范志強，孟 飛，楊 斌，解亞龍，劉 偉

（1. 北京經(jīng)緯信息技術(shù)有限公司，北京 100081；2. 中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司 電子計算技術(shù)研究所，北京 100081；3. 中國國家鐵路集團有限公司 工程管理中心，北京 100026）

隨著我國鐵路的快速發(fā)展，鐵路工程的建設(shè)任務(wù)逐年增加，為了對鐵路建設(shè)項目實現(xiàn)精細(xì)化管控[1]，正在鐵路行業(yè)中全面推廣信息化管理，同時引進(jìn)了BIM技術(shù)作為重要的管理手段，實現(xiàn)鐵路工程建設(shè)高效、快速和便捷的全過程管理[2-3]。

鐵路工程施工建設(shè)涉及進(jìn)度管控、安質(zhì)可控、成本預(yù)控等多項內(nèi)容。目前，各相關(guān)單位僅利用BIM技術(shù)進(jìn)行單方面的管理，沒有進(jìn)行信息共享和協(xié)同管理，因此，搭建統(tǒng)一的鐵路工程施工建設(shè)信息化、智慧化、人機交互化管理應(yīng)用施工管理平臺迫在眉睫且勢在必行[4]。

1 平臺建設(shè)

1.1 建設(shè)目標(biāo)

鐵路施工管理平臺（簡稱：平臺）以BIM技術(shù)為核心，對鐵路工程建設(shè)過程中的進(jìn)度、成本、質(zhì)量、安全等方面實行動態(tài)的全過程管理[5]。整個系統(tǒng)采用B/S結(jié)構(gòu)，以施工進(jìn)度為主線，以數(shù)據(jù)信息為基礎(chǔ)，以成本控制為核心，實現(xiàn)了企業(yè)的實時、多地區(qū)、多節(jié)點管理。

1.2 建設(shè)原則

施工管理平臺構(gòu)建過程中，遵循開放指導(dǎo)原則，強調(diào)以施工人員為中心，廢除固定的、呆板的傳統(tǒng)設(shè)計[6]，在學(xué)習(xí)進(jìn)度和教學(xué)信息的呈現(xiàn)形式上能給施工人員更多的自主控制權(quán)。建立系列化、流程化的施工指導(dǎo)流程，構(gòu)建完整的施工知識體系，使平臺能夠適應(yīng)不同認(rèn)知特征用戶的需求。

由于施工建筑形式多樣、狀況復(fù)雜，因此，平臺構(gòu)建時注重信息呈現(xiàn)及交互功能的靈活性，即圍繞同一狀況，設(shè)計多種不同起點，不同路徑的展示模式，提供多次展示機會，做出不同的判斷和抉擇，引導(dǎo)施工人員獲得多方面的理解和認(rèn)識。

為保證平臺與其它系統(tǒng)兼容，并便于后期進(jìn)行內(nèi)容擴展和技術(shù)升級，整個系統(tǒng)的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)遵照國家規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)和有關(guān)行業(yè)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)[7]。

1.3 平臺特色

依據(jù)規(guī)范化的鐵路工程建設(shè)施工項目知識體系，建立系列化、流程化、閉合管理的施工日常指導(dǎo)和操作，實現(xiàn)鐵路工程建設(shè)項目全生命周期內(nèi)、不同崗位內(nèi)的施工管控、質(zhì)量把控、成本和周期可控的統(tǒng)一完整性。

平臺操作堅持以操作方便、界面簡潔、直觀為目標(biāo)，集成智能流程可視化，避免重復(fù)操作。

2 平臺架構(gòu)

2.1 平臺總體架構(gòu)

系統(tǒng)整體采用B/S模式，具有良好的跨平臺性能。系統(tǒng)架構(gòu)采用分層設(shè)置，如圖1所示。

圖1 平臺總體架構(gòu)

（1）系統(tǒng)的訪問層通過瀏覽器、智能終端等不同方式進(jìn)行平臺訪問。

（2）應(yīng)用層實現(xiàn)具體業(yè)務(wù)功能，可以按需求提供訪問層進(jìn)行調(diào)用。

（3）服務(wù)層為系統(tǒng)運行提供支撐。

（4）數(shù)據(jù)層存儲的數(shù)據(jù)分為模型數(shù)據(jù)、施工過程管理數(shù)據(jù)兩類。

（5）通過核心技術(shù)BIM+GIS實現(xiàn)整個系統(tǒng)的可視化展示。

2.2 平臺技術(shù)架構(gòu)

2.2.1 技術(shù)架構(gòu)

從技術(shù)角度出發(fā)，施工管理平臺分為4層，如圖2所示，分別為感知層、網(wǎng)絡(luò)層、平臺層和應(yīng)用層。

圖2 平臺技術(shù)架構(gòu)

（1）感知層：運用RFID技術(shù)、視頻監(jiān)控技術(shù)、傳感器技術(shù)，收集施工現(xiàn)場的信息，為平臺提供數(shù)據(jù)。

（2）網(wǎng)絡(luò)層：是系統(tǒng)內(nèi)部各子系統(tǒng)之間信息交換的載體，將感知數(shù)據(jù)傳輸至各子系統(tǒng)進(jìn)行歸類、存儲、分析。

（3）平臺層：通過運用云計算、云存儲、云渲染、網(wǎng)絡(luò)安全等技術(shù)，實現(xiàn)鐵路工程建設(shè)過程中的安全質(zhì)量、施工進(jìn)度、施工過程、成本等方面的管理。

（4）應(yīng)用層：利用Web圖形展示技術(shù)、多客戶端適應(yīng)技術(shù)、組件化技術(shù)、內(nèi)容管理技術(shù)等形成系統(tǒng)應(yīng)用，最終實現(xiàn)對工程的可視化、流程化管控，提高工程建設(shè)質(zhì)量，保障工程建設(shè)進(jìn)度，降低安全風(fēng)險，節(jié)約建設(shè)成本。

平臺采用基于.Net框架的結(jié)構(gòu)形式，根據(jù)用戶已有服務(wù)器所運行的操作系統(tǒng)和工作環(huán)境，采用Microsoft.net或Mono.net運行庫。系統(tǒng)的三維場景瀏覽、交互及功能發(fā)布采用3D虛擬現(xiàn)實引擎——Unity3D 5.5.0f3 進(jìn)行開發(fā)。

2.2.2 數(shù)據(jù)存儲

系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換與通信主要針對各類數(shù)據(jù)交換接口進(jìn)行設(shè)計。

（1）客戶端與服務(wù)器之間的通信

客戶端與服務(wù)器端的通信方式有2種，如圖3所示：（1）用于網(wǎng)絡(luò)同步而進(jìn)行的3D場景數(shù)據(jù)的交換；（2）用于支持仿真系統(tǒng)正常運轉(zhuǎn)和保證仿真正常進(jìn)行的數(shù)據(jù)交換。具體形式，如圖3所示。

圖3 客戶端與服務(wù)器端通信

（2）服務(wù)器端與數(shù)據(jù)庫、文件系統(tǒng)之間的通信

數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中保存著系統(tǒng)運行所需的各類基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，服務(wù)器利用系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)庫訪問接口對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行操作，如圖4所示。資源文件以文件系統(tǒng)的形式保存在服務(wù)器計算機的磁盤中，服務(wù)器通過自身的文件讀寫系統(tǒng)與這些資源文件進(jìn)行交互與通信。此外，為保證對各類資源文件的協(xié)調(diào)、統(tǒng)一管理，在數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中以元數(shù)據(jù)的形式，對磁盤上的資源文件進(jìn)行統(tǒng)一管理與分類。

圖4 服務(wù)器與數(shù)據(jù)庫、文件系統(tǒng)的通信關(guān)系

2.2.3 客戶端系統(tǒng)執(zhí)行流程

客戶端是用戶與系統(tǒng)交互的主要人機界面，其系統(tǒng)操作流程，如圖5所示。

圖5 客戶端執(zhí)行流程

3 系統(tǒng)功能

平臺對工程項目計劃、進(jìn)度、3D可視化、圖紙發(fā)放、變更設(shè)計、勞務(wù)用工、施工對接、登記、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范等進(jìn)行全面綜合管理；縱向貫穿學(xué)習(xí)、娛樂、分派、施工、竣工等方面控制，以及3D可視化、沉浸式交互、虛擬仿真等要素。

施工管理平臺針對鐵路施工建設(shè)實際需求，搭建13個模塊，具體情況，如圖6所示。

（1）電子沙盤

融合BIM和傾斜攝影模型，實現(xiàn)真實場景展示瀏覽，如圖7所示；實現(xiàn)構(gòu)筑物基本信息查詢和快速定位、屬性關(guān)聯(lián)（包括幾何屬性和非幾何屬性、檢驗批、日志、工程影像、工程量等信息）、項目進(jìn)度查看、光照分析、具體構(gòu)件的工藝工法查看等功能。

（2）碰撞檢測

對重難點工程或關(guān)鍵部位模型進(jìn)行碰撞檢測，預(yù)先排查出相關(guān)碰撞，提高圖紙審核質(zhì)量，避免因圖紙問題影響施工。

（3）3D技術(shù)交底

圖6 施工管理平臺模塊列表

圖7 電子沙盤頁面

利用3D可視化技術(shù)協(xié)助施工現(xiàn)場管理人員實現(xiàn)技術(shù)交底，實現(xiàn)技術(shù)交底由2D向3D的轉(zhuǎn)換，能夠消除接受交底人員對交底內(nèi)容理解的偏差。以更加直觀的方式展示施工方法和施工順序，減少信息傳遞過程的丟失，保障施工質(zhì)量。

（4）4D施工模擬

通過錄入的施工計劃，通過與模型的關(guān)聯(lián)，進(jìn)行重難點施工的模擬和優(yōu)化，解決施工難點，驗證施工計劃編制的合理性，確保安全合理進(jìn)行施工。

（5）虛擬樣板

對重要施工節(jié)點進(jìn)行施工交底時，通過高精度的3D BIM模型更加形象化的對細(xì)節(jié)進(jìn)行展示，同時取代施工現(xiàn)場搭建樣板的工作，起到占用空間小、節(jié)約施工場地、節(jié)省材料和人工、可重復(fù)利用、減少成本的目的。

（6）工藝工法

對鐵路各專業(yè)工藝工法進(jìn)行形象、可視化展示，指導(dǎo)施工人員對于施工重點難點快速了解和熟悉，解決施工進(jìn)度問題，同時規(guī)范化施工流程和施工安全。在工藝工法上，添加每個施工項目的視頻，以動畫模擬方式具體描述施工內(nèi)容。詳細(xì)介紹每個施工環(huán)節(jié)的注意事項。

（7）施工過程管理

對施工過程中的施工方案、人員變更、設(shè)計變更等進(jìn)行規(guī)范，做到可追溯。

（8）施工臺賬

對施工過程中的施工臺帳，自動生成日、月、年進(jìn)度，對工程進(jìn)度進(jìn)行管理，實現(xiàn)可控管理。

（9）圖紙管理

對圖紙進(jìn)行臺賬管理，隨時更新圖紙信息，替換已作廢的圖紙，同時記錄變更的詳細(xì)信息，實現(xiàn)項目全生命周期的圖紙有序可追溯管理。

（10）無人機巡檢

在電子沙盤頁面中設(shè)計無人機飛行路線和飛行時間，實現(xiàn)無人機對工地進(jìn)行日常拍照檢查，對施工進(jìn)度、施工質(zhì)量和安全進(jìn)行日常抽查管控。

（11）隱患排查

實現(xiàn)安全質(zhì)量管理，通過Web端和App端對施工過程存在的安全隱患進(jìn)行排查和處理。根據(jù)隱患類別及危害程度，對不同級別的隱患進(jìn)行管理和響應(yīng)[8]。各項隱患的排查、響應(yīng)、整改、消除，各環(huán)節(jié)形成閉環(huán)，實現(xiàn)質(zhì)量安全隱患全面徹底排查、及時治理消除，預(yù)防可能導(dǎo)致質(zhì)量安全事故或者工程重要使用功能受損發(fā)生的人的不安全行為、物的危險狀態(tài)、環(huán)境影響因素、質(zhì)量和管理上的缺陷。

（12）施工進(jìn)度管理

實現(xiàn)施工進(jìn)度協(xié)同管理，根據(jù)填報的計劃進(jìn)度，自動生成甘特圖，并與模型相關(guān)聯(lián)，進(jìn)行任務(wù)包分派和任務(wù)閉環(huán)，實時、系統(tǒng)地解決施工進(jìn)度管理問題[9-10]。

（13）工程量統(tǒng)計

即成本管理，實現(xiàn)工程量與模型的掛件和統(tǒng)計，通過BIM信息，進(jìn)行成本預(yù)算、管理和核算，高效有序進(jìn)行數(shù)據(jù)多方比對管理，提高項目效益。

4 結(jié)束語

基于BIM的施工管理平臺已在多個工程項目上應(yīng)用，以BIM+GIS的手段實現(xiàn)了施工建設(shè)項目的可視化效果，為管理人員提供了直觀的項目信息查看；通過信息化的手段對施工過程進(jìn)行管理，規(guī)范了管理方法，細(xì)化了管理力度，減少了信息在各單位、各部門之間傳遞過程中產(chǎn)生的偏差。提高施工建設(shè)管理效率約30%，為鐵路工程施工建設(shè)提供了有效的管理工具。

依托具體項目對施工管理平臺的應(yīng)用，通過電子沙盤可視化的展示了工程的建設(shè)特點，如圖8所示，為管理者的決策提供了更有效的支撐。

圖8 施工進(jìn)度在沙盤中展示效果

通過對施工過程全過程、全方位的管理，實現(xiàn)了鐵路工程建設(shè)由傳統(tǒng)的管理向信息化管理的轉(zhuǎn)化，由2D圖紙向3D BIM的轉(zhuǎn)變。為鐵路工程信息化建設(shè)積累了經(jīng)驗，驗證了信息化在鐵路工程的實用性、有效性，見證了對質(zhì)量、安全、進(jìn)度管理的精細(xì)化和高效化。