王煥松，于勝利，盧文龍，張敬涵

(1.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; 2.北京經(jīng)緯信息技術(shù)有限公司，北京 100081)

引言

為實施交通強國目標(biāo)，打造中國制造2025高鐵新標(biāo)準(zhǔn)，鐵路施工建設(shè)項目不斷地探索BIM、云計算、移動互聯(lián)網(wǎng)、AI、北斗導(dǎo)航等新技術(shù)[1-4]，使得中國高鐵進入綠色設(shè)計、智能建造、精益管理新模式[5]，為智慧鐵路建設(shè)發(fā)展提供良好的基礎(chǔ)，同時，解決了鐵路項目規(guī)模大、建設(shè)工期緊、技術(shù)要求高、安全風(fēng)險高、施工管理混亂以及傳統(tǒng)鐵路項目管理方式存在智能化程度不足等問題[6-8]。BIM技術(shù)是鐵路工程領(lǐng)域中面向全生命周期的前沿技術(shù)，具備可視化、協(xié)調(diào)性、模擬性、可優(yōu)化性等特點[9-11]。因此，使用前沿科技技術(shù)和管理理念，研究基于BIM技術(shù)為核心的施工管理平臺，實現(xiàn)鐵路工程建設(shè)過程中不同參與方的全要素、全方面、全過程的信息共享和協(xié)同作業(yè)，推動鐵路工程建設(shè)向信息化、智能化發(fā)展等具有現(xiàn)實意義和理論價值[12-13]。目前，國內(nèi)許多學(xué)者研發(fā)BIM施工管理平臺，路耀邦等[14]運用BIM、物聯(lián)網(wǎng)等先進技術(shù)，研發(fā)BIM施工管理平臺并在大瑞鐵路高黎貢山隧道上應(yīng)用；馬少雄等[15]研究基于BIM技術(shù)的隧道施工協(xié)同管理平臺；戴林發(fā)寶等[16]針對鐵路工程中的多源數(shù)據(jù)，采用混合架構(gòu)研發(fā)BIM協(xié)同設(shè)計平臺，并在羊臺山隧道中應(yīng)用；智鵬[17]研究BIM與新技術(shù)(云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等)融合應(yīng)用等關(guān)鍵技術(shù)，并研發(fā)了基于BIM的鐵路隧道施工建設(shè)管理平臺；張貴忠[18]采用“云+端”應(yīng)用模式和WPF三層架構(gòu)方法研發(fā)滬通長江大橋BIM管理平臺；韓鑫等[19]研發(fā)鐵路工程三維協(xié)同大數(shù)據(jù)云平臺，實現(xiàn)多源數(shù)據(jù)信息一體化協(xié)同管理。同時，不少學(xué)者[20-23]研究BIM+GIS應(yīng)用于鐵路施工建設(shè)管理。但大多數(shù)施工管理平臺是根據(jù)單個項目研發(fā)施工管理平臺，而一個企業(yè)有多個項目時，比如有鐵路橋梁、隧道、路基等多個標(biāo)段項目時，難以集成數(shù)字化管理，故依托京雄城際鐵路(JXSG-7)雄安站特大橋研究企業(yè)級到項目級的閉環(huán)管理，采用BIM、3DGIS、物聯(lián)網(wǎng)、數(shù)據(jù)可視化等技術(shù)，研發(fā)施工單位企業(yè)級BIM鐵路施工管理平臺(Construction Enterprise Management，CEM)，實現(xiàn)多個項目的施工現(xiàn)場智慧化、可視化管理，提升整體管控能力。

1 工程概況

新建北京至雄安城際鐵路站前工程JXSG-7標(biāo)段位于雄縣東北部，處在雄安站兩側(cè)咽喉區(qū)，即雄安站特大橋，正線里程為DK102+002～DK104+625，設(shè)計時速為350 km。由于站場規(guī)模較大，場坪高，場址地形條件復(fù)雜，同時多條聯(lián)絡(luò)線引入，故全部為現(xiàn)澆道岔連續(xù)梁和現(xiàn)澆簡支箱梁(其中雙線190孔、單線98孔)，現(xiàn)澆道岔梁約4 000 m；墩身均為實體墩，共計141個；基礎(chǔ)為鉆孔樁基礎(chǔ)，數(shù)量超1 300根。項目施工難度較大，協(xié)調(diào)困難，影響因素較多，是全線控制性工程之一，其特點有：施工工期緊，站前站后工程同步開展，交叉干擾大；建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)高，根據(jù)鐵路公司要求，需全力打造“精品工程、安全工程、智能工程”，建成高標(biāo)準(zhǔn)的高鐵項目；征拆難度大，需拆遷建筑物面積超過8 000 m2，35 kV及以上高壓線70多處，不可控因素多；雄安站施工組織難度大，雄安站為高架站，設(shè)計采用橋梁形式，道岔梁數(shù)量較多，施工技術(shù)和組織難度大。

2 施工管理平臺研發(fā)

2.1 施工管理平臺總體架構(gòu)

企業(yè)級BIM鐵路施工管理平臺采用私有云+公用端模式的多層架構(gòu)體系,使用模型層次化動態(tài)加載技術(shù)和基于WebGL、ActiveX與云技術(shù)融合的混合云引擎技術(shù)，通過ASP.NET的MVC技術(shù)架構(gòu)和Http、WQTT多種安全傳輸協(xié)議以及分布式存儲技術(shù)，實現(xiàn)以BIM模型數(shù)據(jù)為核心，互聯(lián)網(wǎng)為介質(zhì)的施工管理平臺，達到施工數(shù)字化和智能化管理、按需動態(tài)加載模型和高效交互渲染應(yīng)用效果，其總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 CEM施工管理平臺總體架構(gòu)

2.2 施工管理平臺功能模塊

施工管理平臺功能模塊包含：項目管理、企業(yè)綜合駕駛艙、項目施工管理三大功能模塊，其功能組成如圖2所示。項目管理主要負(fù)責(zé)對企業(yè)多個鐵路工程項目的管理，其包含：①對企業(yè)鐵路項目信息日常管理和維護，如竣工時間、建設(shè)單位、工程進度、施工日志、質(zhì)量檢查等，如圖3所示；②新增項目，在企業(yè)管理平臺中添加新項目的相關(guān)信息，并在企業(yè)綜合駕駛艙各個展示模塊新增相應(yīng)的數(shù)據(jù)顯示；③人員權(quán)限管控，通過管控權(quán)限設(shè)置，使不同用戶(企業(yè)用戶和項目用戶)進入平臺中不同管理模塊(企業(yè)管理或項目施工管理)。

圖2 企業(yè)級BIM鐵路施工管理平臺應(yīng)用組成

圖3 企業(yè)項目管理平臺界面

企業(yè)綜合駕駛艙具備在地圖上顯示各個上線項目的位置，并對每個上線項目的各功能模塊數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計、分析和展示。企業(yè)用戶通過點擊展示數(shù)據(jù)能夠查看對應(yīng)項目功能模塊數(shù)據(jù)以及點擊地圖上項目圖標(biāo)和名稱進入相應(yīng)的項目施工管理。企業(yè)綜合駕駛艙展示內(nèi)容為各個項目的工程進度情況、質(zhì)量檢查結(jié)果、重大安全統(tǒng)計、工程信息、人員統(tǒng)計、設(shè)備管理、物料管理等，如圖4所示。

圖4 企業(yè)綜合駕駛艙

項目施工管理功能模塊組成為：項目綜合駕駛艙、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理、施工進度管理、施工過程資料管理、安全VR培訓(xùn)體驗、隱患排查、視頻管控應(yīng)用、工程量統(tǒng)計、設(shè)備管理等，為項目用戶提供全方位、全流程的項目日?；芾?。項目功能模塊數(shù)據(jù)將同步至企業(yè)綜合駕駛艙，實現(xiàn)企業(yè)對項目的日常監(jiān)管。項目綜合駕駛艙主要展示項目概況、智能設(shè)備油耗統(tǒng)計、隱患排查、施工人員管理、電子沙盤等內(nèi)容，如圖5所示。

圖5 項目綜合駕駛艙

2.2.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)可分為BIM模型數(shù)據(jù)、GIS數(shù)據(jù)。BIM模型包含了構(gòu)筑物模型(路基、橋梁、隧道、軌道、邊坡防護等構(gòu)筑物模型)、機械模型(車輛、閘機、吊機等機械設(shè)備)。BIM模型的輕量化通過自主研發(fā)的輕量化組件和自定義數(shù)據(jù)格式“*.cars”上傳到平臺中，其輕量化研發(fā)的原理是采用“數(shù)模分離”思想，通過信息讀取和GUID關(guān)聯(lián)等方法得到無損幾何數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)兩個存儲文件，實現(xiàn)了復(fù)雜模型構(gòu)件一次性輕量化轉(zhuǎn)換高效提取存儲和可視化展示應(yīng)用，其流程如圖6所示。

圖6 BIM模型輕量化流程

GIS數(shù)據(jù)包括高清遙感影像、傾斜攝影模型、DEM等地理空間相關(guān)的數(shù)據(jù)。其中，傾斜攝影數(shù)據(jù)通過無人機搭載多臺不同角度傳感器獲取地面信息，再通過軟件處理成三維模型，如圖7所示。

圖7 傾斜攝影模型

2.2.2 電子沙盤

平臺融合了輕量化BIM模型、傾斜攝影模型以及GIS數(shù)據(jù)在自主高效圖形引擎技術(shù)中實現(xiàn)鐵路工程建設(shè)環(huán)境的虛擬場景，如圖8所示。在圖形引擎中可以通過里程定位或橋墩定位查看固定區(qū)域?qū)в[圖，還可以通過添加標(biāo)簽保存當(dāng)前位置視圖；也可以實現(xiàn)模型的精細(xì)化瀏覽并進行一系列模型查看操作，如帶線渲染、剖切面、模型爆炸等功能，如圖9所示。此外，圖形引擎支持測量(測點距和面積，坐標(biāo)信息顯示)、場景模擬(陽光、雨、雪)、飛行預(yù)覽等功能。

圖8 虛擬場景

圖9 精細(xì)化BIM模型

針對BIM模型屬性管理和關(guān)聯(lián)技術(shù)研究，可準(zhǔn)確查詢選擇的模型以下信息：模型常規(guī)屬性、工程完成情況、工程檢驗批、工程量等，對單體構(gòu)筑物實現(xiàn)精細(xì)化、信息化管理，如圖10所示。

圖10 屬性查詢

2.2.3 進度管理

根據(jù)施工總進度計劃、季度進度計劃、月進度計劃、周進度計劃，并自動掛接BIM模型工程實體分解對應(yīng)構(gòu)件，分配各工序間的邏輯關(guān)系，同時賦予模型構(gòu)件詳細(xì)信息，如計劃起止時間、工程數(shù)量等，實現(xiàn)進度計劃的動態(tài)管理與聯(lián)動修改。實際進度信息采用直接從鐵路工程管理平臺獲取和手動錄入兩種方式，對實際進度和計劃進度進行對比分析，自動計算滯后工期，并進行預(yù)警，實現(xiàn)PC端對每一項計劃進行任務(wù)派發(fā)和設(shè)定任務(wù)完成的要求，實時反饋派發(fā)任務(wù)完成狀態(tài)，實時閉環(huán)，互聯(lián)網(wǎng)實時同步，并在平臺可實時進行已派發(fā)任務(wù)狀態(tài)的查詢，其流程如圖11所示。

圖11 施工進度流程

根據(jù)實時進度信息與模型關(guān)聯(lián)，在電子沙盤中實現(xiàn)BIM模型實時渲染，并可查看施工總進度、施工進度圖、設(shè)計總量和完成總量等信息，更好地把控和了解項目進度，如圖12所示。

圖12 進度管理

2.2.4 質(zhì)安管理

(1)隱患排查

通過對隱患排查、流程上報、流程跟蹤驗證以及隱患消除的全流程環(huán)節(jié)控制關(guān)鍵技術(shù)研究，同時調(diào)用中鐵九局公司隱患排查系統(tǒng)接口數(shù)據(jù)，研發(fā)隱患排查APP和CEM施工管理平臺模塊功能，如圖13所示。檢查人員可快速通過移動端對現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)的問題錄入并指定整改責(zé)任人和限期整改。整改責(zé)任人通過移動端進行整改回復(fù)和記錄，檢查人員進行審核，并可在PC端隱患排查模塊進行查看和隱患排查點的歷史追溯管理。

圖13 隱患APP和Web瀏覽端

(2)安全VR培訓(xùn)體驗

通過VR虛擬現(xiàn)實技術(shù)，對鐵路工程人員進行沉浸式安全教育培訓(xùn)，結(jié)合施工方案4D模擬和逃生方案進行虛擬預(yù)演，增加工程人員安全逃生經(jīng)驗，同時，也可以核查施工過程安全漏洞。

(3)視頻管控應(yīng)用

通過無人機實時或留存的航拍視頻、視頻監(jiān)控錄制視頻，平臺自動進行視頻實時處理，對現(xiàn)場實際工程情況進行記錄、標(biāo)注和提示，并可對歷史記錄進行存儲和追溯。

2.2.5 費用管理

(1)工程量統(tǒng)計

通過BIM模型的編碼標(biāo)準(zhǔn)、自動計算和導(dǎo)出工程量等方法，并依據(jù)清單規(guī)范和預(yù)算標(biāo)準(zhǔn)，在施工管理平臺中設(shè)置相應(yīng)計量規(guī)則的映射和配置文件。將BIM模型導(dǎo)入平臺時，BIM模型關(guān)聯(lián)施工合同清單，后臺進行自動算量，生成清單匯總表及工程造價，并與施工進度綁定展示實際工程量統(tǒng)計，形成BIM模型、工程量、綜合單價的“構(gòu)件級”關(guān)聯(lián)。此外，通過研究時間維度和空間維度，可以查看任意時間段和任意構(gòu)件組合的清單量，如圖14所示。

圖14 工程量統(tǒng)計

(2)設(shè)備管理

平臺采用BIM技術(shù)結(jié)合FRID技術(shù)，通過對設(shè)備進場、驗收以及使用情況進行全過程、全方位管控，改善了設(shè)備管理狀況，降低設(shè)備成本，如圖15所示。同時，針對機械移動設(shè)備的用油量進行統(tǒng)計和跟蹤管理，減少不正常油耗，提高機械設(shè)備使用效率，節(jié)約成本。

圖15 設(shè)備管理

2.2.6 過程資料管理

平臺根據(jù)施工過程中的資料管理需求，研發(fā)過程資料管理功能模塊，如圖16所示，實現(xiàn)對施工過程中的各個環(huán)節(jié)和程序過程進行管理和追溯，如勞務(wù)用工資料、施工方案、圖紙資料管理等，最終實現(xiàn)無紙化辦公。對圖紙進行臺賬管理，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。

圖16 過程資料管理

3 示范應(yīng)用

依托雄安站特大橋工程項目進行了基于BIM的企業(yè)級鐵路施工管理平臺研究，實現(xiàn)了企業(yè)到項目全流程閉環(huán)管理的成功示范應(yīng)用。在雄安站特大橋施工過程中面臨著站前站后同時施工、多現(xiàn)澆梁、地形復(fù)雜、多條聯(lián)絡(luò)線引入、多道岔梁等重難點問題，平臺以BIM模型為基礎(chǔ)，提供全方位、全過程的解決方案和信息化措施，如電子沙盤以可視化的方式對施工進度、施工環(huán)境進行模擬和對比預(yù)報，從而加快了10%進度、隱患排查APP和隱患功能降低了安全風(fēng)險20%，設(shè)備管理減少18%的非正常油耗等。此外，通過平臺的綜合駕駛艙以可視化方式展示項目施工現(xiàn)場的復(fù)雜地形、施工進度情況、工程量統(tǒng)計、費用管理等內(nèi)容，提高了企業(yè)對項目的高度集中信息可視化管理和日常管理機制。平臺的成功示范應(yīng)用，創(chuàng)造了可觀的經(jīng)濟效益和社會效益，推動了鐵路工程建設(shè)信息化發(fā)展。

4 創(chuàng)新點

(1)平臺采用多層架構(gòu)體系、模型動態(tài)加載技術(shù)以及混合云引擎技術(shù)和安全傳輸協(xié)議，實現(xiàn)以BIM為基礎(chǔ)，互聯(lián)網(wǎng)為介質(zhì)的企業(yè)到項目閉環(huán)施工管理平臺。

(2)自主研發(fā)BIM模型的輕量化組件，充分運用數(shù)模分離的思想，將屬性數(shù)據(jù)與幾何數(shù)據(jù)分離并通過GUID關(guān)聯(lián)實現(xiàn)模型高效存儲，并在自主研發(fā)的圖形引擎中渲染應(yīng)用。

(3)研究BIM與GIS數(shù)據(jù)融合技術(shù)的電子沙盤，對鐵路構(gòu)筑物施工真實環(huán)境的模擬、施工進度可視化展示、隱患排查等，并對單體構(gòu)筑物進行精細(xì)化管理。

5 結(jié)論

(1)基于對企業(yè)級鐵路施工管理平臺的技術(shù)路線研究，從企業(yè)項目管理、綜合駕駛艙、項目施工管理(基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理、電子沙盤、施工進度管理、質(zhì)安管理、工程量統(tǒng)計、過程資料管理)等方面進行詳細(xì)闡述，滿足項目施工過程中可視化、信息化、集中化管理需求，實現(xiàn)企業(yè)到項目的一體化閉環(huán)管理。

(2)以京雄城際鐵路JXSG-7標(biāo)段的雄安站特大橋為試點項目，從模型的輕量化、模型在圖形引擎應(yīng)用、模型分解掛接任務(wù)、施工進度、質(zhì)安管理、過程資料管理等方面驗證了平臺可行性。

(3)平臺在京雄鐵路施工過程應(yīng)用中創(chuàng)造了較好的經(jīng)濟效益和社會效益，實現(xiàn)了關(guān)鍵技術(shù)目標(biāo)，縮短了施工工期，節(jié)約了成本，降低了造價和安全風(fēng)險，推動了鐵路工程智慧化施工的實現(xiàn)，應(yīng)用前景廣泛。