基于BIM技术的智能建造在铁路行业的应用与发展

赵有明

（中国铁道科学研究院集团有限公司， 北京 100081）

在新一轮科技革命和产业变革发展背景下，信息化与工业化的融合成为了世界各国积极推动的热点工作，美国、英国、日本、德国等发达国家相继发布了相关战略规划。面对挑战与机遇，我国也不甘人后，先后发布了实质性规划和政策，如《新一代人工智能发展规划》、《互联网+”行动计划》等。政策与需求驱动兴起一次新的工业革命浪潮，推动建筑业迈向由建筑信息模型（BIM）与移动互联、物联网、云计算、大数据、增强现实（AR）、虚拟现实（VR）等信息技术为支撑的智能建造。同时，也为铁路建造提供了新的思路，着力推动中国铁路由传统建设体系向新时期智能建造模式的探索和转变，中国铁路初步确定了以BIM为先导的智能建造发展方向，智能建造将有极大的发展空间。另一方面，在取得快速发展的同时，铁路建造与新技术深度融合应用方面还存在一定差距，急需探索出新的理论方法指导我国铁路建造发展，满足铁路建造智能化发展新需求。

铁路工程建设作为一项极其复杂的系统工程，具有建设周期长、参与单位数量多，协同组织困难；专业、设备、物资、档案、质量等要求标准高、接口众多，技术管理不易；施工环境十分复杂、质量安全风险控制责任重大；建设期技术、投资、进度、质量、安全、外部协调的控制水平与建设推进和安全运维密切相关等特点。因此，铁路工程建设领域迫切需要运用智能建造的理念，将信息技术和传统建设相结合，实现技术融创，推进铁路建造过程精益、智慧、高效、绿色协同发展。

1 铁路工程智能建造的主要内容

1.1 智能建造内涵

智能建造以BIM+地理信息系统（GIS） 技术为核心，综合应用物联网、云计算、移动互联网、大数据等新一代信息技术，与先进的工程建造技术相融合，通过自动感知、智能诊断、协同互动、主动学习和智能决策等手段，进行工程设计及仿真、工厂化加工、精密测控、自动化安装、动态监测和信息化管理等工程化应用，构建勘察、设计、施工、验收、安质、监督全寿命可追溯的闭环体系，围绕桥梁、隧道、路基、轨道及车站，实现建设过程中进度、质量、安全、投资的精细化和智能化管理，形成和谐共生的工程建设产业生态环境，使复杂的建造过程透明化、可视化，推动铁路建设从信息化、数字化走向智能化发展[1-2]。铁路智能建造内涵如图1所示。

1.2 智能建造特征

铁路工程建设领域的智能建造具有自动感知、智能诊断、协同互动、主动学习和智能决策5个基本特征，主要包括以下几个方面：

（1）对铁路工程建设中人、机、料、法、环等要素进行全面透彻的信息感知；

（2）对感知的海量大数据信息进行存储、分析，形成对铁路工程建设质量、安全、效率等指标的评判；

图1 铁路智能建造内涵

（3）提供更优质、更主动的交互以及广泛、深度、安全可信的互联互通和互操作，实现全面的信息和资源共享；

（4）积累大量数据和知识，不断自主迭代，以适应铁路工程建设发展需求；

（5）基于数据驱动、模型驱动、知识驱动等方法，从海量数据中提出决策信息，辅助建设管理和施工决策。

2 铁路工程智能建造的核心技术体系

BIM是一个涵盖项目从设计到运维生命期的管理工具，利用BIM进行设计应用、施工应用和建设管理，可以解决项目建设过程中复杂的技术问题[3]，提升铁路精细化管理水平、增加资源利用率[4]。铁路工程智能建造的核心技术为BIM技术，在建造生命期中，利用BIM进行应用管理，基于 BIM 的全生命周期建设管理理念，综合运用GIS、大数据、AR、VR等技术，围绕人员、机械、物料、方法、环境等关键要素，实现信息智能采集、管理高效协同、数据科学分析、过程智慧预测等为主要内容的工程建设信息化，从而实现铁路建造生命期中各方面信息的集成与管控。在工程实践中，探索形成了面向全球铁路的BIM标准体系、基于BIM+GIS技术的全生命周期管理、泛在智能感知体系、基于移动互联的智能物联传输体系、基于云计算的全路工程建设智能管理平台、基于大数据的智能分析决策和基于人工智能的机器人辅助作业等7大核心技术体系。

2.1 铁路BIM标准体系

参照ISO12006、buildingSMART及中国国家BIM标准体系，通过在铁路领域的大量拓展，形成一系列铁路BIM相关标准[5]，包括技术标准和实施标准两大部分，中国铁路BIM标准体系如图2所示。目前，已经发布了3项技术标准和6项实施标准，3项技术标准为：《铁路工程信息模型分类和编码标准（1.0版）》，《铁路工程信息模型数据存储标准（1.0版）》，《铁路四电工程信息模型数据存储标准（1.0版）》。6项实施标准为：《铁路工程信息模型表达标准（1.0版）》，《铁路工程信息模型交付精度标准（1.0版）》，《面向铁路工程信息模型应用的地理信息交付标准（1.0版）》，《基于信息模型的铁路工程施工图设计文件编制办法（1.0版）》，《铁路工程数量标准格式编制指南（试用）》，《铁路工程信息交换模板编制指南（试用）》 。

图2 中国铁路BIM标准体系框架

2.2 基于BIM+GIS技术的全生命周期管理

面向BIM+GIS设计、施工、运维的全生命周期和全专业的管理应用[6]，构建总体应用架构，如图3所示。提供 “设计-工厂制造-现场装配”产业模式的技术平台，在此基础上形成建设单位主导、项目参建各方共享、共同受益的技术体系，在勘察、设计、施工、运营的全生命周期中，实现信息共享和无损传递。

2.3 泛在智能感知体系

应用感知技术，建立铁路建设时空自感体系，如图4所示。实现对自然、人、工程实体、设备物资等工程要素的全面感知。例如：沿线地形、地势、地貌、地质、水文条件等自然环境，桥梁、隧道、路基、站房等施工现场，拌和站、梁场、板场等大临工程，压力机、试验机等实验设备。通过对各类数据实时感知与采集，构建人与人、人与物、人与自然3个层次感知网络，实现信息的无障碍获取和传递。

图3 基于BIM+GIS技术的全生命周期管理

图4 泛在智能感知体系

2.4 基于移动互联的智能物联传输体系

针对铁路工程建设现场多作业面同时施工而搭建的泛在智能感知体系，构建立体移动传输体系，如图5所示。包括：基于近距离无线通信（NFC）、射频识别（RFID）等技术的近场通信；基于WiFi、蓝牙等技术的短距离大容量通信；基于NB-IoT、ZigBee 、LoRa等技术的低功耗远距离通信；基于4G和卫星等技术的远距离通信。总体实现建设现场、参与各方的无障碍传输，形成立体移动传输体系。

图5 基于移动互联的智能物联传输体系

2.5 基于云计算的全路工程建设智能管理平台

搭建行业私有云计算中心，如图6所示。承载进度、质量、安全、投资、环境、验收等多级多维工程建设应用，解决工程建设过程中快速计算、优化处理、云端存储、信息共享等技术瓶颈，为建设单位、参建单位提供数据资源、专业管理和技术应用服务，实现基础设施即服务、平台即服务、应用即服务。

图6 基于云计算的全路工程建设智能管理平台

2.6 基于大数据的智能分析决策

如图7所示，基于GIS、影像、物联网感知、BIM、地质环境、视频多媒体等各类结构化和非结构化信息，进行海量数据信息智能检索与实时分析，挖掘主题知识，实现建设过程优化和辅助决策[7]。

图7 基于大数据的智能分析决策

2.7 基于人工智能的机器人辅助作业

基于人工智能的机器人辅助作业如图8所示[8]，主要包括2个方面：（1）通过应用无人机搭载倾斜摄影、轨道板智能精调小车等新型工装机械，实现自动、自助采集实际施工过程数据，与BIM技术结合进行多算对比，在建造过程中形成全面监督和及时反馈；（2）应用BIM技术，对地形、地质、场地、实体模型进行统筹，对盾构机、架梁机、摊铺机、挖掘机等设备进行指导，完成精准施工、智能评判，从而提高工程效率和质量。

图8 基于人工智能的机器人辅助作业

3 铁路工程智能建造的应用实践

我国高度重视高速铁路的发展，经过多年的技术研究、工程实践和安全运营，高铁事业取得了巨大成就，尤其是形成了以智能京张为代表的一系列创新实践，在全路范围打造出多项标杆工程。在摸索与实践中形成了智能建造6大应用场景，即工程设计及仿真、工厂化加工、精密测控、自动化安装、动态监测、信息化管理。

3.1 工程设计及仿真

工程设计及仿真优化，如图9所示，包括：方案对比，方案优选，虚拟建造等应用。通过BIM工具快速生成铁路工程信息模型，对比构筑物造型及环境，选取最优方案；基于BIM对预制构件深度拆分、房建工程绿建节能、构筑物稳定性等进行分析，完成设计方案优化；通过BIM模拟建造过程，利用精细化模型指导施工，提前发现问题，保证施工顺利进行。

图9 工程设计及仿真优化

3.2 工厂化加工

工厂化加工包括钢梁、钢筋自动化加工等应用，通过BIM数据与数控机床直接对接，实现将三维BIM转化为数控机床的G代码，供数控机床使用，减少人工二次转换的工作量，并提高制造准确性。基于“BIM翻样+数控加工”模式，实现钢筋自动加工。

3.3 精密测控

精密测控包括数字化施工、轨道板精调、梁体自动张拉、桩基施工等应用。通过构建施工现场的北斗卫星定位和无线网络覆盖，实现数字化测量、数字化机械施工和施工过程的智能化。基于轨道板精调小车，实测平面位置及轨面高程，指导轨道调整；通过自动张拉设备，实现张拉过程一键全自动控制，精确调控张拉力，确保张拉同步，提高预制梁工程质量；利用无缝线路施工装备自动监控轨温、气温，自动判断施工方法和钢轨拉伸量，实时监控撞轨过程，自动判断撞轨是否达到零应力状态，全程监控钢轨纵向位移值和均匀性；通过北斗定位及传感器监测技术，实现对桩长、桩身垂直度、提钻速率的实时监测，有效提高桩基施工质量。

3.4 自动化安装

自动化安装包括三维数字化预拼装、桥梁、轨道板自动化安装等应用。通过高精度测量杆件几何尺寸，分析杆件制造精度，快速分析拼装控制参数，并获取杆件安装变形，分析现场架设误差并指导施工；利用架梁机、铺轨机等大型智能工装设备对桥梁、轨道板等进行半自动化安装。

3.5 动态监测

动态监控包括线路沉降观测、围岩量测、连续梁线形监控等应用。应用智能技术，实现线路外业量测数据的实时采集、测点变形的实时预警，方便及时掌控沉降变形情况；在全站仪量测作业的同时自动分析计算，针对变形速率和累计变形量实行双控报警，大幅提高隧道施工风险管控能力；对连续梁线形及偏差进行监测，辅助进行连续梁结构分析和后续施工控制，确保合龙线形符合设计要求。

3.6 信息化管理

铁路工程建设信息化形成了“一门户、三平台、六体系” 模式[9]。“一门户”即铁路工程建设网站；“三平台”即工作平台、服务平台及知识平台；“六体系”分别为综合管理体系、进度管理体系、材料管理体系、质量管理体系、安全管理体系和投资控制体系，如图10所示。

图10 铁路工程管理平台“六体系”

3.6.1 综合管理体系

应用电子沙盘技术，对全线结构物、征地拆迁、大临工程等的现状分布、进度、安全、质量、检验及过程记录进行全面、直观揭示。按照预设和可调节的指标体系进行综合分析，以此对现场进行调度指挥；提供移动工作平台，方便建设项目相关人员随时随地使用，释放精力专注现场。

3.6.2 进度管理体系

包括电子日志、施工组织、形象进度。通过施工现场安全员、技术员、质量员应用电子日志，全面、真实、实时反映现场作业实际，生成全线各标段单位工程二维、三维混合形象进度，应用施工组织指标对关键线路进行分析预判，对存在问题进行移动预警。

3.6.3 材料管理体系

包括拌和站、试验室、物料进场验收等。提供试验过程全过程管理，能够对压力机、万能机等主要试验自动采集，对混凝土配合比、拌和时间进行采集分析报警，对原材进出场、库存进行可视化、数字化管控，全面加强源头控制。

3.6.4 质量管理体系

包括梁场、板场系统，自动张拉、桩基施工、路基连续压实、桥梁静载等。对线下、线上工程和梁、板、枕等厂制品生产制造过程利用信息化手段进行自动作业、采集和主动上传，实现施工环节质量全过程监控和可追溯。

3.6.5 安全管理体系

包括隧道围岩量测、超前地质预报、作业人员定位、跨线施工管理等。通过加强对施工环境、作业过程、作业行为的监管，实现对重大、突发风险的预防预判，强化安全风险管控能力。

3.6.6 投资管理体系

依托实时的实物工程量，结合概算指标进行投资，完成跟踪及推算，为计划管理提供依据；开展离线和在线结合的验工计价技术支撑，提高工作效率。

4 铁路工程智能建造发展展望

当前，基于BIM技术的铁路智能建造取得阶段性成果，随着BIM、物联网、云计算、机器人及数字孪生等技术的不断发展，工程项目环境愈发复杂，需进一步统筹考虑铁路工程全生命周期建造需求，推进BIM应用向纵深发展，强化智能机器人辅助作业，加强对多元信息分析整合，提高铁路建造智能决策水平，进而构建和谐共生的工程建设产业生态环境。

4.1 BIM应用发展

BIM应用发展愈发纵深。BIM应用将覆盖整个勘察、设计、施工、运营与维护全过程，涵盖站前、站后等涉及设计、施工、建设管理、运营维修全专业和全体人员。

BIM应用将涵盖整个勘察、设计、施工、运营和维护的全过程，涵盖车站前后的整个专业人员，涉及设计、施工管理、运营维护等人员。

4.2 智能机器人辅助作业

智能机器人辅助作业更为广泛。在现有智能机器人应用的基础上，拓宽智能机器人在铁路工程各环节的应用，特别是危险地段、隐蔽地段等可能危及施工人员安全或施工人员难以到达的位置，进一步保障施工安全，提高工程质量。

4.3 智能决策

智能决策更加精准。基于海量历史数据和深度学习，对多元信息进行智能综合检索、多维分析，获取更加精确的决策信息，辅助工程建设施工。

4.4 产业生态环境

产业生态环境趋向人性化、社会化，并且更加和谐。通过建立多方参与的协同共享、互利共生的开放平台，创造和谐共生的产业生态环境，推进复杂的建造过程向透明化发展，进而实现建造过程的智能化、集成化以及互联化。

5 结束语

在国家信息化与工业化融合发展的背景下，本文基于BIM技术开展积极探索，聚焦铁路工程智能建造，提炼智能建造5个基本特征，形成7大技术体系，开展6种典型应用，在此基础上研发实践了“一门户、三平台、六体系”的信息化管理平台，并提出智能建造在铁路工程建设的发展展望，为打造符合新技术的标准化建造产品，助力铁路可持续发展，服务广大人民群众奠定了坚实的基础。