寧新穩(wěn),朱　慶,任曉春,韓祖杰,王　華,趙　文,張　恒

(1.西南交通大學(xué)地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院,四川 成都 611756; 2.中國鐵路設(shè)計集團有限公司,天津 300251; 3.中國鐵路設(shè)計集團有限公司軌道交通工程信息化國家重點實驗室,陜西 西安 710000)

在工程建設(shè)管理中,施工進度數(shù)據(jù)是管理者進行進度控制的基本依據(jù),如何快速、準確、有效采集進度數(shù)據(jù)對工程進度管理至關(guān)重要,國際公認施工現(xiàn)場管理人員需要耗費工作時間的30%～49%用于進度數(shù)據(jù)的收集與分析[1].美國建筑業(yè)協(xié)會(The Construction Industry Institute)的研究結(jié)果表明,一個典型的建設(shè)項目大約有1%的成本花費在施工進度管理上[2].因此,研究施工進度數(shù)據(jù)采集方法不僅能夠有效縮短項目工期,而且有利于對工程進度的準確把握.

長期以來,鐵路工程施工進度管理主要采用手工記錄的方式,通過電子表格將數(shù)據(jù)進行匯總,基于表格計算從而生成進度報告[3-4].這種方法由于采用手工的方式對數(shù)據(jù)進行采集和整理,因此需要花費項目管理人員大量的時間,十分不利于對高鐵工程施工進度的整體掌握.此外,手工記錄方式還存在數(shù)據(jù)標準化低、現(xiàn)勢性差、數(shù)據(jù)粒度粗等缺點[5-6].雖然有攝影測量、三維激光掃描、無線射頻識別RFID (radio frequency identification)等技術(shù)應(yīng)用于項目施工進度的自動化監(jiān)測[7-12],但由于進度粒度要求較細,掃描、錄入工作量大,對建筑構(gòu)件檢索和識別的過程復(fù)雜、自動化程度較低,致使其應(yīng)用局限性較大[13-15].

本文介紹了一種面向高速鐵路建設(shè)管理的施工進度數(shù)據(jù)圖形化處理方法.

首先,對鐵路場景中的BIM模型按照工點工程進行分解,對路基、橋梁、隧道等專業(yè)的工程結(jié)構(gòu)從邏輯層、物理層、施工管理方法等方面進行全面分解;其次,設(shè)計一種參數(shù)自動提取方法,對每個工點的設(shè)計參數(shù)進行逐步提取;然后,基于富互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用(rich internet application， RIA)和Web GIS等技術(shù)實現(xiàn)圖形化的施工進度數(shù)據(jù)填報;最后,以陽大鐵路為例,介紹了本文方法的應(yīng)用,實現(xiàn)圖形化的施工進度數(shù)據(jù)采集與進度報表的自動輸出,并通過工點BIM模型對施工進度信息進行集成與共享,從而在3DGIS平臺中進行三維形象進度管理與展示.

1　施工進度數(shù)據(jù)圖形化處理原理

整個系統(tǒng)框架由數(shù)據(jù)層、服務(wù)層和應(yīng)用層組成,如圖1所示.施工進度數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)首先要考慮滿足實際工程進度管理的需要,在保障數(shù)據(jù)采集的準確性、實時性等前提下,盡量減少數(shù)據(jù)采集的復(fù)雜程度和工作量,同時采集的數(shù)據(jù)必須能夠滿足BIM模型管理應(yīng)用需求,為后續(xù)BIM應(yīng)用提供基礎(chǔ)進度數(shù)據(jù).施工進度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)作為鐵路工程建設(shè)管理平臺中的子系統(tǒng),能與其它子系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)共享和交換.

圖1　進度數(shù)據(jù)圖形化處理原理Fig.1　Structure of progress data graphical processing principle

數(shù)據(jù)層:存儲系統(tǒng)所涉及到的所有空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)主要包括三維基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)、模型數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)等.以BIM模型為信息載體,關(guān)聯(lián)屬性數(shù)據(jù)、進度數(shù)據(jù)和其它業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)構(gòu)建鐵路信息模型RIM (railway information model).三維基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)主要是指影像數(shù)據(jù)、高程數(shù)據(jù)和矢量數(shù)據(jù),采用空間數(shù)據(jù)庫引擎ArcSDE和大型關(guān)系數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)Oracle實現(xiàn)對海量數(shù)據(jù)的組織、存儲和管理.

服務(wù)層:提供工點二維矢量圖服務(wù)和三維地形服務(wù).采用Openlayers提供的接口實現(xiàn)路基、橋梁、隧道二維矢量圖發(fā)布.利用TerraGate在線發(fā)布三維地形服務(wù),基于網(wǎng)絡(luò)無縫可變帶寬技術(shù)實時傳送三維地理數(shù)據(jù),當初始影像以低分辨率被用戶所接收,用戶就能夠開始進行三維顯示,而不用等到所有的數(shù)據(jù)集都傳輸完畢.

應(yīng)用層:采用B/S(瀏覽器/服務(wù)器)結(jié)構(gòu),方便系統(tǒng)部署、使用和維護.系統(tǒng)融合了業(yè)主、承包單位、施工單位和監(jiān)理單位等參建各方,實現(xiàn)進度填報、進度審核、報表輸出、三維形象進度展示等功能,用戶可通過電腦、手機等移動終端上的瀏覽器使用系統(tǒng),可在施工現(xiàn)場填報、審核數(shù)據(jù),也可回辦公室用電腦處理.

2　施工進度數(shù)據(jù)圖形化處理關(guān)鍵技術(shù)

2.1　基于BIM模型的工點工程分解

系統(tǒng)填報的進度數(shù)據(jù)需要滿足BIM管理應(yīng)用需求,能夠驅(qū)動BIM模型進行三維進度管理與顯示,同時也是工程BIM模型信息的重要組成部分.在綜合考慮BIM模型粒度、項目管理需求、用戶工作量、系統(tǒng)效率等因素的基礎(chǔ)上,對路基、橋梁、隧道等專業(yè)的工程結(jié)構(gòu)從邏輯層、物理層、施工管理方法等方面進行分解.

2.2　工點設(shè)計參數(shù)自動提取

工點設(shè)計參數(shù)可以從二維施工圖中自動提取,也可以從BIM模型中導(dǎo)出,Catia、Revit等BIM建模軟件都提供了模型參數(shù)導(dǎo)出功能.設(shè)計圖紙參數(shù)自動提取技術(shù)是在AutoCAD平臺下進行二次開發(fā),依據(jù)橋梁、路基、隧道專業(yè)設(shè)計圖紙規(guī)范建立讀圖規(guī)則,依據(jù)定義的讀圖規(guī)則進行解譯,主要是以圖層、顏色、線型等為依據(jù),對實體CAD圖形如梁、墩身、路基橫斷面、隧道縱斷面等進行圖形數(shù)據(jù)的提取,首先獲取里程注記值和每個截面的軸線位置,以軸線為中心獲取構(gòu)件多段線、截面結(jié)構(gòu)頂點參數(shù),依據(jù)語義約束規(guī)則、空間位置約束規(guī)則等對數(shù)據(jù)進行檢查、處理,錄入數(shù)據(jù)庫中,如圖2所示.

圖2　設(shè)計圖紙參數(shù)自動提取流程Fig.2　Flow chart of design drawing parameters automatic extraction

2.3　基于RIA的Web GIS圖形化填報

Openlayers是一個專門為Web GIS客戶端開發(fā)提供的Javascript類庫,是一種輕量級的開源Web GIS框架,支持多種地圖格式,Web頁面能實現(xiàn)頁面的無刷新動態(tài)實時更新,能方便地將空間信息和非空間信息進行集成管理,非常適合于小范圍、小尺度下的地理信息發(fā)布與應(yīng)用.

在進行森林保護工作的過程中，林地保護人員的工作是非常重要的。但由于林區(qū)面積大，工作人員分配的等問題，容易造成部分林區(qū)的管理存在缺失，再加上部分林區(qū)管理規(guī)范不完善，林區(qū)工作人員工作不認真，導(dǎo)致森林保護工作沒有落到實處。這樣就給我國森林保護工作造成了很大的阻礙。因此，森林保護的人員管理問題就是影響我國森林保護工作的一個重要因素，需要盡快的加大對林區(qū)工作人員的素質(zhì)培訓(xùn)。

RIA技術(shù)能充分利用客戶端的計算資源平衡客戶端與服務(wù)端的計算負載,減輕服務(wù)器的壓力,數(shù)據(jù)被緩存在客戶端,從而可以實現(xiàn)一個比基于HTML (hypertext markup language)的響應(yīng)速度更快且數(shù)據(jù)往返于服務(wù)器的次數(shù)更少的用戶界面.RIA給用戶帶來更豐富、更具有交互性和響應(yīng)性的全新體驗,是一種全新的Web應(yīng)用解決方案.

系統(tǒng)利用Bootstrap富客戶端+Openlayers構(gòu)建Web GIS服務(wù),利用工點參數(shù)和進度數(shù)據(jù)在線生成二維矢量圖,開發(fā)圖形化進度查詢、填報、審核等功能,如圖3所示.

圖3　Bootstrap+Openlayers系統(tǒng)架構(gòu)圖Fig.3　Bootstrap+Openlayers system architecture diagram

3　試驗與分析

3.1　案例區(qū)域介紹

本文選擇陽大鐵路為典型案例區(qū)域,并開展相關(guān)的試驗與分析.陽大鐵路位于山西省陽泉市及晉中市,途經(jīng)陽泉市盂縣、郊區(qū)、平定縣及晉中市昔陽縣,是一條客、貨共線的地方鐵路.全線新建線路約44.771 km,其中:橋梁19座,隧道9座,全線橋隧比50%.項目采取EPC (engineering procurement construction)總承包的建設(shè)模式,計劃總投資40多億元,是迄今國內(nèi)鐵路行業(yè)按工程總承包模式建設(shè)投資額最大的工程項目,計劃建設(shè)工期3 a.基于陽大鐵路的復(fù)雜性,全線引進BIM技術(shù)開展應(yīng)用研究,是國內(nèi)第一條全線開展BIM試驗應(yīng)用的線路.

3.2　工點工程分解

基于BIM模型,本文采用面向?qū)ο蟮姆绞阶陨隙聦c進行工程分解,以便針對每一個工點自動提取工程設(shè)計的參數(shù),主要包括橋梁、隧道、路基等3類工點的分解.其中,橋梁工點分為樁基、承臺、墩身、梁段、梁塊等構(gòu)件,樁基、承臺、梁段、梁塊不再細分,墩身按高度進行分解；隧道工點分為明洞、洞門、初支、仰拱、襯砌、斜井、洞室、側(cè)溝等構(gòu)件,初支、仰拱、襯砌按工作面進行劃分；路基工點分為路基本體和附屬設(shè)施,路基本體分為混凝土基床、基底處理、級配碎石、填方等,附屬設(shè)施按左右側(cè)分為邊坡防護、防護柵欄、電纜槽、排水溝、接觸網(wǎng)支柱等.

以隧道模型為例,其分解結(jié)果如圖4所示.

圖4　隧道模型的工點工程分解Fig.4　Engineering breakdown structure of tunnel model

3.3　設(shè)計參數(shù)提取與矢量圖顯示

工點工程分解確定了參數(shù)提取的基本單元與粒度,在此基礎(chǔ)之上,利用設(shè)計參數(shù)自動提取技術(shù)提取路基、橋梁、隧道等設(shè)計參數(shù),建立基礎(chǔ)參數(shù)數(shù)據(jù)庫.選擇某個工點,從基礎(chǔ)參數(shù)數(shù)據(jù)庫中獲取工點參數(shù),進度數(shù)據(jù)庫中獲取工點進度數(shù)據(jù),利用Openlayers提供的組件和接口實現(xiàn)工點矢量圖的快速繪制、渲染、漫游等功能,點擊矢量要素可查詢構(gòu)件基本參數(shù)信息和進度信息,對工點參數(shù)信息、進度信息、審核信息、注記等進行分層顯示和控制,用不同的顏色進行渲染.圖5為某橋梁二維矢量圖，圖中：藍色表示已完成的進度信息；灰色表示未完成的進度信息.

圖5　橋梁二維矢量圖Fig.5　Bridge two-dimensional vector figure

3.4　圖形化進度填報與審核

施工單位信息錄入人員選擇某個工點,在生成的二維矢量圖上選擇相應(yīng)的要素填寫進度信息,已完成的要素不能選擇再進行填報,填報完成后提交給監(jiān)理單位人員進行審核.

在圖形化進度填報的過程中,可以分別填報橋梁、路基與隧道等工點工程的進度信息.以橋梁工點的進度填報為例,橋梁工點樁基、承臺、梁段、梁塊進度用完成和未完成兩種狀態(tài)表示,墩身進度輸入實際完成高度.

在進行圖形化填報的基礎(chǔ)之上,監(jiān)理單位人員可以對進度數(shù)據(jù)進行審核,需要審核的要素高亮顯示,點擊要素查看進度信息,對不合格的數(shù)據(jù)進行標記,退回給施工單位人員修改,全部通過后錄入進度數(shù)據(jù)庫,數(shù)據(jù)鎖死不能再修改.

3.5　施工進度數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)應(yīng)用

陽大鐵路采用本系統(tǒng)進行進度數(shù)據(jù)采集與管理,用戶單位包括工程承包單位陽大項目部、7個施工單位、2個監(jiān)理單位和業(yè)主陽大公司,每個單位用戶分配不同的權(quán)限,施工單位有進度填報權(quán)限,監(jiān)理單位有審核權(quán)限,每個施工單位只能查看和填報自己標段范圍內(nèi)的工點進度,項目部有進度統(tǒng)計分析權(quán)限.系統(tǒng)自陽大項目開工以來,各項功能運轉(zhuǎn)正常,各標段施工進度數(shù)據(jù)按照要求及時上傳,監(jiān)理單位對數(shù)據(jù)質(zhì)量嚴格把關(guān),項目部通過系統(tǒng)把控工程進度,進度報表作為周例會和月例會的重要內(nèi)容,節(jié)省了大量的統(tǒng)計分析工作量,各參建單位借助系統(tǒng)都能較好地完成工作,系統(tǒng)對保障陽大鐵路工程進度發(fā)揮了積極作用.表1為使用本系統(tǒng)前后各參建單位進度統(tǒng)計效率對比.

表1　使用本系統(tǒng)前后各單位進度統(tǒng)計效率對比Tab.1　Efficiency comparison of progress data statistics

施工進度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以在三維環(huán)境中對施工進度加以形象展示,又可以進行施工進度的輸出與預(yù)警.

(1) 三維形象進度展示與管理

將BIM模型導(dǎo)入到三維平臺中進行管理和應(yīng)用,利用進度數(shù)據(jù)驅(qū)動工點BIM模型進行三維進度展示,用不同的顏色表示進度完成情況,圖6為橋梁三維進度展示.

圖6　橋梁三維形象進度圖Fig.6　Three-dimensional visualization of bridge schedule

圖6中,綠色表示實際完成進度,紅色表示實際進度落后于計劃進度,藍色表示實際進度比計劃進度超前,灰色表示未完成.

(2) 進度輸出與進度預(yù)警

從進度數(shù)據(jù)庫中提取數(shù)據(jù),進行統(tǒng)計分析,能夠提取開累、日、周、月、年分部、分項、分專業(yè)工程進度數(shù)據(jù),生成進度統(tǒng)計報表.對實際進度與計劃進度進行對比分析,根據(jù)填報的歷史進度數(shù)據(jù),建立分部分項工程進度速率模型,計算出超前或滯后工天,設(shè)立預(yù)警等級,進行進度預(yù)警.

4　結(jié)束語

本文針對傳統(tǒng)鐵路施工進度多專業(yè)協(xié)同管理的關(guān)鍵問題,集成網(wǎng)絡(luò)GIS技術(shù)和BIM技術(shù),提出了一種圖形化的施工進度數(shù)據(jù)處理方法，并自主研制了實用系統(tǒng),具有以下主要特點:(1) 通過對BIM模型進行工點工程分解,自動提取工點參數(shù),實現(xiàn)了施工進度數(shù)據(jù)的圖形化處理;(2) 數(shù)據(jù)標準化程度高,大大減少用戶輸入與多種類型數(shù)據(jù)的復(fù)雜統(tǒng)計工作量,并自動生成各種統(tǒng)計報表,大幅提高施工進度數(shù)據(jù)采集與應(yīng)用效率;(3) 繁雜的施工進度數(shù)據(jù)經(jīng)過圖形化處理，并在3D GIS環(huán)境中進行多維動態(tài)的可視化表達,形象直觀,滿足了工程承包、施工、監(jiān)理和業(yè)主等單位對高鐵建設(shè)進行協(xié)同管理的需要.

致謝:軌道交通工程信息化國家重點實驗室開放基金(SKLK16-02)

參考文獻:

[1]MCCULLOCH B.Automating field data collection in construction organizations[C]∥Construction Congress Ⅴ:Managing Engineered Construction in Expanding Global Markets.Minneapolis： The American Society of Civil Engineers (ASCE),1997:957-963.

[2]JASELSKIS E,EL-MISALAMI T.Radio frequency identification application for constructors[C]∥The International Symposium on Automation and Robotics in Construction and Mining.Taipei： The International Association for Automation and Robotics in Construction (IAARC),2000:1-4.

[3]王富慶.鐵路建設(shè)項目進度管理信息系統(tǒng)研究[D].北京:北京交通大學(xué),2007.

[4]閆素旺.沙巴州更新改造鐵路工程施工方法及進度管理研究[D].成都:西南交通大學(xué),2012.

[5]張樹艷，尹遜霄，孫美，等.鐵路建設(shè)項目進度管理方法研究[J].鐵路計算機應(yīng)用,2014，23(10):42-46.

ZHANG Shuyan,YIN Xunxiao,SUN Mei,et al.Method of schedule management for railway projects[J].Railway Computer Application,2014,23(10):42-46.

[6]徐欣.鐵路工程項目進度管理系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究[D].石家莊：石家莊鐵道大學(xué),2013.

[7]LEUNG S W,MAK S,LEE B L P.Using a real-time integrated communication system to monitor the progress and quality of construction works[J].Automation in Construction,2008,17(6):749-757.

[8]CHIN S,YOON S,CHOI C,et al.RFID+4 D CAD for progress management of structural steel works in high-rise buildings[J].Journal of Computing in Civil Engineering,2008,22(2):74-89.

[9]El-OMARI S,MOSELHI O.Integrating 3D laser scanning and photogrammetry for progress measurement of construction work[J].Automation in Construction,2009,18(1):1-9.

[10]BOSCHE F,HAAS C T,AKINCI B.Automated recognition of 3D CAD objects in site laser scans for project 3D status visualization and performance control[J].Journal of Computing in Civil Engineering,2009,23(6):311-318.

[11]GOLPARVAR-FARD M,BOHN J,TEIZER J,et al.Evaluation of image-based modeling and laser scanning accuracy for emerging automated performance monitoring techniques[J].Automation in Construction,2011,20(8):1143-1155.

[12]SARDROUD J M.Influence of RFID technology on automated management of construction materials and components[J].Scientia Iranica,2012,19(3):381-392.

[13]張康照.基于BIM實時模型的施工進度監(jiān)測系統(tǒng)研究[D].天津:天津大學(xué),2012.

[14]ZHU Z,BRILAKIS I.Comparison of optical sensor-based spatial data collection techniques for civil infrastructure modeling[J].Journal of Computing in Civil Engineering,2009,23(3):170-177.

[15]El-OMARI S,MOSELHI O.Integrating automated data acquisition technologies for progress reporting of construction projects[J].Automation in Construction,2011,20(6):699-705.