基于建筑信息模型的铁路工程安全管理体系研究*

张钦礼，王　雅

(中南大学 资源与安全工程学院，湖南 长沙 410083)

0　引言

随着我国铁路事业的高速发展，铁路建设趋于精细化、复杂化，对于工期、质量、技术和协调性的要求越来越高，安全管理的要求也越来越严格。传统的施工管理手段存在着安全管理强度大、差错率高、计划信息整理、共享程度低等困难，不能适应现阶段施工安全管理的需要[1]。建筑信息模型(BIM)以包含多层信息的三维模型为基础，通过模型与设计人员、管理人员、施工人员的信息交流实现协同作业，能够满足复杂工程项目安全管理的要求[2]。主要应用于建筑行业各个单位对项目的全生命周期管理，也可用于对桥梁工程的全寿命期管理[3]，结合DFCS模型实现不安全因素的自动识别[4]，结合定位系统建立工人安全行为预警系统[5]等。建筑信息模型的特点能够很好地应用于当今不断发展的铁路施工，实现各部门间的信息共享，及时同步施工方案与安全性施工、更新掌握各部分的施工安全与质量情况，增强各部门协调性，有助于保证项目全过程的安全进行。本文设计的铁路工程安全管理体系首先根据外业勘察的情况用Revit设计并构建铁路的三维模型，然后将模型导入广联达BIM5D，实现云管理，同时进行施工模拟、安全教育、质量安全管理与后期运行维护，以较简单、易实现的方式达到使用建筑信息模型对铁路工程进行安全管理的目的。

1　Revit三维建模

Revit系列软件主要用于建筑信息模型(BIM)的构建与协调，能够很好地帮助建筑设计师设计、建造和维护复杂性高、规模大的建筑，是BIM平台下最具代表性的设计软件之一。参数化设计、结构关联设计、参数驱动形体设计和协作设计是该软件的主要特征[6]，在铁路工程的安全管理中得到很好地应用。

1.1　铁路工程族的创建

在Revit软件中，族是组成项目的构件，同时也是参数信息的载体[7]。铁路工程的结构族可以有效地提高模型构建的效率，有助于管理数据和进行修改。在铁路工程的建筑信息模型应用中，Revit族有很大的优势，主要有：

1)复杂构件的重复性使用

在进行三维建模时，对于多次使用的构件如桩径相同的桩基、截面相同的墩柱、尺寸一致的轨道等，可以事先建立好结构族文件，通过调整桩基的长度、墩柱的高度、轨道的长度来适应不同的变化，属性相同的构件也可以通过复制、阵列、镜像等快速创建，大大提高了建模的效率。

2)构件属性信息的传递

铁路工程中用到的构件、属性、结构等具有相似性，可以广泛地应用同一类型的建筑信息模型工程项目，既可以减少工作量，也可以为新建项目提供可靠的设计依据。

目前比较缺乏铁路工程结构族，也没有相应的族样板去创建对应的族，需要首先构建路基、桥梁、隧道等工程中需要的结构族。可以使用“公制常规模型.rft”族样板创建需要用到的各部分结构族并设置相应的材质属性，从而在应对复杂结构时，可以快速高效地构建贴近现实的模型，如图1。

图1　箱梁族构件Fig.1　Box girderfamily

1.2　三维模型的构建

Revit创建的三维模型具有信息量大、联动性协调性强、经济高效等特点，便于优化和升级。根据铁路工程模型建设的特点，在进行信息模型建立时，主要分为创建、检查、修改和提交4个阶段。

1)创建模型

首先需要对照设计图纸，通过手工、族库与自动化3种方式创建工程项目的BIM模型，还需要针对铁路工程各个部分的特点在各自的模型中对模型信息进行匹配。

2)检查模型

通过现有的一些插件，结合自己开发的插件，对建立好的模型进行全面的检查，检查内容一般包括：构件、管线等碰撞检测、族、模型的规范性检测等。

3)修改模型

根据检查出的模型的不足，可以手动修改或者通过插件进行优化，不断调整直到通过检查。

4)提交模型

检查合格的各类族库、模板以及属性等信息齐全的铁路工程项目各部分BIM模型需上传至以Vault Server为资料管理核心、分布式Web系统为平台的集成系统中进行管理和利用[8]。

1.3　三维模型的应用

对比传统CAD二维图纸，构建完善的铁路工程建筑信息模型在安全管理中能够得到很好的应用，主要体现在以下3个方面。

1)过程控制

结合Revit实时设计可视化与实时分析的特点，可以在设计阶段就获得更直观、更及时的信息，从而选取最符合安全目标的设计方案与施工方案，通过三维剖面或动画脚本功能，实时引导作业人员对应工作，也可实现远程指导施工。

2)模型与进度关联

将建筑信息模型与施工进度信息进行关联，可以方便施工人员、管理人员及时获取各个工程的进度信息，具体包括施工日报表、计划时间、实际完成时间、现场进度照片等信息，从而可以及时发现施工过程中出现的问题并整改。

3)进行安全教育与技术交底

建筑信息模型具有信息完备性和可视化的特点，可将其作为安全教育培训的数据库，施工人员可以在逼真的环境中了解施工过程中的危险源、注意事项等等，能够提高安全培训的效果与效率[9]。同时可结合三维模型制作指导动画，实现技术交底。

2　BIM5D综合管理

广联达BIM5D在铁路工程的安全管理中，能够发挥很大的作用，通过广联达的Revit导入插件，可以将Revit建立的模型导入到BIM5D施工管理软件中，实现综合性安全管理。

2.1　施工过程模拟

广联达BIM5D具有强大的施工模拟功能，可以让铁路工程项目的安全管理人员在施工开始之前规划项目建设过程当中的各个重要节点的施工现场布置、大型机械与车辆的运行安排以及措施布置方案，提前发现问题，制定相应的改进方案进行优化。该施工模拟可以运用在整个施工建造阶段，前期指导施工、过程把控施工、结果校核施工，实现项目精细化管理[10]。使用效果对比见表1。

表1　施工模拟效果对比

2.2　质量安全管理

由于城市轨道交通工程建设风险大等诸多因素，传统质量安全管理手段难以满足城市轨道交通工程覆盖的要求，迫切需要利用信息化手段提高城市轨道交通工程的质量安全管理水平[12]。铁路工程同样需要协同性、同步性更好的质量安全管理方式。广联达BIM5D可以基于建筑信息模型对铁路工程项目进行质量安全管理。多方协作平台广联云能够在云端存储和管理整个项目生命周期中的全部信息。当在施工过程中进行安全检查发现问题时，可以通过手机对质量安全内容进行拍照、录音和文字记录，并与三维模型建立关联，上传到云端，实现电脑和手机数据同步，在模型中以文档图钉的形式展现，协助生产人员对质量安全问题进行管理，手机端管理流程如图2。

图2　BIM 5D手机端管理流程Fig.2　BIM 5D mobile management process

2.3　竣工验收与运营维护

在铁路工程项目建设中，经常因为管理或者人员存在的问题，设备检验与维护落实不到位，未能有效及时地发现设备缺陷，导致事故的发生。因此需要采取合适的方法，有效地管理设备，做到故障的预知与及时维修维护，避免事故的发生[13]。广联达BIM5D可以通过对模型导入运维信息，包括厂商信息、设备信息等，结合预设的使用规范与期限同对应设备、构件建立关联。在施工过程中，管理人员可以将施工时间、质检情况、使用说明等信息关联到构件上并存储在云端，通过建筑信息模型对铁路工程中的隐蔽工程、机电管线、阀组等的定位、安装时间、使用年限等数据与信息，实现对项目的运维管理。

3　铁路工程安全管理体系的构建

本文构建的铁路工程安全管理体系主要是基于Revit软件和广联达BIM5D平台，实现对铁路工程项目进行全生命周期、实时性安全管理。主要分为3个阶段：设计阶段、施工阶段与运维阶段。利用建筑信息模型构建新型铁路工程安全管理体系。

3.1　主要内容与整体构架

保证地铁工程施工安全的关键在于预先或及时发现危险源并采取相应的安全措施防止事故的发生。充分发挥建筑信息模型可视化、定量化、全面化、可协调化等特点，可以为铁路工程安全管理提供更为及时、准确的信息，使管理人员能直观地了解施工全过程，便于找出各个阶段的安全隐患与风险，制定出合理可行的安全防范措施，也可以实时对工程进行检查与整改，及时调整施工方案。铁路工程建筑信息模型安全管理体系的构建主要从3个阶段分析，其构成框架如图3所示。

图3　安全管理系统框架Fig.3　Safety management system frame diagram

3.2　设计阶段

铁路设计一般分为初步设计和施工图设计两阶段，通常涉及到地质、线路、站场、桥梁、隧道、通信等二十多个专业，各专业间需要进行频繁和海量的设计信息沟通[14]。Revit软件可以实现不同专业之间通过工作集协调作业，达到互通互联，资源共享的目的。在设计桥梁、隧道、线路等铁路主要结构时，由于其密切相关，因此可以将这些设计工作整合到同一个三维平台中，设计时可直接调用外业勘测数据库，设计成果上传至统一的数据库，便于各单位协调与改进。

BIM5D的施工模拟也是安全管理中的重要一环，可以利用软件制作专项方案的动画模拟，从不同的角度、距离向管理人员与施工人员展示不同项目的施工进度，也可以对比计划与实际时间节点的工况，施工现场的布置，施工方案的安排等等，实现三维可视化交底。通过对模拟过程的观察，对需要改进内容进行标注，可以输出为专项方案施工模拟视频，以此为参考，设计单位可以划分风险等级，制定技术措施；建设单位组织风险评估并制定高风险防范管理专项机制；监理单位全过程观察，发现不足及时完善。

3.3　施工阶段

施工阶段的安全管理直接关系到工程建设的安全水平。结合BIM5D软件首先可以实现对铁路工程项目的日常安全管理，在进行安全检查时，当发现某个部位存在安全隐患或者质量问题时，可以在手机端的三维模型对应位置进行标注，注明问题所在的位置、检查时间、应对措施等信息，自动同步到云端与PC端，方便管理人员查看任意节点、施工段及构件的质量安全状况。根据一段时间的安全检查情况，软件可以自动生成工程质量安全统计分析报表。

工地安全监测工作可以与建筑信息模型相结合，实现安全风险预警。例如隧道工程中，当拱顶下沉等监测数据或安全步距等施工数据超过预先设定的阈值后，自动报警，并会在BIM模型中对应的危险区域发出红色预警[15]。

管理人员与施工人员的安全教育是安全施工的重要保障，结合三维可视化模型与施工模拟动画，安全管理人员能够直观地找出容易发生事故的危险区域、导致事故的危险状态，引起足够的重视并采取措施保证施工安全；施工人员能够充分了解生产原理、工艺流程、设备构造等知识，从而能更方便地对其进行维护保养、故障排除、事故处理等安全教育。对于专项施工人员，如桥梁、路基、高空等的安全培训也可以通过建筑信息模型了解项目施工特点和安全防范重点，提高安全意识与技能，保障人员安全、设备安全和施工安全。应用过程见图4。

图4　施工阶段BIM 5D应用Fig.4　Application of BIM 5D in construction phase

3.4　运维阶段

铁路工程的运行维护对于后期铁路的正常运行至关重要。现阶段铁路企业运维过程不统一，管理执行力不强，运维效率偏低，成本居高不下[16]。利用BIM5D软件可以在铁路运营阶段，在模型中输入列车运行数据，通过与各项设计指标进行对比，实时调整列车的运行；及时在BIM模型中更新设备信息与维修信息，便于检查与维护，设备到达使用年限时提前预警，制定养护维修计划；运维信息与三维模型直接匹配，清晰地显示设备通路，当发生故障时能够迅速分析出影响范围及解决方案。

4　结论

1)通过Revit与BIM5D软件结合的方式能够简单高效地实现建筑信息模型对铁路项目的安全管理，构建信息化管理系统。

2)相比于传统的铁路工程安全管理，结合建筑信息模型的安全管理体系能够实现各个阶段各单位信息的及时共享与更新，避免了管理过程中信息滞后的问题，增强了各部门的联系与协作，共同实现安全管理。

3)建筑信息模型的可视化设计、施工模拟等特点能在施工前验证方案的可行性，预先采取安全措施保障安全施工；移动端与云平台实现了质量安全管理的随时性与同步性，同时也便于铁路工程后期运维管理，构成全生命周期的安全管理体系。

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