孟 柯

(上海市隧道工程軌道交通設計研究院，上海 200235)

引言

自從住建部于2016年發(fā)布《關于推進建筑信息模型應用的指導意見》和《2016～2020年建筑業(yè)信息化發(fā)展綱要》以來，越來越多關于BIM的推進政策、規(guī)范標準陸續(xù)推出，BIM技術應用從試點示范逐步向全國各城市的房建、市政、基礎設施等工程中推廣開來，正逐步實現(xiàn)全國范圍內工程建設的普及應用。在城市軌道交通行業(yè)，BIM技術的應用也正在逐步普及推廣[1-2]。在各地城市軌道交通建設單位的主導下，BIM應用已從早期的試點應用，逐步延展到全線全網(wǎng)全過程應用。

上海申通地鐵集團自2012年起就開始在部分地鐵建設項目中試點應用BIM技術，從2014年起，進一步要求新建線路全線全面應用BIM技術。上海軌道交通17號線正是第一批全線全生命期應用BIM技術的線路。本項目全面貫徹了上海申通地鐵集團的企業(yè)級BIM標準體系，落實各階段各項BIM應用要求，同時結合項目自身特點，進一步對BIM模型和信息的應用進行探索和創(chuàng)新。項目中形成的各類實施導則和管理辦法、完整的數(shù)字資產(chǎn)、信息化管理平臺以及實施經(jīng)驗，都值得后續(xù)類似項目借鑒采用。

本項目BIM應用的主要創(chuàng)新點包括：

(1)全線全專業(yè)竣工模型及包含完整建設信息的數(shù)字資產(chǎn)交付；

(2)三維管線綜合設計及BIM模型出圖；

(3)統(tǒng)一編碼實現(xiàn)數(shù)字資產(chǎn)與實物資產(chǎn)對應，設備運行狀態(tài)實時監(jiān)測；

(4)基于BIM的車站智能運維管理平臺開發(fā)與應用。

1 項目概況

1.1 工程概況

上海市軌道交通17號線是一條貫穿于青浦區(qū)東西向的區(qū)域級軌道交通線，西起歷史文化古鎮(zhèn)朱家角鎮(zhèn)(東方綠舟)，東至上海市規(guī)劃的重要交通樞紐—虹橋樞紐。線路全長約為35.341km，采用高架和地下結合的敷設方式，沿線共設置車站13座。

在上海市軌道交通17號線建設項目啟動之初，就確定了在設計、施工、運維全過程中應用BIM技術的目標，實現(xiàn)基于BIM技術的城市軌道交通全生命期信息管理，優(yōu)化設計方案和設計成果，控制施工進度，減少工期，降低成本投入，提高設計質量和施工管理水平，保障工程項目的順利完成，同時在運維階段通過BIM應用提高運維管理水平。

本項目BIM應用已被列入上海市市政公路行業(yè)協(xié)會優(yōu)秀試點項目和上海建筑信息模型技術應用推廣中心試點項目[3]，并獲得第九屆“創(chuàng)新杯”建筑信息模型(BIM)應用大賽工程全生命周期BIM應用第一名和上海市首屆BIM技術應用創(chuàng)新大賽最佳項目獎。

1.2 BIM應用組織模式

本項目BIM技術應用采用業(yè)主方為主導，委托BIM總體管理方全過程管理，各參建方實施的組織模式，如圖1所示。各階段各參建方各司其職，共同完成建設全生命期的BIM建模與應用工作，推進本項目BIM技術的深入應用。其中，BIM總體管理方是由業(yè)主方聘請的專業(yè)咨詢團隊，主要負責本項目BIM標準和制度的制定、BIM工作進度和質量的管控、相關科研和管理平臺開發(fā)、竣工模型審核交付等工作。由于該項目啟動之時，國內的BIM發(fā)展水平處于起步階段，各參建方的BIM實施能力參差不齊，對于BIM實施能力較弱，無法達到BIM總體管理單位要求的參建方，可聘請專業(yè)的BIM咨詢單位，合作完成相應的BIM工作。

圖1 BIM應用組織模式

1.3 總體策劃與統(tǒng)一標準

在項目前期準備階段，業(yè)主方和BIM總體管理方共同規(guī)劃確定了本項目BIM應用的總體目標和實施計劃，確定了各階段BIM模型的深度和精度要求、各階段BIM應用成果的要求及最終竣工交付要求。

上海申通地鐵集團于2014年和2016年正式發(fā)布了7本企業(yè)級BIM標準，并要求在上海軌道交通在建和新建工程建設中全面貫徹應用。本項目的BIM總體管理方在全面貫徹集團BIM標準的基礎上，結合17號線工程建設特點，將BIM標準與實際應用相結合，編制了針對17號線項目的BIM應用實施導則、重要應用點的技術要求、各專業(yè)的模型交付要求、竣工模型復核和交付要求等技術指導文件，進一步推進了BIM應用落實，統(tǒng)一各方成果質量要求，提高模型傳遞共享的效率和準確性。

2 全線數(shù)字資產(chǎn)建設與交付

2.1 設施設備編碼

為了統(tǒng)一規(guī)范上海城市軌道交通設施設備信息模型的創(chuàng)建、交換、傳遞和共享，深度挖掘BIM模型在軌道交通項目建設管理、資產(chǎn)管理和運營維護管理的價值，上海申通地鐵集團編制了《城市軌道交通建筑信息模型應用系列標準》[4]。本項目BIM模型創(chuàng)建、傳遞和使用中，全面按照《城市軌道交通建筑信息模型應用系列標準》中的《城市軌道交通設施設備分類與編碼標準》，對所有構件和設備進行了分類編碼，以滿足資產(chǎn)管理的需求為主，同時兼顧運維管理及物資管理。

在對模型構件和設備編碼的同時，對相對應的實物進行張貼標簽，標簽內容包含：二維碼標識、設施設備權屬單位名稱、設施設備編碼、設施設備型號、設施設備名稱、設施設備所在位置、交付運營時間，如圖2所示。通過設備唯一的編碼，將模型中的虛擬設施設備和實體設施設備一對一準確對應，通過統(tǒng)一編碼，實現(xiàn)設備模型與設備狀態(tài)信息的映射關系，每臺設備與運行狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)關聯(lián)，為后續(xù)運營階段，從設備監(jiān)控系統(tǒng)中讀取和傳輸設備運行狀態(tài)信息打下基礎。

圖3 設備產(chǎn)品族

2.2 設備產(chǎn)品族

圖4 設備產(chǎn)品族模型拆分至最小可維護單元

17號線項目在機電設備招標時，就已將對設備供應商的BIM實施要求列入招標文件中，并在后續(xù)合同中，明確規(guī)定了設備供應商的BIM工作內容和技術要求。待各機電設備完成招標后，BIM總體管理方與設備供應商相互配合，由設備供應商根據(jù)要求建立每個設備的BIM模型，即設備產(chǎn)品族，如圖3所示，并要求設備產(chǎn)品族按照運營養(yǎng)護的最小單元拆分，添加運維所需的主要技術參數(shù)及產(chǎn)品實際材質參數(shù)，如圖4所示。另外，設備供應商除了提交產(chǎn)品族模型外，還整理了一套完整的設備數(shù)據(jù)信息，如技術規(guī)格書、設備說明書、驗收文件等資料，與產(chǎn)品族一一對應交付，實現(xiàn)模型與數(shù)據(jù)的關聯(lián)，形成一整套完整的設備數(shù)據(jù)庫，為運維階段的基于BIM的運維管理平臺奠定了準確詳實的數(shù)據(jù)基礎。17號線項目共收集整理設備產(chǎn)品族2 500余個。

2.3 竣工模型審核與交付

17號線項目的建模范圍包括13座車站， 12段區(qū)間， 1座車輛段， 1座停車場， 2個主變電所， 4座中間風井， 3座橋梁改造，涵蓋18個主要專業(yè)，模型數(shù)據(jù)量達112Gb。

在項目竣工交付階段，在已有施工模型的基礎上，補充完善工程竣工信息，形成全專業(yè)竣工模型，如圖5所示。同時搜集整理各類非結構化的施工過程文件，建立以竣工BIM模型為中心的工程竣工數(shù)據(jù)庫，并與竣工BIM模型實現(xiàn)關聯(lián)，形成全線數(shù)字資產(chǎn)，完成后交付至業(yè)主單位。

為確?？⒐つＰ团c現(xiàn)場施工成果的一致性，BIM總體管理方專門指定了《上海軌道交通BIM竣工模型現(xiàn)場復核指南》[5]，并組織業(yè)主方、施工方、監(jiān)理方一起進行竣工模型現(xiàn)場復核工作。主要針對車站的空間布局、重要機房(車控室、環(huán)控機房、環(huán)控電控室、通信機房、信號機房、消防泵房)的終端數(shù)量、位置、形狀，主要管線的路徑、排布等要素進行模型與現(xiàn)場比對校核，對錯誤或誤差進行模型修正，確保交付的竣工模型和竣工交付物的一致性。

3 特色應用

BIM總體管理方在項目前期，根據(jù)上海申通地鐵集團企業(yè)標準《城市軌道交通建筑信息模型應用技術標準》的要求，結合17號線工程的特點，規(guī)劃確定從初步設計階段介入，直至項目建設期結束交付運營的全過程BIM應用點，共計25個。下面對本項目中應用效果和效益較好的應用點進行重點介紹。

圖5 車站裝修竣工BIM模型

3.1 管線綜合設計優(yōu)化

17號線探索了BIM技術如何深度融入傳統(tǒng)設計。在BIM工程師依據(jù)設計圖紙建立各專業(yè)模型后，不同于傳統(tǒng)的將管線碰撞報告反饋給各專業(yè)設計修改的模式， 17號線BIM工程師直接在三維模型中進行管線碰撞調整及綜合優(yōu)化，各專業(yè)設計負責成果審核，最終在BIM模型中形成優(yōu)化后的管線綜合設計方案，如圖6所示。在車站二次結構空洞預留和預埋件設置時，同樣采用在三維模型中直接調整優(yōu)化的模式。利用BIM模型直接輸出二維圖紙，確保通過三維管線綜合優(yōu)化的成果通過施工圖紙傳遞到施工階段。

圖6 三維管線綜合設計模型

3.2 三維模型出圖

在完成管綜設計優(yōu)化后，為了保證圖紙和模型的一致性，確保管綜優(yōu)化結果能準確地通過圖紙傳遞到施工現(xiàn)場，本項目實行從三維模型直接導出二維圖紙的模式。為了提升BIM模型與機電各專業(yè)二維信息表達之間的傳遞效率，研究并開發(fā)了三維模型轉二維圖紙的插件，實現(xiàn)導出的CAD圖紙滿足各專業(yè)設計對圖紙圖層的要求。在本項目中，各車站分別導出6套圖紙，包括環(huán)控平面布置圖、給排水平面布置圖、動照橋架平面布置圖、弱電橋架平面布置圖、高壓細水霧平面布置圖、管線綜合圖，如圖7所示。

圖7 站廳層小軸端管線綜合圖

3.3 工程量復核

在17號線施工招標前，利用設計模型進行了施工招標階段的工程量復核工作。根據(jù)各專業(yè)分部分項開項表，提供滿足招標要求的土建、機電、裝修工程量模型，輔助招標工程量統(tǒng)計，并與投資監(jiān)理提供的工程量進行對比，如圖8所示，復核雙方差異較大的項，提高工程算量的準確性。

圖8 機電工程量對比圖

3.4 裝修效果仿真

圖9 車站裝修效果仿真

利用BIM技術模擬仿真裝修設計，根據(jù)二維裝修設計施工圖創(chuàng)建BIM模型并做場景模擬，既可以在虛擬場景中進行漫游，又可以生成效果視頻或圖片，如圖9所示。利用BIM仿真最終裝修效果，輔助方案溝通并優(yōu)化裝飾方案，準確高效地表達設計意圖，提高決策效率，提升設計質量。

3.5 安裝施工深化

在地鐵車站管線綜合BIM模型基礎上，根據(jù)管道位置、尺寸和類型對綜合支吊架的放置進行設計深化與安裝方案優(yōu)化，可有效排除綜合支吊架與各專業(yè)的碰撞問題，優(yōu)化支吊架設計方案，減少施工階段因設計“錯漏碰缺”問題而造成的損失和返工，如圖10所示。

圖10 綜合支吊架安裝施工深化

此外，在安裝施工方案準備階段，針對一些具有重要功能的機房，如車控室、環(huán)控機房、消防泵房等，在設計BIM模型中，對機房的管線、設備布置進行深化，復核設備定位、預埋件位置等，最終實現(xiàn)機房布置合理美觀，確保設備安裝的操作空間及后期設備的檢修、更換操作空間。

3.6 預制外立面三維掃描復核

17號線三個高架車站外立面采用外掛預制板進行裝飾，安裝預制掛板的結構預埋件施工誤差較大，預制板形狀復雜，重量大，施工安裝難度大，施工安裝完成后對外掛預制板施工質量檢驗存在困難。為此，通過3D掃描技術獲取外掛預制板的點云數(shù)據(jù)，生成點云模型，如圖11所示，與設計階段BIM模型進行比對，如圖12所示，輔助施工單位進行車站外掛預制板施工安裝。在施工完成后，復核車站外掛預制板的施工安裝質量，固化安裝驗收完成時的原始狀態(tài)，為后期車站外掛預制板可能存在的扭曲變形、沉降監(jiān)測等提供初始值，便于車站外掛預制板的維修保養(yǎng)。

圖11 預制外立面點云模型

圖12 預制外立面點云模型與設計 BIM模型點位誤差比對

4 信息化管理平臺

軌道交通工程建設具有工程范圍大、建設工期長、質量要求高、參與單位多等特點，建設全過程會產(chǎn)生大量的建設信息，但過程中各方往往存在信息不對稱、傳遞不流暢、共享不高效等問題。因此，在17號線建設過程中，開發(fā)應用了三個基于BIM的信息化管理平臺，充分利用BIM的整合、傳遞、共享的特點，提高信息利用效率和準確性，全面提升了工程建設的信息化水平。

4.1 項目協(xié)同管理平臺

項目協(xié)同管理平臺是為了提高本項目BIM工作的效率和BIM信息的準確傳遞。平臺以項目數(shù)據(jù)源的唯一性管理為核心，以企業(yè)標準中的9條BIM應用流程為主線，逐步加強項目建設過程中BIM應用的規(guī)范化、制度化建設。BIM應用流程對軌道交通項目規(guī)劃、設計、施工階段的BIM應用內容、各參與方職責、交付成果做了明確的規(guī)定，以標準化的工作流程保證各階段BIM技術的應用實施，旨在提高申通地鐵集團BIM技術的綜合應用能力。圖13是標準BIM應用流程。

圖13 大型設備運輸路徑檢查流程

該平臺的主要應用單位包括項目公司、BIM總體管理單位、設計單位、BIM咨詢單位，共計9家單位，完成歸檔的各種數(shù)據(jù)資料超過10.81G?？偨Y平臺應用后的幾大優(yōu)勢： 1)對分散在各參與方不同參與人員的項目文件有了集中管控； 2)結合當前常用的建模軟件Revit，可實現(xiàn)BIM人員之間的異地協(xié)同工作； 3)可作為文件中轉站，有效提高項目文件共享的效率； 4)規(guī)范了提資流程，提高BIM應用效率。

4.2 預制構件信息管理平臺

17號線盾構區(qū)間及高架區(qū)間采用了大量的預制構件，包括盾構管片、U型梁以及節(jié)段梁。本項目開發(fā)基于BIM技術的預制構件信息管理平臺，從生產(chǎn)源頭開始收集各階段的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)預制構件建設期的信息管理，并為運維期的高效管養(yǎng)和科學決策奠定數(shù)據(jù)基礎。

在生產(chǎn)階段，利用平臺可以規(guī)范構件制造流程，方便資料的管理查詢及追溯，為后續(xù)施工資料的展示，健康檔案的建立提供不可或缺的依據(jù)。17號線工程中應用環(huán)數(shù)近22 000環(huán)，平臺根據(jù)生產(chǎn)編號自動生成相應的二維碼并打印成二維碼標簽，工人將通過平板電腦等設備對生產(chǎn)及質量檢查的信息進行實時輸入，各項質量檢查信息被相繼錄入信息管理平臺數(shù)據(jù)庫，一套完整的管片信息化資料便完成了。

在施工階段，管片上的二維碼標簽成為工作人員進行質量檢查的重要工具。當管片進場時，施工人員通過二維碼檢查進場的管片是否準確，并用平板電腦等設備掃描該二維碼，將管片信息統(tǒng)一到信息管理平臺中，如圖14所示。當管片進入盾構隧道進行安裝時，施工人員即可通過平板電腦，實時記錄管片安裝的具體位置和拼裝數(shù)據(jù)，而上述數(shù)據(jù)又也會被加載到BIM三維模型整合了三維模型的后臺數(shù)據(jù)庫中，通過與BIM模型進行關聯(lián)，實現(xiàn)可視化的施工數(shù)據(jù)管理與查詢，供施工及運維相關單位使用。

圖14 現(xiàn)場二維碼應用情況

4.3 車站智能運維管理平臺

為了將17號線建設階段形成的BIM模型和信息傳遞應用于地鐵運營維護階段，本項目開發(fā)了基于BIM的車站智能運維管理平臺。該平臺是車站運維管理的每日工作入口，以BIM數(shù)據(jù)為底，承載設備狀態(tài)、人員狀態(tài)、作業(yè)記錄等信息的基礎平臺，實現(xiàn)基于服務場景的車站多系統(tǒng)智能控制。平臺主要包含以下功能：

(1)車站三維可視化管理

通過虛擬巡檢功能，合理安排巡檢計劃、巡檢配置、路線規(guī)劃等； 集成綜合監(jiān)控信息，實時查看設備運行狀態(tài)，如圖15所示； 實時查看CCTV視頻監(jiān)控，虛實結合，輔助車站管理； 通過藍牙定位車站值班人員位置，查看歷史軌跡，實現(xiàn)人員管理可視化，如圖16所示。

圖15 虛擬巡檢

圖16 人員定位及歷史軌跡

(2)綜合監(jiān)控管理

基于靜態(tài)BIM模型數(shù)據(jù)，集成各專業(yè)動態(tài)綜合監(jiān)控數(shù)據(jù)，結合物聯(lián)網(wǎng)技術實現(xiàn)設備的狀態(tài)監(jiān)控，并實時推送預警報警信息。

(3)運營維保管理

平臺對突發(fā)事件、設備故障、日常管理、日常巡檢等事件進行記錄、跟蹤、歸檔，也可以通過運管平臺移動端APP在現(xiàn)場進行事件填報提交到Web端進行閉環(huán)。

(4)設備資產(chǎn)管理

設備資產(chǎn)管理對當前車站的設備資產(chǎn)清冊信息進行分類、統(tǒng)計、分析，通過圖表的形式，從多個維度對設備資產(chǎn)情況進行展示。

(5)數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

根據(jù)運維工作需要，提供多種維度的統(tǒng)計圖表，直觀展示車站各項運維指標和情況。以運維階段積累的大量運維養(yǎng)護業(yè)務數(shù)據(jù)為基礎，協(xié)助運維養(yǎng)護單位對運維養(yǎng)護行為、人員績效等進行統(tǒng)計分析，優(yōu)化業(yè)務管理水平。

(6)多終端支持

運管平臺支持多終端訪問，移動端APP支持藍牙定位、CCTV查看、設備二維碼掃描等功能，搭載設備報檢修、客傷事件上報等運維業(yè)務，有效提高運維工作效率和精細化程度，如圖17所示。

圖17 移動端APP

5 總結

5.1 應用價值分析

(1)投入與產(chǎn)出

本項目BIM咨詢的總費用約為1 350萬元，其中設計階段費用約為1 050萬元，施工階段費用約為300萬元，主要為17號線站點、區(qū)間、車輛基地等建模及基本應用的費用。不包括預制構件全生命期信息管理系統(tǒng)開發(fā)費用約140萬元，項目協(xié)同管理平臺費用約95萬元，以及車站運維管理平臺費用約800萬元。

在設計階段， 17號線各車站三維管綜設計共解決碰撞問題約16 900個，節(jié)約成本約1 048萬元。管綜圖紙、二次結構預留孔洞圖紙共導出約1 300張圖紙，大幅度提高設計質量。

在施工階段，機電深化設計，解決問題2 735個，節(jié)約成本約345萬元。整理設備產(chǎn)品族2 559個，全面提升設備交付信息完整度。

在竣工交付階段，交付全線所有車站、區(qū)間、車輛段、停車場、主變竣工模型，竣工模型包含11類信息資料文檔，詳細程度超越竣工歸檔要求，設備與資產(chǎn)臺賬、綜合監(jiān)控點表一一對應，形成信息完整的17號線數(shù)字資產(chǎn)。

在本項目中通過協(xié)同管理平臺有效實現(xiàn)跨組織的文件和流程管理，促進項目設計管理水平，減少溝通成本； 利用預制構件信息管理平臺，實現(xiàn)了預制構件數(shù)據(jù)互通共享和集中管理，從而增加了軌道交通預制構件進度及質量的科學化管理與分析，其管理過程更加自動化； 車站智能運維管理平臺的開發(fā)，使建設階段產(chǎn)生的模型和數(shù)據(jù)能在運營維護階段應用，真正打通了BIM從建設向運維的傳遞路徑，實現(xiàn)了BIM的全生命期應用。

(2)綜合效益

質量效益：在設計階段，優(yōu)化設計方案，減少錯漏碰缺，提高設計質量； 在施工階段，通過施工方案模擬、三維掃描等多項應用點的開展，優(yōu)化施工方案，確?，F(xiàn)場施工質量。

進度效益：在設計階段，通過項目協(xié)同管理平臺有效提高設計溝通效率，有效控制設計進度； 在施工階段，通過施工方案優(yōu)化，進度模擬等多項應用的開展，有效節(jié)省工期。

經(jīng)濟效益：在建設階段，提高設計質量，減少返工浪費，縮減工期，在建設期產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟效益。在竣工交付階段，確保建設期信息有效傳遞至運維階段，為后續(xù)地鐵運營養(yǎng)護部門提供數(shù)據(jù)基礎，在中長期的地鐵運營養(yǎng)護中將產(chǎn)生明顯的經(jīng)濟效益。

管理效益：BIM技術在設計、施工、運維全生命期中的應用，通過協(xié)同管理平臺有效實現(xiàn)跨組織的文件和流程管理，促進項目建設與設計管理水平提升，切實提高項目施工管理水平，實現(xiàn)基于BIM的數(shù)字化和智能化地鐵運維管理，可有效提高運維管理水平。

長期效益：在建設結束后，交付給運營一套包含完整建設信息的竣工模型，為運營提供了詳實準確的設施設備信息數(shù)據(jù)庫，能在運營維護階段大幅度提高管理效率，產(chǎn)生顯著的長期效益。

5.2 經(jīng)驗總結

在17號線的BIM應用過程中，即對已有的工作模式、標準規(guī)范、應用方案進行了驗證和優(yōu)化，又針對項目特點進行了技術和管理上的探索和創(chuàng)新。現(xiàn)歸納總結4點經(jīng)驗，可在后續(xù)城市軌道交通交通項目BIM應用實施中借鑒。

(1)業(yè)主主導+BIM總體”管理模式

“業(yè)主主導+BIM總體”的組織管理模式，可以充分發(fā)揮BIM總體單位在BIM應用策劃、標準制定、過程管理、成果審核方面的專業(yè)優(yōu)勢，同時也減少項目公司的管理壓力，提高效率，降低成本。

(2)“總體策劃+統(tǒng)一標準”頂層設計

在BIM工作開始之前進行BIM總體策劃，確定BIM應用目標、應用范圍、應用階段、應用點，并制定統(tǒng)一的應用標準、導則和制度，確保各參與方交付成果的一致性和互用性。

(3)“招標要求+合同限定”商務支撐

在招標階段就對施工、設備供應商等參與方提出BIM應用要求，并在合同中明確各方的BIM工作內容、提交成果的標準和要求，從而確保BIM能真正應用于現(xiàn)場，BIM的數(shù)據(jù)準確真實。

(4)“實體交付+虛擬交付”虛實結合

在車站實體交付的基礎上，項目公司、運維單位、BIM總體三方在現(xiàn)場進行實體構筑物及設備與BIM竣工模型的比對和驗收，確保竣工模型與實體交付物的一致性，為運維提供數(shù)據(jù)保障。