系統(tǒng)（門(mén)禁管理子系統(tǒng)，視頻管理子系統(tǒng)，人員定位子系統(tǒng)）、數(shù)字化管片管理系統(tǒng)、數(shù)字化物資管理系統(tǒng)和BIM集成管理系統(tǒng)。

其中數(shù)字化安全管理系統(tǒng)是將傳統(tǒng)門(mén)禁系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)合數(shù)字化RFID人員定位考勤系統(tǒng)形成的數(shù)字化管理平臺(tái)。數(shù)字化管片芯片主要是對(duì)盾構(gòu)施工信息的實(shí)時(shí)輸入及整理、歷史數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)及分析控制，本工程的數(shù)字化質(zhì)量管理主要是通過(guò)安裝在管片上的芯片，將動(dòng)態(tài)施工信息、質(zhì)量信息錄入芯片中，通過(guò)在控制終端將施工參數(shù)動(dòng)態(tài)輸入，可以時(shí)刻確保動(dòng)態(tài)信息反饋和控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)盾構(gòu)施工信息的即時(shí)控制。物資管理系統(tǒng)主要包含材料管理系統(tǒng)及設(shè)備管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)材料進(jìn)出場(chǎng)管理、材料使用管理、材料的質(zhì)量管理，設(shè)備進(jìn)出場(chǎng)管理、設(shè)備維護(hù)管理、設(shè)備檢查。BIM集成管理系統(tǒng)自動(dòng)將采集到的數(shù)據(jù)與BIM模型集成，通過(guò)BIM模型，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)監(jiān)控施工進(jìn)度、施工質(zhì)量、人員安全，完成風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)、評(píng)估、預(yù)警和控制。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

2.2 數(shù)字化安全管理系統(tǒng)

該系統(tǒng)（見(jiàn)圖2）主要實(shí)現(xiàn)工程施工安全管理信息化，工程施工安全追溯性，實(shí)時(shí)掌握施工安全動(dòng)態(tài)，施工風(fēng)險(xiǎn)源動(dòng)態(tài)控制目標(biāo)。通過(guò)在安全帽上安裝RFID射頻芯片，通過(guò)固定位置讀頭讀取RFID芯片信息確定佩戴安全帽的人員位置。讀頭將信息通過(guò)無(wú)線傳輸逐級(jí)傳遞到中央監(jiān)控室中，動(dòng)態(tài)跟蹤人員軌跡。

圖2 系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2.3 數(shù)字化管片系統(tǒng)

該系統(tǒng)（見(jiàn)圖3）通過(guò)將電子芯片固定在區(qū)間隧道管片內(nèi)，以環(huán)為單位。施工人員現(xiàn)場(chǎng)手持機(jī)終端掃描芯片后進(jìn)行信息輸入，內(nèi)容包括環(huán)號(hào)、管片型號(hào)、施工日期、管片合格證信息、施工人員信息、整圓度及注漿量等，手持機(jī)信息輸入后與監(jiān)控中心的PC機(jī)終端進(jìn)行同步處理，所有信息都可以在后臺(tái)進(jìn)行分析處理，形成統(tǒng)計(jì)分析。

圖3 數(shù)字化管片系統(tǒng)架構(gòu)圖

2.4 數(shù)字化管片系統(tǒng)

物資管理系統(tǒng)（見(jiàn)圖4）實(shí)現(xiàn)方式與管片系統(tǒng)類(lèi)似，將芯片固定在材料及設(shè)備上，通過(guò)手持機(jī)對(duì)材料及設(shè)備進(jìn)行檢查及記錄實(shí)現(xiàn)物資管理數(shù)字化。

圖4 數(shù)字化物資系統(tǒng)使用流程

2.5 BIM集成管理系統(tǒng)

該系統(tǒng)（見(jiàn)圖5）部署在施工現(xiàn)場(chǎng)，工地端的人員追蹤系統(tǒng)、管片管理系統(tǒng)、盾構(gòu)推進(jìn)系統(tǒng)，通過(guò)各自的數(shù)據(jù)采集設(shè)備，自動(dòng)將井下與井上采集到的數(shù)據(jù)傳遞到工地端的核心數(shù)據(jù)庫(kù)，數(shù)字化盾構(gòu)隧道施工系統(tǒng)工程平臺(tái)通過(guò)BIM模型，動(dòng)態(tài)監(jiān)控施工進(jìn)度、施工質(zhì)量、人員安全，完成風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)，評(píng)估，預(yù)警和控制。當(dāng)風(fēng)險(xiǎn)大于預(yù)警線時(shí)，系統(tǒng)會(huì)將預(yù)警通過(guò)BIM模型呈現(xiàn)給用戶。用戶通過(guò)模型在線預(yù)警數(shù)據(jù)，詳細(xì)了解風(fēng)險(xiǎn)形成的過(guò)程，進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)一步分析，制定解決方案。

圖5 數(shù)字化盾構(gòu)隧道施工系統(tǒng)工程平臺(tái)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

3 工程應(yīng)用

系統(tǒng)以上海軌道交通12號(hào)線11標(biāo)工程為應(yīng)用對(duì)象，該項(xiàng)目地處徐匯區(qū)濱江開(kāi)發(fā)區(qū)，主要包括龍華站～浦江南浦站區(qū)間隧道和浦江南浦站～大木橋路站區(qū)間隧道推進(jìn)工程及旁通道2座、泵站1座。其中龍華站～浦江南浦站區(qū)間隧道長(zhǎng)1 021 m，浦江南浦站～大木橋路站區(qū)間隧道長(zhǎng)1 220 m，隧道頂埋深16.31～23.66 m，區(qū)間最小轉(zhuǎn)彎半徑380 m。本工程通過(guò)基于BIM的隧道施工過(guò)程管理系統(tǒng)的建設(shè)和應(yīng)用，在對(duì)隧道整體施工質(zhì)量及安全風(fēng)險(xiǎn)防范上取得了良好效果，同時(shí)也進(jìn)一步提高了管理人員的責(zé)任心以及作業(yè)人員的安全意識(shí)（見(jiàn)圖6～圖9）。

圖6 數(shù)字化安全管理系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

圖7 數(shù)字化管片系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

圖8 數(shù)字化物資管理系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

圖9 BIM集成管理系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

4 結(jié)論

基于BIM的數(shù)字化施工集成管理系統(tǒng)在上海軌道交通12號(hào)線11標(biāo)的應(yīng)用取得了初步的成功，但該系統(tǒng)僅僅覆蓋了施工管理工作，未來(lái)該系統(tǒng)可以在現(xiàn)有數(shù)字化管理系統(tǒng)基礎(chǔ)上向混凝土預(yù)制件、PC建筑、地下開(kāi)發(fā)等領(lǐng)域進(jìn)行拓展。計(jì)劃將現(xiàn)有“數(shù)字化管片管理系統(tǒng)”向前延伸至“隧道BIM模型建立”“管片生產(chǎn)管理系統(tǒng)”，向后將施工中的信息移交運(yùn)營(yíng)，為隧道后期維護(hù)管理提供便利，實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)隧道全生命周期管理。

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U455

B

1009-7716（2017）04-0168-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.04.050

2017-02-13

戴慧麗（1983-），女，上海人，工程師，從事市政工程建筑管理工作。