高速铁路施工进度数据图形化处理方法

宁新稳,朱　庆,任晓春,韩祖杰,王　华,赵　文,张　恒

(1.西南交通大学地球科学与环境工程学院,四川 成都 611756; 2.中国铁路设计集团有限公司,天津 300251; 3.中国铁路设计集团有限公司轨道交通工程信息化国家重点实验室,陕西 西安 710000)

在工程建设管理中,施工进度数据是管理者进行进度控制的基本依据,如何快速、准确、有效采集进度数据对工程进度管理至关重要,国际公认施工现场管理人员需要耗费工作时间的30%～49%用于进度数据的收集与分析[1].美国建筑业协会(The Construction Industry Institute)的研究结果表明,一个典型的建设项目大约有1%的成本花费在施工进度管理上[2].因此,研究施工进度数据采集方法不仅能够有效缩短项目工期,而且有利于对工程进度的准确把握.

长期以来,铁路工程施工进度管理主要采用手工记录的方式,通过电子表格将数据进行汇总,基于表格计算从而生成进度报告[3-4].这种方法由于采用手工的方式对数据进行采集和整理,因此需要花费项目管理人员大量的时间,十分不利于对高铁工程施工进度的整体掌握.此外,手工记录方式还存在数据标准化低、现势性差、数据粒度粗等缺点[5-6].虽然有摄影测量、三维激光扫描、无线射频识别RFID (radio frequency identification)等技术应用于项目施工进度的自动化监测[7-12],但由于进度粒度要求较细,扫描、录入工作量大,对建筑构件检索和识别的过程复杂、自动化程度较低,致使其应用局限性较大[13-15].

本文介绍了一种面向高速铁路建设管理的施工进度数据图形化处理方法.

首先,对铁路场景中的BIM模型按照工点工程进行分解,对路基、桥梁、隧道等专业的工程结构从逻辑层、物理层、施工管理方法等方面进行全面分解;其次,设计一种参数自动提取方法,对每个工点的设计参数进行逐步提取;然后,基于富互联网应用(rich internet application， RIA)和Web GIS等技术实现图形化的施工进度数据填报;最后,以阳大铁路为例,介绍了本文方法的应用,实现图形化的施工进度数据采集与进度报表的自动输出,并通过工点BIM模型对施工进度信息进行集成与共享,从而在3DGIS平台中进行三维形象进度管理与展示.

1　施工进度数据图形化处理原理

整个系统框架由数据层、服务层和应用层组成,如图1所示.施工进度数据处理系统首先要考虑满足实际工程进度管理的需要,在保障数据采集的准确性、实时性等前提下,尽量减少数据采集的复杂程度和工作量,同时采集的数据必须能够满足BIM模型管理应用需求,为后续BIM应用提供基础进度数据.施工进度数据采集系统作为铁路工程建设管理平台中的子系统,能与其它子系统进行数据共享和交换.

图1　进度数据图形化处理原理Fig.1　Structure of progress data graphical processing principle

数据层:存储系统所涉及到的所有空间数据和属性数据主要包括三维基础地理数据、模型数据和业务数据等.以BIM模型为信息载体,关联属性数据、进度数据和其它业务数据构建铁路信息模型RIM (railway information model).三维基础地理数据主要是指影像数据、高程数据和矢量数据,采用空间数据库引擎ArcSDE和大型关系数据库系统Oracle实现对海量数据的组织、存储和管理.

服务层:提供工点二维矢量图服务和三维地形服务.采用Openlayers提供的接口实现路基、桥梁、隧道二维矢量图发布.利用TerraGate在线发布三维地形服务,基于网络无缝可变带宽技术实时传送三维地理数据,当初始影像以低分辨率被用户所接收,用户就能够开始进行三维显示,而不用等到所有的数据集都传输完毕.

应用层:采用B/S(浏览器/服务器)结构,方便系统部署、使用和维护.系统融合了业主、承包单位、施工单位和监理单位等参建各方,实现进度填报、进度审核、报表输出、三维形象进度展示等功能,用户可通过电脑、手机等移动终端上的浏览器使用系统,可在施工现场填报、审核数据,也可回办公室用电脑处理.

2　施工进度数据图形化处理关键技术

2.1　基于BIM模型的工点工程分解

系统填报的进度数据需要满足BIM管理应用需求,能够驱动BIM模型进行三维进度管理与显示,同时也是工程BIM模型信息的重要组成部分.在综合考虑BIM模型粒度、项目管理需求、用户工作量、系统效率等因素的基础上,对路基、桥梁、隧道等专业的工程结构从逻辑层、物理层、施工管理方法等方面进行分解.

2.2　工点设计参数自动提取

工点设计参数可以从二维施工图中自动提取,也可以从BIM模型中导出,Catia、Revit等BIM建模软件都提供了模型参数导出功能.设计图纸参数自动提取技术是在AutoCAD平台下进行二次开发,依据桥梁、路基、隧道专业设计图纸规范建立读图规则,依据定义的读图规则进行解译,主要是以图层、颜色、线型等为依据,对实体CAD图形如梁、墩身、路基横断面、隧道纵断面等进行图形数据的提取,首先获取里程注记值和每个截面的轴线位置,以轴线为中心获取构件多段线、截面结构顶点参数,依据语义约束规则、空间位置约束规则等对数据进行检查、处理,录入数据库中,如图2所示.

图2　设计图纸参数自动提取流程Fig.2　Flow chart of design drawing parameters automatic extraction

2.3　基于RIA的Web GIS图形化填报

Openlayers是一个专门为Web GIS客户端开发提供的Javascript类库,是一种轻量级的开源Web GIS框架,支持多种地图格式,Web页面能实现页面的无刷新动态实时更新,能方便地将空间信息和非空间信息进行集成管理,非常适合于小范围、小尺度下的地理信息发布与应用.

在进行森林保护工作的过程中，林地保护人员的工作是非常重要的。但由于林区面积大，工作人员分配的等问题，容易造成部分林区的管理存在缺失，再加上部分林区管理规范不完善，林区工作人员工作不认真，导致森林保护工作没有落到实处。这样就给我国森林保护工作造成了很大的阻碍。因此，森林保护的人员管理问题就是影响我国森林保护工作的一个重要因素，需要尽快的加大对林区工作人员的素质培训。

RIA技术能充分利用客户端的计算资源平衡客户端与服务端的计算负载,减轻服务器的压力,数据被缓存在客户端,从而可以实现一个比基于HTML (hypertext markup language)的响应速度更快且数据往返于服务器的次数更少的用户界面.RIA给用户带来更丰富、更具有交互性和响应性的全新体验,是一种全新的Web应用解决方案.

系统利用Bootstrap富客户端+Openlayers构建Web GIS服务,利用工点参数和进度数据在线生成二维矢量图,开发图形化进度查询、填报、审核等功能,如图3所示.

图3　Bootstrap+Openlayers系统架构图Fig.3　Bootstrap+Openlayers system architecture diagram

3　试验与分析

3.1　案例区域介绍

本文选择阳大铁路为典型案例区域,并开展相关的试验与分析.阳大铁路位于山西省阳泉市及晋中市,途经阳泉市盂县、郊区、平定县及晋中市昔阳县,是一条客、货共线的地方铁路.全线新建线路约44.771 km,其中:桥梁19座,隧道9座,全线桥隧比50%.项目采取EPC (engineering procurement construction)总承包的建设模式,计划总投资40多亿元,是迄今国内铁路行业按工程总承包模式建设投资额最大的工程项目,计划建设工期3 a.基于阳大铁路的复杂性,全线引进BIM技术开展应用研究,是国内第一条全线开展BIM试验应用的线路.

3.2　工点工程分解

基于BIM模型,本文采用面向对象的方式自上而下对工点进行工程分解,以便针对每一个工点自动提取工程设计的参数,主要包括桥梁、隧道、路基等3类工点的分解.其中,桥梁工点分为桩基、承台、墩身、梁段、梁块等构件,桩基、承台、梁段、梁块不再细分,墩身按高度进行分解；隧道工点分为明洞、洞门、初支、仰拱、衬砌、斜井、洞室、侧沟等构件,初支、仰拱、衬砌按工作面进行划分；路基工点分为路基本体和附属设施,路基本体分为混凝土基床、基底处理、级配碎石、填方等,附属设施按左右侧分为边坡防护、防护栅栏、电缆槽、排水沟、接触网支柱等.

以隧道模型为例,其分解结果如图4所示.

图4　隧道模型的工点工程分解Fig.4　Engineering breakdown structure of tunnel model

3.3　设计参数提取与矢量图显示

工点工程分解确定了参数提取的基本单元与粒度,在此基础之上,利用设计参数自动提取技术提取路基、桥梁、隧道等设计参数,建立基础参数数据库.选择某个工点,从基础参数数据库中获取工点参数,进度数据库中获取工点进度数据,利用Openlayers提供的组件和接口实现工点矢量图的快速绘制、渲染、漫游等功能,点击矢量要素可查询构件基本参数信息和进度信息,对工点参数信息、进度信息、审核信息、注记等进行分层显示和控制,用不同的颜色进行渲染.图5为某桥梁二维矢量图，图中：蓝色表示已完成的进度信息；灰色表示未完成的进度信息.

图5　桥梁二维矢量图Fig.5　Bridge two-dimensional vector figure

3.4　图形化进度填报与审核

施工单位信息录入人员选择某个工点,在生成的二维矢量图上选择相应的要素填写进度信息,已完成的要素不能选择再进行填报,填报完成后提交给监理单位人员进行审核.

在图形化进度填报的过程中,可以分别填报桥梁、路基与隧道等工点工程的进度信息.以桥梁工点的进度填报为例,桥梁工点桩基、承台、梁段、梁块进度用完成和未完成两种状态表示,墩身进度输入实际完成高度.

在进行图形化填报的基础之上,监理单位人员可以对进度数据进行审核,需要审核的要素高亮显示,点击要素查看进度信息,对不合格的数据进行标记,退回给施工单位人员修改,全部通过后录入进度数据库,数据锁死不能再修改.

3.5　施工进度数据处理系统应用

阳大铁路采用本系统进行进度数据采集与管理,用户单位包括工程承包单位阳大项目部、7个施工单位、2个监理单位和业主阳大公司,每个单位用户分配不同的权限,施工单位有进度填报权限,监理单位有审核权限,每个施工单位只能查看和填报自己标段范围内的工点进度,项目部有进度统计分析权限.系统自阳大项目开工以来,各项功能运转正常,各标段施工进度数据按照要求及时上传,监理单位对数据质量严格把关,项目部通过系统把控工程进度,进度报表作为周例会和月例会的重要内容,节省了大量的统计分析工作量,各参建单位借助系统都能较好地完成工作,系统对保障阳大铁路工程进度发挥了积极作用.表1为使用本系统前后各参建单位进度统计效率对比.

表1　使用本系统前后各单位进度统计效率对比Tab.1　Efficiency comparison of progress data statistics

施工进度数据采集系统可以在三维环境中对施工进度加以形象展示,又可以进行施工进度的输出与预警.

(1) 三维形象进度展示与管理

将BIM模型导入到三维平台中进行管理和应用,利用进度数据驱动工点BIM模型进行三维进度展示,用不同的颜色表示进度完成情况,图6为桥梁三维进度展示.

图6　桥梁三维形象进度图Fig.6　Three-dimensional visualization of bridge schedule

图6中,绿色表示实际完成进度,红色表示实际进度落后于计划进度,蓝色表示实际进度比计划进度超前,灰色表示未完成.

(2) 进度输出与进度预警

从进度数据库中提取数据,进行统计分析,能够提取开累、日、周、月、年分部、分项、分专业工程进度数据,生成进度统计报表.对实际进度与计划进度进行对比分析,根据填报的历史进度数据,建立分部分项工程进度速率模型,计算出超前或滞后工天,设立预警等级,进行进度预警.

4　结束语

本文针对传统铁路施工进度多专业协同管理的关键问题,集成网络GIS技术和BIM技术,提出了一种图形化的施工进度数据处理方法，并自主研制了实用系统,具有以下主要特点:(1) 通过对BIM模型进行工点工程分解,自动提取工点参数,实现了施工进度数据的图形化处理;(2) 数据标准化程度高,大大减少用户输入与多种类型数据的复杂统计工作量,并自动生成各种统计报表,大幅提高施工进度数据采集与应用效率;(3) 繁杂的施工进度数据经过图形化处理，并在3D GIS环境中进行多维动态的可视化表达,形象直观,满足了工程承包、施工、监理和业主等单位对高铁建设进行协同管理的需要.

致谢:轨道交通工程信息化国家重点实验室开放基金(SKLK16-02)

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