基于BIM的轨道交通数字化施工集成管理研究

2017-06-01戴慧丽

城市道桥与防洪 2017年4期

关键词：管片管理系统隧道

戴慧丽

（上海城建市政工程（集团）有限公司，上海市 200065）

基于BIM的轨道交通数字化施工集成管理研究

戴慧丽

（上海城建市政工程（集团）有限公司，上海市 200065）

轨道交通施工过程是一个复杂的过程，涉及进度、质量、安全等多维度信息，传统管理模式下难满足多维度信息的管理要求。针对隧道施工过程在传统管理控制模式下遇到的问题，提出了一种基于BIM的数字化施工集成管理方法，构建了基于BIM的数字化施工管理平台。最后，以上海轨道交通12号线11标为应用对象，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。

BIM；施工管理；数字化

0 引言

随着信息技术在工程管理领域应用的不断拓展和建筑业科技水平的迅猛提高，国家对建筑行业安全标准和监管力度的逐步加强，工程施工现场管理也要求达到信息化和标准化，打造“数字化工地”已成为施工现场信息化管理的新要求和新目标，建立一套完整的数字化工地管理系统也成为未来的主流趋势。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[1]。

本项目基于现代物联网、BIM等技术研究基于BIM的数字化施工集成管理系统，并在上海轨道交通12号线11标工程上进行了应用。

1 研究现状

城市轨道交通作为城市大型基础设施，其建设与发展速度的正确决策，会对城市社会、经济和交通的持续发展产生重要影响。城市轨道交通往往穿越城市繁华地区，商业、交通繁忙，地面建筑物众多，其施工过程势必会影响正常的城市交通，其在建设期间往往会加重城市交通拥堵状况，增加城市交通压力，故按期完成城市轨道交通的建设尤为重要。然而现阶段的城市轨道交通项目建设效率低、信息化程度低，而且由于城市轨道交通建设项目自身的特殊性，技术难度大、建设环境复杂、建设过程动态变化等特点，给工程的进度管理和控制带来了巨大压力，经常会出现工期拖延的情况，对城市居民正常生活造成重大影响。

建筑信息模型 (Building Information Modeling，BIM)以三维数字技术为基础，通过一个共同的标准，目前主要是 IFC(Industry Foundation Class)，集成了建设工程项目各种相关信息的工程数据模型。作为一项新的计算机软件技术，BIM从CAD扩展到了更多的软件程序领域，如工程造价、进度安排，还蕴藏着服务于设备管理等方面的潜能。BIM给建筑行业的软件应用增添了更多的智能工具，实现了更多的职能工序。设计师通过运用新式工具，改变了以往方案设计的思维方式；承建方由于得到新型的图纸信息，改变了传统的操作流程；管理者则因使用统筹信息的新技术，改变其前前后后工作日程、人事安排等一系列任务的分配方法[2]。

在进度管理方面，清华大学BIM课题组一直走在4D研究的最前沿。清华大学张建平教授上世纪九十年代开始，一直致力于4D模型的理论和技术研究。课题组开发的4D-GCPSU的促进了4D施工模型的理论发展，填补了4D模拟施工领域的空白吸纳了国际上先进的施工模拟系统的优点，在具备常规功能的基础上还增加了更多的管理工具，适用范围更加宽广。通过WBS和信息交互等核心模块的共同作用，建立了4D可视化平台，实现4D集成化施工管理。与国外同类系统相比，它具有支持基于IFC标准的数据集成与交换、信息高度集成、预留升级空间用于4D++模型扩展等优势，该4D施工管理系统的研发成功和实践应用在国内是首次，完全自主知识产权并达到了世界一流水准。但是，该项成果局限于工程项目现场施工进度管理，没有将其应用范围扩展到全生命周期，从而无法尽早开展对项目的可行性研究和早期规划，是一个不小的遗憾。另外，该4D系统的三维模型只是对工程的不完全模拟，只包含基本信息，没有存入其他相关工程信息，所以还不是严格标准的数字化模型。陈谦、齐键在分析了项目施工组织和4D模型相关理论的基础上，详细分析了4D模型的可视化模拟、信息共享与交互等功能对施工进度产生的影响，他们认为4D模型的应用有利于工程目标的管理和控制，提高劳动效率丁杰从一体化的角度提出4D模型是设计与建造的一体化融合，分别使用CAD方法和BIM方法建立4D模型，并通过IDEFO验证了4D建模的实施过程[3]。牟铭详细介绍并总结4D模型的研究成果，并结合Revit软件提出了详细具体的4D建模方案，使Revit平台下的工程项目进度管理得以实现，满足建筑企业对信息一体化的渴望和追求[4]。4D模型的具体适用条件由丁卫平首先提出，他构造了“3D”+“时间维度”的4D模型，指出了模型的问题并给出模型的优化建议[5]。

在质量安全方面，国内一些学者对BIM的质量控制也做了相关研究，探讨了BIM技术在建设项目中的相关应用及BIM技术对传统项目管理带来的影响。张大镇、饶红旗、张月燕、王彦哲[6]对二维与三维数字化质量管控的优缺点进行分析比较，并合实践介绍了三维信息化质量管控的设计流程。郭秀平[7]对中吉大地公司的质量管理业务流程现状进行了全面的诊断，阐述了工程生命周期各阶段的业务流程。师征[8]建立了基于 BIM的工程项目管理流程，进行了组织结构设计、人员职责设计，并通过三层的别墅小楼实例模拟验证了其可行性。李亚东、郎灏川、吴天华[9]认为项目各参与方用BIM技术进行质量管理会更方便高效，指出了基于BIM的质量管理的关键数据处理和实施要点，最后结合上海中心实例进行阐述。应宇垦、王婷[10]指出 BIM的应用对现有的工程项目流程有所影响，评价一个工程的项目管理如何，首先分析其组织和流程，应以传统流程占主，BIM流程为辅，对现有的流程进行优化。肖梦琪、莫世聪、熊峰、董娜[11]从目前施工质量控制体系的缺陷出发，提出了基于BIM的清单式质量控制方法。李勇、郄恩田、郭阳[12]主要在三维模型展示工序流程、管件的碰撞检查、二维出图以及参数化设置、高集成化方便信息查询和搜集，四个方面阐述BIM的质量管理。田云峰、祝连波[13]利用三维激光扫描采集的点云数据和BIM模型的对接，分析了基于三维激光扫描和BIM模型在桥梁质量管理中的可行性和必然性，最后以中心滩黄河大桥为例阐述了基于三维激光扫描和BIM模型在桥梁施工阶段质量管理。刘志平、李慧良、彭永文[14]从产品质量管理和技术质量管理两个方面分析了BIM技术在工程质量管理中的具体应用。

本文从轨道交通施工数字化管理各个角度出发，构建基于BIM的数字化施工集成管理系统。在质量上，实现对隧道施工现场所有材料、设备进行监控，使得质量管控人员能智能的追溯、追踪质量上出现的任何问题；在安全方面，实现对隧道施工现场一些出现危险源的地方能第一时间发现危险状况，能第一时间对施工人员采取出相应安全保护措施，提前让施工人员对这些风险进行有效的防护措施；在项目质量管理上，实现整个施工过程的所有材料、设备、人员、进度、质量监控动态化、项目管理的协同化和项目信息展现的多样化。

2 基于BIM的数字化施工集成管理框架

基于BIM的数字化施工集成管理系统基于现代物联网技术、BIM技术、信息技术等，面向轨道交通施工的信息管理需求，实现工程质量、安全、物资的实时管理，增强工程质量、安全、物资管理的可追溯性，实时掌控项目工料机计划及实际耗用分析，强调多子系统联动校验分析，项目风险节点及时发现及预警，项目运行综合数据远程智能展现。

2.1 系统总体机构

整体系统结构见图1。其主要包括数字化安全管理系统（门禁管理子系统，视频管理子系统，人员定位子系统）、数字化管片管理系统、数字化物资管理系统和BIM集成管理系统。

其中数字化安全管理系统是将传统门禁系统、视频监控系统结合数字化RFID人员定位考勤系统形成的数字化管理平台。数字化管片芯片主要是对盾构施工信息的实时输入及整理、历史数据的统计及分析控制，本工程的数字化质量管理主要是通过安装在管片上的芯片，将动态施工信息、质量信息录入芯片中，通过在控制终端将施工参数动态输入，可以时刻确保动态信息反馈和控制，实现对盾构施工信息的即时控制。物资管理系统主要包含材料管理系统及设备管理系统，实现材料进出场管理、材料使用管理、材料的质量管理，设备进出场管理、设备维护管理、设备检查。BIM集成管理系统自动将采集到的数据与BIM模型集成，通过BIM模型，实现动态监控施工进度、施工质量、人员安全，完成风险辨识、评估、预警和控制。

图1 系统总体架构

2.2 数字化安全管理系统

该系统（见图2）主要实现工程施工安全管理信息化，工程施工安全追溯性，实时掌握施工安全动态，施工风险源动态控制目标。通过在安全帽上安装RFID射频芯片，通过固定位置读头读取RFID芯片信息确定佩戴安全帽的人员位置。读头将信息通过无线传输逐级传递到中央监控室中，动态跟踪人员轨迹。

图2 系统拓扑结构

2.3 数字化管片系统

该系统（见图3）通过将电子芯片固定在区间隧道管片内，以环为单位。施工人员现场手持机终端扫描芯片后进行信息输入，内容包括环号、管片型号、施工日期、管片合格证信息、施工人员信息、整圆度及注浆量等，手持机信息输入后与监控中心的PC机终端进行同步处理，所有信息都可以在后台进行分析处理，形成统计分析。

图3 数字化管片系统架构图

2.4 数字化管片系统

物资管理系统（见图4）实现方式与管片系统类似，将芯片固定在材料及设备上，通过手持机对材料及设备进行检查及记录实现物资管理数字化。

图4 数字化物资系统使用流程

2.5 BIM集成管理系统

该系统（见图5）部署在施工现场，工地端的人员追踪系统、管片管理系统、盾构推进系统，通过各自的数据采集设备，自动将井下与井上采集到的数据传递到工地端的核心数据库，数字化盾构隧道施工系统工程平台通过BIM模型，动态监控施工进度、施工质量、人员安全，完成风险辨识，评估，预警和控制。当风险大于预警线时，系统会将预警通过BIM模型呈现给用户。用户通过模型在线预警数据，详细了解风险形成的过程，进行风险进一步分析，制定解决方案。

图5 数字化盾构隧道施工系统工程平台拓扑结构

3 工程应用

系统以上海轨道交通12号线11标工程为应用对象，该项目地处徐汇区滨江开发区，主要包括龙华站～浦江南浦站区间隧道和浦江南浦站～大木桥路站区间隧道推进工程及旁通道2座、泵站1座。其中龙华站～浦江南浦站区间隧道长1 021 m，浦江南浦站～大木桥路站区间隧道长1 220 m，隧道顶埋深16.31～23.66 m，区间最小转弯半径380 m。本工程通过基于BIM的隧道施工过程管理系统的建设和应用，在对隧道整体施工质量及安全风险防范上取得了良好效果，同时也进一步提高了管理人员的责任心以及作业人员的安全意识（见图6～图9）。

图6 数字化安全管理系统现场应用

图7 数字化管片系统现场应用

图8 数字化物资管理系统现场应用

图9 BIM集成管理系统现场应用

4 结论

基于BIM的数字化施工集成管理系统在上海轨道交通12号线11标的应用取得了初步的成功，但该系统仅仅覆盖了施工管理工作，未来该系统可以在现有数字化管理系统基础上向混凝土预制件、PC建筑、地下开发等领域进行拓展。计划将现有“数字化管片管理系统”向前延伸至“隧道BIM模型建立”“管片生产管理系统”，向后将施工中的信息移交运营，为隧道后期维护管理提供便利，实现盾构隧道全生命周期管理。

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

[2]NationalInstitute ofBuilding Science.United StatesNational Building Information Modeling Standard,Version1 Part1[EB/OL]. http://buildingsmartalliance,Org,2007.

[3]丁杰.建设工程项目4D模型实现方法的研宄[J].项目管理技术, 2008(11):21-25.

[4]牟茗.四维建筑信息模型技术研宄[D].北京:北京林业大学,2009.

[5]丁卫平.建设工程集成化管理_nD模型的理论研宄与应用[D].上海:同济大学,2005.

[6]张大镇,饶红旗,张月燕,等.三维数字化技术在建筑设计全过程质量管控中的应用[J].福建建设科技,2012(3):48-50.

[7]郭秀平.中吉大地集团公司工程质量管理流程改善的研究[D].吉林长春:吉林大学,2012.

[8]师征.基于 BIM的工程项目管理流程与组织设计研究[D].陕西西安:西安建筑科技大学,2012.

[9]李亚东,郎灏川,吴天华.基于 BIM实施的工程质量管理[J].施工技术,2013,42(15):20-22.

[10]应宇垦,王婷.探讨 BIM应用对工程项目组织流程的影响[J].土木建筑工程信息技术,2013(3):52-55.

[11]肖梦琪,莫世聪,熊峰,等.基于 BIM的清单式施工质量控制方法[J].项目管理技术,2014,12(7):63-67.

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[13]田云峰,祝连波.基于三维激光扫描和 BIM模型在桥梁施工阶段质量管理中的研究[J].建筑设计管理,2014(8):87-90.

[14]刘志平,李慧良.BIM在建筑施工管理过程中的应用[J].建筑工程技术与设计,2014(13).