基于BIM的地铁施工过程集成管理

周少东， 饶 阳， 周 迎， 徐海清

基于BIM的地铁施工过程集成管理

周少东1， 饶 阳2， 周 迎2， 徐海清1

（1.武汉地铁集团有限公司，湖北 武汉 430030；2.华中科技大学 土木工程与力学学院，湖北 武汉 430074）

地铁施工过程是一个复杂的过程，涉及进度、成本、质量、安全等多维度信息，传统管理模式下难以实现多维度信息的准确高效传递与集成管理。本文针对地铁施工过程在传统管理控制模式下遇到的挑战，提出了一种基于BIM的地铁施工过程集成管理解决思路。首先，在地铁3D-BIM模型的基础上，讨论如何将进度、成本、质量、安全等工程维度与3D模型进行关联生成集成控制模型；然后，在此基础上构建出地铁施工过程集成管理系统；最后，以武汉地铁2号线中南路站项目为案例，详细介绍了施工过程中集成管理系统的构建过程和各功能模块的应用，通过系统的实施效果反映出集成管理的效果，进而充分体现了基于BIM的地铁施工过程集成管理的应用价值和发展前景。

地铁； 施工管理； BIM； 集成管理

根据美国国家 BIM标准（NBIMS，National Building Information Modeling Standard）对BIM的定义［1］：BIM是关于设施的共享知识资源，为设施全生命周期的决策制定提供可靠的信息支持，从最早期的概念阶段到最终的拆除阶段。BIM模型可以集成建筑工程项目的多个维度信息，形成一个中央信息库，以协助项目各参与方在建设施工过程中协同工作，不仅方便各参与方获取所需信息，实现信息的共享，而且保证了信息高效率、高保真率的传递流通。

住房和城乡建设部《2011～2015年建筑业信息化发展纲要》中提出：推进BIM技术在施工阶段的应用，加快推广4D项目管理技术在工程项目管理中的应用。可见，BIM作为一种新兴数据化技术，已逐步受到建筑行业各方的认可，发挥着越来越积极的作用［2］。

因此，在地铁施工过程中构建基于BIM的集成管理系统，不仅可以对地铁施工过程中进度、成本、质量和安全等多个目标进行有效的集成管理控制，而且也可以更好地让建筑企业将BIM技术应用到实际工程中，发挥BIM技术的价值。

1 研究背景

1.1 研究现状

建筑信息模型（Building Information Model，BIM）是一个智能化的建筑物3D模型，它能够连接建筑生命期不同阶段的数据、过程和资源，是对工程对象的完整描述，可被建设项目各参与方普遍使用，帮助项目团队提升决策的效率与正确性［3］。目前研究表明BIM可以支持建设项目全生命期的信息管理，形成一个面向建设项目全生命周期的工程信息集成管理平台，建立基于工程信息交换标准的信息模型，对项目各阶段相关的工程信息进行有机的集成、共享和管理，支持项目各参与方工作流程定义，从而实现项目全生命期工程信息的集成管理［4］。清华大学课题组承担的国家自然科学基金项目“面向建设项目生命期的工程信息管理与工程性能预测”就是研究基于IFC（Industry Foundation Classes）和 EDM（Engineering Data Management）的4D信息模型，开发相应的工程信息集成平台以支持建设项目全生命周期的数据交换与共享，以实现工程信息的集成化管理［5］。张建平等人［6］则通过解决在BIM环境下的三维建模、施工信息建立与扩充、BIM模型的录入导出等关键技术问题，开发针对建筑施工的BIM建模系统，建立3D几何模型参数化，施工信息组建、链接、查看、编辑和扩充，BIM模型录入和导出等功能。由此可以看出，现有研究对于在建设行业应用BIM进行集成管理方面已经取得较多成果，但是在如何实现3D BIM模型与施工进度、成本、质量和安全等多目标集成管理控制的无缝融合，尤其是在地铁施工领域构建基于BIM的施工集成管理系统，还少有研究。

1.2 研究目的

地铁作为新兴城市轨道交通系统，不仅有运量大、速度快的优点，还可以充分利用空间，进而有效避免城市地面拥挤，因而成为了中国各大城市建设便捷的公共交通系统的优先选择。据中国住房与城乡建设部最新报告显示，到2015年将有超过30个城市的2495 km地铁线路投入运营或正在施工，总投资超过11560亿元人民［7］。然而，由于地铁施工过程具有复杂性、隐蔽性等突出特点，再加上又面临着不可准确预知的地质和外部情况，也需要保障临近建筑、行人的安全和交通畅通等，使得地铁施工过程存在突出的隐患与风险［8，9］。2003年10月8号北京地铁五号线崇文门车站工程发生临时钢管架体倒塌事故，造成3人死亡，1人受伤。2008年11月15日杭州地铁湘湖站基坑施工中湘湖站北2基坑发生坍塌，造成21人死亡，直接经济损失4962万余元的重大事故［10］。2010年6月5日北京地铁顺义站深基坑钢支撑发生掉落，造成2人死亡，8人受伤。因此可见，加强对地铁施工过程中各方面的有效控制以规避事故的发生显得尤为重要。

但是，在现有的施工管理模式下，信息在传递过程中存在严重的流失现象，从而导致地铁施工过程中无法实现进度、成本、质量和安全等信息的准确高效传递，也就无法实时监测进度、成本、质量和安全等方面的控制指标，这无疑是地铁施工事故频发的一个重要因素。综上所述，为了实现地铁施工过程中进度、成本、质量和安全方面的集成管理控制目标，急需建立一个地铁施工过程集成管理系统。

2 基于BIM的集成控制模型构建

BIM能够帮助最终用户在整个生命周期中随时检索三维实体模型的任何相关信息。在地铁施工过程中将以3D模型作为基础，在此之上集成进度、成本、质量和安全方面的管理信息从而形成一个集成控制模型，那么这个集成控制模型就是一个存储了所有建筑设计的几何信息和所有活动的技术信息的工程信息数据库。用户以这个工程信息数据库作为管理支持平台就可以在项目的各个阶段中，随时检索到项目进度、成本、质量和安全管理所需的任何信息，从而信息传递的效率获得了有效提高，信息流失现象也同样得到了有效改善。

2.1 3D模型构建

在建筑全生命周期过程中，3D模型可以被看作是一个不断完善与扩充的数据库。地铁施工过程中进度、成本、质量和安全等维度信息可以通过3D模型的扩展接口与之进行有机的联系与结合，进而形成集成控制模型。由此可见，集成控制模型的构建基础即是3D模型。

工程项目在BIM环境下的信息集成是将有关建筑工程的所有工程数据存放在一个统一的标准数据库中，那么作为集成控制模型构建基础的3D模型，其中所包含的构件信息就必须要满足完备性、关联性和一致性这三点特征（详细描述如图1所示）。

图1 3D模型中构件信息特征描述

3D模型构件的表达是集成控制模型的基础，而实体3D模型的组成基础是图元。图元即一种基本单位，它是指由特定图形单元与特征组合而成的。3D模型由模型图元和注释符号图元两部分组成：模型图元代表建筑的实际三维几何图形，分为建筑图元和临时图元两类，建筑图元是指构成BIM模型主要实体的图元，临时图元则是随着工程的进展而变化的模型中的其他实体；注释符号图元也分为两类：一是对模型图元标记、解释的图形元素，二是创建非实物环境的基准图元。表1详细展示了3D模型图元的组成。

表1 3D 模型图元组成

2.2 集成控制模型构建过程

3D模型集成了图元的丰富信息，全面展现出施工过程中所有构件的几何、材料等属性信息，实现了实体建筑与数字建筑的一体化。在构建出3D模型后，需要将地铁施工过程中进度、成本、质量和安全维度的相关信息遵循一定的规则进行调整后通过已构建的3D模型的扩展接口进行关联，进而生成集成控制模型。

（1）进度维度

进度管理包括多个进度单元的施工进度目标，因此，要将施工过程的进度信息与3D模型进行关联，首先必须要根据进度目标，由粗到细，由上到下构建工程项目分解结构（WBS），并制定出多个互相联系的进度计划，进而形成一个项目进度计划系统，并据此确定施工进度单元；然后，将施工进度单元中涉及的构件与3D模型中相对应的图元进行关联，从而实现了进度信息与3D模型的关联。

（2）成本维度

在实现成本信息与3D模型关联时，首先要形成CBS数据库，这个数据库就是在对3D模型中各构件进行项目特征定义时形成的，是各构件对应的类型、规格、品种以及做法设计等属性信息的集成，然后将3D模型按国家标准的算量、定额、清单等规范分解到单元构件项目，必须保证这些单元构件项目是最小单元构件项目，分解基准是能迅速计算出相应工程量，并且同时能通过套用对应单价有效计价。最后，将这些单元构件项目与CBS成本信息相关联，也就将工程成本项逐层分解为成本单元，实现了成本信息与3D模型的关联。

（3）质量维度

建筑工程施工项目质量控制内容包括：单位工程质量、分部工程质量、分项工程质量、检验批质量、工序质量。想要确保整体质量管理控制目标，就需要从最基本的工序质量控制入手以实现基本单元的质量控制。首先，将工序质量控制中操作者、机械设备、材料、工艺方法、测量和环境六大因素的质量控制要求参数化，然后在3D模型中“建筑图元”的属性信息中对应设置相应参数，从而实现工序质量信息与3D模型的无缝结合（具体实现路径如图2所示）。

图2 质量维度关联3D模型实现路径

（4）安全维度

在事故致因理论的基础上，地铁施工中安全事故都是由于人的不安全行为、机（物）和环境的不安全状态以及人-机（物）-环境的不协调所引发的。因此，针对物/环境的不安全状态以及人-物-环境不协调这两方面作为集成管理中安全管理的切入点，将结构安全、施工空间冲突以及资源管控作为安全管理重点，划分出对应的安全单元，形成RBS数据库，再将各安全单元的安全信息关联到相应的模型图元中去，从而实现安全信息与3D模型的关联。

在进度、成本、质量和安全信息进行相应分解、分类或调整处理后，就实现了地铁施工过程中各方面维度信息与3D模型的无缝结合，从而可以构建出集成控制模型。具体的集成过程如图3所示。

图3 集成控制模型集成过程

3 基于BIM的集成管理系统构建

在形成由3D模型扩充完善的集成控制模型后，就可以借助集成控制模型进一步构建出BIM环境下的进度、成本、质量和安全的集成管理系统（集成管理系统框架如图4所示），从而借此开展进度、成本、质量与安全多方面的集成管理，实现集成管理控制的目标。

图4 集成管理系统框架

（1）进度方面

根据“WBS+3D模型+时间轴”的进度控制模型总结出基于BIM的项目进度管理业务流程（图5）。总进度计划的编制是进度管理业务流程的开端，在施工项目开始前，进度计划编制人员和部门经理首先研究BIM数据库中的资料，从实质上了解掌握各单位的工作情况后，编制出高层级的活动计划，然后再与分包商经理编制单位工程（或单项工程）进度计划。每个施工班组组长再根据上一级的进度计划拟定各自的周计划，并需要经过大家的认同，表示能够接受计划中属于他们部分的工作，进而形成进度计划系统。之后，就可以通过虚拟施工过程检查各个级别的进度计划，如工作持续时间安排是否合理，工序之间的逻辑关系是否正确等，从而对各个级别的进度计划都可以进行优化，以达到实际施工过程中对进度进行管理和控制的作用。

图5 进度管理业务流程

（2）成本方面

在建模时对工程各个构件的项目特征以颁布的清单规范为基准来进行细致的定义描述并编辑在各工程构件属性里，形成将各构件对应的类型、规格、品种以及做法设计等属性信息集成起来的CBS数据库。同时在施工预算阶段按月或关键时间节点来调整模型中的实际成本信息，实现面向过程的工程计价，提供施工预算的精确程度。

利用建立的“3D模型+时间轴+CBS”的成本控制模型，总结出成本管理业务流程（图6），不仅施工图预算阶段可以有效快速地导出各种成本信息，统计出各阶段的成本，帮助成本管理者进行有效的成本分析，而且施工预算阶段可以根据进度计划预测出后一阶段的成本。

图6 成本管理业务流程

（3）质量方面

前文提到本系统是从工序质量控制入手以实现基本单元的质量控制，因此，为了实现工序质量与BIM模型的无缝结合，需构建出质量控制业务流程（图7）。质量控制业务流程基于BIM环境下“产品”质量控制的参数化设置（如对于混凝土工程检验工序质量控制的“产品”——混凝土，在实际施工中，不仅要满足工程混凝土本身的各项质量要求，还要清晰地掌握该“产品”的厂家、成份，及它在不同施工阶段所需要的不同配料比、浇筑操作、养护等信息），进而实现对质量控制中组织和过程的管理模式的划分。对“组织”层各方面的质量控制进行权限设置与业务功能要求，使得各方各有重点，有机统一地集成进行质量控制，也就保证了“过程”质量控制能够落实到人，从而在“产品”质量控制上拥有清晰的责任人、标准规范要求和过程控制。

（4）安全方面

地铁车站施工中，安全问题是随着施工过程在时间和空间上不断发生演化的，安全控制模型是基于三维实体和施工过程时间轴描述演化的规律，然后在此基础上，通过集成其它安全维度信息，构建出的多维安全信息模型，最后将叠加的结果利用可视化技术与手段传递给现场人员，实现对危险部位及区域的实时预警及控制。

图7 质量控制业务流程

构建的集成管理系统中将结构安全、施工空间冲突以及资源管控作为安全管理重点，安全管理业务流程如图8所示。为了通过基于BIM的集成控制模型来主动管理类如机械、材料这些资源，那么在模型中，除了包含机械、材料等构件的三维几何信息，如空间位置、形状等相关信息，还需要包括相应的工程属性信息，如构件的类型、材料组成、结构类型、工程性能、工程安全性能、材料耐久性能等多类信息；还有施工工艺、保修期限、保修人等施工信息等；特别重要的，施工过程中重要结构的实时监控情况、相关活动的实施空间和移动轨迹详情也要链接整合到3D模型中，以确保模型安全信息的完整程度，也就便于确保机械设备、材料等物的安全状态，避免不安全状态的出现。

图8 安全管理业务流程

4 案例分析

4.1 工程概况

武汉地铁2号线中南路站是武汉地铁2号线与武汉地铁4号线的换乘车站，位于武汉市武昌区主干道中南路下。整个车站建筑物由车站主体、出入口、通道及风亭四部分组成，分为地下两层：地下一层为站厅层，地下二层为站台层。车站总长298.4 m，车站总建筑面积为3080 m2。本车站属于大体积混凝土工程，需要严格控制大体积混凝土温度与裂缝。

地铁2号线中南路站工程直接关系到武汉轨道交通两条线路的顺利开通运营，该工程在施工过程中进度、成本、质量和安全的主要目标有：进度方面需要保证项目能够统筹规划，合理安排，优化方案以确保工期；成本方面需要严格把控成本控制指标；质量方面需要确保工程达到武汉市地铁样板工地目标；安全生产方面需要确保在项目施工中无重大安全事故。

4.2 地铁施工过程集成管理系统应用

为了实现该项目在工程施工过程中进度、成本、质量和安全方面的目标，本文以武汉地铁中南路车站施工为案例，将项目进度、成本、质量、安全等维度信息与3D模型链接构建出了集成控制模型，开发出基于BIM的地铁施工集成管理系统，然后将其全面应用到工程项目施工过程中进行集成管理：

（1）进度管理

在中南路站项目施工开始前，地铁施工集成管理系统中3D模型中图元已经与进度计划系统中最早开始时间、最晚结束时间等进度信息相链接，因此三维模型就能结合时间轴以动态的形式显示工程项目的施工过程，形成了虚拟施工动画。施工单位可以清晰看到整个施工项目的“成长”过程，通过不同施工方案的这种可视化展示来进行比选、优化施工方案，利于决策。

在项目实施过程中，现场工程师通过电脑或者手持终端设备以文字、照片等多种方式跟踪记录各进度单元的实际进度情况、提前或者延误的原因以及下一步的应对措施等进度信息，并存储于系统中。集成管理系统利用进度信息表格、横道图或网络计划图建立进度跟踪视图（图9），通过运行中南路站项目虚拟施工动画，施工管理人员可以直观地看到中南路站施工项目的进展情况，发现施工过程中的进度问题和困难时，施工班组组长及时向上一级项目管理人员汇报，协商解决问题或重新拟定工作计划。

图9 进度跟踪视图界面

（2）成本管理

工程项目施工前，集成管理系统会快速地对项目的成本进行分类汇总、统计等工作，生成准确的工程量清单，以便于后续的成本控制；同时系统通过模型将计划成本信息与进度信息关联，业主方可以获得地铁施工期间计划成本分析清单，从而合理规划资金流，如图10所示。

图10 成本管理应用界面

在工程项目施工过程中，及时录入实际工程量、实际成本以及变更等成本信息数据，系统一方面将实际消耗成本与计划成本进行对比，不断掌握其中的差距，从而达到成本的全过程实时控制，另一方面系统根据支付等相关信息进行成本项目分类和汇总从而对超支、逾期未付等多项成本指标进行控制。

（3）质量管理

在中南路站项目施工过程中，根据施工各分部分项工程的完成情况和质量检验情况，实时在系统模型中更新数据。在系统中点击建筑图元，就可以获得该建筑图元对应质量检验批的质量检查详情（图11），便于各分部分项工程施工质量情况的查找，同时也留档为后期的竣工档案资料归档提供帮助。同时在系统中通过模型图元的实时不同颜色来反映中南路站施工项目的质量检验情况，便于参与方实时、直观、准确地掌控项目施工质量的宏观情况。

图11 质量检查情况查询界面

模型中的图元会出现“灰色”、“黄色”、“红色”“绿色”“橙色”五种状态：“灰色”代表未施工或还未进行质量检验；“黄色”代表质量检验正在被执行；“红色”代表质量检验不合格；用“绿色”代表质量检验合格；用“橙色”代表质量还需再检一次。

（4）安全管理

在项目施工开始前，通过集成控制模型进行动态4D施工模拟，施工方一方面获得对结构安全性能可视化的表现，用以评价结构安全性能并确定危险区域的级别，从而为施工活动区域限制提供指导；另一方面对施工空间冲突进行检查（如图12a所示），规避可能发生的冲突，并用以寻找施工机械的最优行经路径和施工人员安全活动范围，从而大大降低因人-物-环境不协调造成的安全事故和人员伤害发生的可能性。

在施工过程开始前，对施工现场重点关注区域布置监测点，以便于施工过程进行中对施工现场状况进行持续性的监测，实时采集监测数据，在施工进行的过程中通过监测点实测数据分析该点的安全等级，结合实体三维几何模型的模型图元实时显现的红橙黄绿四种不同颜色，通过可视化手段实时定位报警危险单元，以及其影响区域（图12b所示）。与此同时，在施工过程中，模型会随着施工进度，实时提醒机械、设备等资源的状态，何时由谁如何进行保修、下一次保修是在何时等信息（如图12c列表所示），对于机械、设备或者材料的使用期限、已使用时间，施工方都可以通过模型快速方便地查找，确保这些资源处于安全状态，不会存在安全隐患。

5 结 语

当前在地铁施工领域中实现基于BIM的施工进度、成本、质量和安全多目标集成管理控制，研究上还较少见，但在建筑业信息化快速发展和普及的大趋势下，必将有广阔的发展前景。本文以武汉地铁2号线中南路站工程为实际案例，基于BIM理论与技术体系，将地铁施工过程中进度、成本、质量与安全四大维度与3D模型融合形成集成控制模型，进而构建出集成管理系统，并详细介绍了施工过程中集成管理系统的构建过程和各功能模块，通过系统在中南路站工程施工过程中在进度、成本、质量与安全集成管理工作上的实施效果反映出集成管理的效果。可以看出，在项目中，通过运用这个系统可以带来良好的经济效益和社会效益，充分体现了BIM技术广阔的应用价值和发展前景。下一步将会进一步完善集成管理系统，以推动基于BIM的集成管理系统在建设工程领域的应用，从而创造出更高的价值回报。

图12 系统安全管理应用示例

［1］National Institute of Building Science.United States National Building Information Modeling Standard，Version1-Part1［EB/OL］.［2007-12-18］.http：//buildingsmartalliance.org.

［2］Lin Y C.Construction 3D BIM-based knowledgemanagement system：A case study［J］.Journalof Civil Engineering and Management，2014，20（2）：186-200.

［3］胡振中，张建平.基于子信息模型的4D施工安全分析及案例研究［C］//第六届全国土木工程研究生学术论坛论组委会.第六届全国土木工程研究生学术论坛论文集.2008：1-6.

［4］方立新，周 琦，董 卫.基于IFC标准的建筑全息模型［J］.建筑技术开发，2005，32（2）：98-99.

［5］张建平，郭 杰，王盛卫，等.基于IFC标准和建筑设备集成的智能物业管理系统［J］.清华大学学报（自然科学版），2008，48（6）：940-942.

［6］张建平，刘 强，余芳强.面向建筑施工的BIM建模系统研究与开发［C］//中国土木工程学会计算机应用分会.第十五届全国工程设计计算机应用学术会议论文集.2010：324-329.［7］Ding L Y，Zhou C.Development of web-based system for safety risk early warning in urban metro construction［J］.Automation in Construction，2013，34：45-55.

［8］卢志远，王国本.浅谈地铁施工风险管理［J］.科技信息，2012，（6）：373.

［9］Ding L，Zhang L，Wu X，et al.Safetymanagement in tunnel construction：case study of Wuhan metro construction in China［J］.Safety Science，2014，62：8-15.

［10］张国亮.紧邻既有线地铁车站深基坑工程稳定与变形特性研究［D］.长沙：中南大学，2012.

BIM-based Integrated M anagement for Metro Construction Process

ZHOU Shao-dong1，RAO Yang2，ZHOU Ying2，XU Hai-qing1
（1.Wuhan Metro Company，Wuhan 430030，China；2.School of Civil Engineering and Mechanics，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430074，China）

Metro construction process is a complicated process，involvingmulti-dimensional information likeschedule、cost、quality and safety.In the traditional management mode，multi-dimensional information is hard to achieve accurately and efficiently to transfer and integratmanage.Aiming at the challenge of Metro construction in traditionalmanagementmethods，this paper proposes a solution of BIM-based integrated management for Metro construction process.First of all，based on 3D BIM model ofmetro，we discuss how to integrate different information about schedule、cost、quality or safety in the same 3D model；and then how to develop the integrated management system based on the integrated model；Finally，taking ZhongNan Station in Wuhan Metro Line 2 as an example，this paper introduces details of hardware configuration and function modules of the integrated system，shows the usage and implementation effect of this system，which deeply reflects wide application value and development prospect of BIM-based integrated management formetro construction process.

metro；construction management；BIM；integrated management

TU17

A

2095-0985（2016）04-0001-07

2016-01-26

2016-02-23

周少东（1962-），男，湖北武汉人，教授级高级工程师，研究方向为地铁施工管理（Email：zhousd@whrt.gov.cn）

国家自然科学基金（71471072）