京张高铁工程数字化的探索与实践

解亚龙，王万齐

（中国铁道科学研究院集团有限公司 电子计算技术研究所，北京 100081）

0 引言

（北）京张（家口）高铁是北京至西北地区快速通道和京津冀地区城际铁路网的重要组成部分，线路东起北京市，途经北京市海淀区、昌平区和延庆区，由延庆区康庄镇入河北省境内，跨官厅水库，经怀来县、下花园区、宣化区，西迄张家口市，呈东西向沟通两市。正线全长173.964 km，其中，北京市境内70.503 km，河北省境内103.461 km。为贯彻落实中国国家铁路集团有限公司相关指示精神，落实习总书记关于“绿色办奥、共享办奥、开放办奥、廉洁办奥”理念的具体实践，要将京张高铁打造成“精品工程、智能京张”，建成一条优质创新、绿色人文、节约廉洁、精品智能的高速铁路，使其成为继青藏铁路、京沪高铁之后的又一里程碑式的高速铁路工程。

数字京张是智能京张的先导工程，其本质是以BIM、GIS以及现代信息技术为基础，实现京张建设过程的全面数字化，带动组织形式、管理模式和建设过程的变革，以及工程建设过程和产品的变革，最终形成实体京张和数字京张2个虚实相映的产品。京张高铁是首条全线、全专业应用BIM、GIS等数字化技术的高铁线路，在全路具有示范意义，是数字铁路建设的全面探索和应用。数字京张的总体架构和建设实践，填补了工程数字化在高铁建设中全面应用的空白。

1 基本概念与总体架构

数字京张是实体京张在设计建设过程中同步形成的数字孪生产品，是实体京张的数字化记录。在BIM等先进技术的支持下，京张高铁的建设过程包括2部分：一是物质建设过程，输出产品是实体京张；二是管理数字化和产品数字化的过程，输出产品是数字京张。数字京张的建设过程是一个不断完善的过程，随着项目的推进，从初步设计、施工图设计、设计深化到土建施工、设备安全、联调联试，再到运营维护，京张高铁全生命周期各阶段都有不同的数字化信息不断补充，最终形成一个完整的，承载勘察设计信息、建设施工信息、运营维护信息和管理绩效信息的数字京张产品。数字京张的形成与实体京张的建设相互映射、相互指导、相互融合，2个产品同等重要。

数字京张是实体京张的模拟仿真和数字表征，通过搭建数字京张的统一平台，实现参建各方的协同管理，主要包括工程实体数字化、过程管理数字化、参与要素数字化等3方面。其中，工程实体数字化包括桥梁、隧道、路基、站房、四电等，也包括拌合站、梁场、板厂、钢筋加工厂等大型临时设施的数字化；过程管理数字化包括重点从安全、质量、进度、投资、环境等方面开展数字化工作；参与要素数字化包括分别从人员、机械、材料、方法、环境等相关方面开展数字化工作。数字京张总体架构见图1。

图1 数字京张总体架构

数字京张全生命周期管理分勘察、设计、建设和运维等阶段（见图2）。由于主体不同，因此全生命周期管理过程存在2次重大成果转移活动，分别是设计交付和竣工交付。其中，设计交付发生在设计院和建设单位之间，交付物主要是设计成果，包括设计BIM模型、图纸、说明文件、工程量等；竣工交付发生在建设单位和运管单位之间，交付物为实际的京张铁路和与之相关的设计、建设过程中的工程记录、凭证和相关知识。伴随着2次重大成果转移，数字京张作为最佳载体，有效减少了交付过程的信息衰减，在后期漫长的运维阶段，为实体京张运维管理提供指导依据。

图2 数字京张全生命周期管理

2 建设内容与应用效果

按照数字京张的总体架构，分别从设计成果数字化交付、建设过程数字化协同、重点工程BIM技术应用、数字化施工、数字化竣工交付等方面开展数字京张全过程、全要素的探索研究，形成数字京张整体解决方案。

2.1 设计成果数字化交付

在建设之初，原中国铁路总公司确立了建设京张高铁全生命周期管理平台的目标，在正常交付设计蓝图的情况下，各设计院开展全线参数化建模、重点工程“三站三隧”精细建模，利用设计成果交付系统，结合GIS技术集成全专业BIM模型，关联设计图纸和相关属性信息，构建了“BIM+GIS”的三维数字京张高铁。

为规范交付行为，在铁路BIM联盟发布的数据交付标准基础上，结合京张高铁实际，形成京张设计成果的交付指导书，包括交付的内容组织、精度标准、表达标准等内容，为交付活动的顺利开展奠定基础。中国铁道科学研究院集团有限公司等研发单位提供设计交付系统，以及相关的模型轻量化、数据转换、交付检查等一系列工具集。其中，设计交付系统是设计数据的接收和存储系统，能够按照不同分类对勘察设计单位提交的数据进行存储和展示，同时为后续BIM技术应用提供了基础数据支撑。

通过设计成果的数字化交付，完成了静态工程实体的数字化表达，为后续开展施工管理和应用提供了数据集成的载体。

2.2 建设过程数字化协同

建立全线BIM协同工作平台，实现基于BIM技术的电子沙盘精细管控，建立以项目、构筑物为中心的综合信息展示系统。围绕项目、构筑物汇总铁路工程的项目基础信息、设计和图纸文档信息、工程数量信息、施工方案信息、技术交底信息、投资进度信息、施工进度信息、现场监控信息、风险预警信息、质量管理信息、安全管理信息和施工过程记录信息等，为铁路工程项目管理人员提供项目管理所需要的信息汇总和综合分析。

通过建设过程的协同管理实现设计模型的交付管理以及建设过程进度、质量、安全等信息的有效集成，在我国高铁建设中首次建立覆盖全线、站前站后各专业的基于BIM技术的铁路建设管理平台（见图3），实现宏观与微观、室内与室外一体化的信息集成平台，提高各参建单位的协同效率。

图3 铁路建设管理平台

2.3 重点工程BIM技术应用

根据京张高铁的工程特点，重点选取“三站三隧”开展BIM工程化应用，分别是清华园隧道、新八达岭隧道及长城站、正盘台隧道、清河站、张家口南站。

2.3.1 清华园隧道

针对清华园隧道下穿城市核心区、周边市政管线复杂、大直径盾构施工等工程特点，提出盾构法隧道实体结构分解原则和BIM应用编码规则，开展BIM技术盾构法隧道施工管理研究，实现盾构管片的生产及拼装质量管理、盾构井及周边环境风险监控、盾构隧道形象进度管理、盾构设备的远程监控与功效分析，提升盾构隧道施工的全面管控能力。

（1）施工模拟。对清华园隧道始发竖井及始发段复杂节点的工序排布、施工难点进行优化及三维技术交底，探索BIM技术在清华园隧道工程施工过程中风险管控、进度管理、盾构掘进及管片生产拼装质量管理、安全管理等场景中的应用，实现清华园隧道精益建设作业流程，提高作业协同效率、降低施工成本[1-3]。

（2）盾构隧道管片生产全过程管理（见图4）。将智能终端与管片生产的各工序充分结合，以二维码为管片身份标识，方便高效地采集各工序工艺信息，实现管片生产、运输、拼装、检验的全过程质量闭环管理，主要包含：计划管理、质量管理、物资管理、资料管理等功能模块。根据隧道施工现场安装进度及库存量，指导安排管片生产计划及管片出厂运输计划；根据管片生产计划和实际管片生产统计综合分析，指导物资管理人员提前做好物资储备工作；通过资料管理系统赋予管片完整的施工生产信息，供隧道成形后检修查询使用。

图4 盾构隧道管片生产全过程管理系统

（3）隧道周边环境及构筑物监测。建立周边环境监测系统，在隧道施工过程中，对工点周边环境影响进行实时、全方位的监测，系统对地表沉降、地下水位、桩顶位移、混凝土与钢支撑轴力、工作井净空收敛等项目进行监测，对所采集数据进行汇总、统计、分析与预警，将施工过程对周边环境的影响控制在安全范围，保障施工按计划、有效地进行。

（4）盾构机远程监控。通过研究隧道盾构机自身监控系统的信息传输，基于BIM技术管理平台进行盾构设备状态监控，实时展示参数页面及曲线，达到信息储存、分析目的，提高指导后续施工的能力。

2.3.2 新八达岭隧道及长城站

针对新八达岭隧道及长城站埋深大、车站层次多、洞室数量大、交叉节点密集、工序衔接复杂、断面跨度大等工程特点，为降低施工安全风险，提升应急处置能力，开展人员疏散仿真及应急救援方案展示研究，通过BIM仿真技术搭建地下车站三维场景，并模拟疏散路径，使施工人员和救援人员能够提前熟悉疏散路线，在灾害发生时能迅速作出反应。新八达岭隧道工班级管理系统见图5。

图5 新八达岭隧道工班级管理系统

（1）为有效控制隧道施工风险，通过BIM模型集成隧道围岩监控量测、超前地质预报、视频监控等信息，对超前地质预报和围岩量测报警信息汇总，将报警点及已处置的信息综合展示，快速发现隐患位置，当用户选择相关断面，BIM模型能准确定位所在位置，对风险等级、后续建议、属性等信息进行展示，并快速调用所需监督位置的摄像头，为管理人员提供更加便捷的管理方法。

（2）为提高现场精益化管控能力，在新八达岭隧道开展基于BIM技术的工序优化研究，研发基于BIM技术的隧道工班级管理系统，通过工班任务的统一派发和调度，合理确定隧道循环工序作业时间，优化各工班的进出场时间，自动提醒后续工序的人员、设备准备就位，最大程度压缩各工序转换时间，使工序间“零耽误”，从而达到隧道工序无缝衔接的目标。同时，通过记录各工班起止时间，为工班考核提供依据，实现隧道循环作业的精益化管理。

通过新八达岭隧道及长城站的BIM技术施工综合应用，实现基于BIM技术的可视化交底、施工进度跟踪与预警、超前地质预报、安全步距管理、断面质量评价、围岩收敛变形监测、超欠挖分析等，提升钻爆法隧道施工的综合管控能力。

2.3.3 正盘台隧道

针对正盘台隧道长度大、地质复杂、含水量大等工程特点，针对性地开展4种围岩级别、7种衬砌面工序排布、施工难点等施工模拟，并进行三维技术交底，以更加直观的方式指导施工作业。

（1）隧道施工质量检测。应用BIM技术和三维激光扫描等信息化手段，实现对隧道断面质量、超欠挖（见图6）、二次衬砌厚度和初支平整度等关键指标的可视化可度量的质量管控，首次提出基于点云模型的隧道平整度的评判方法，有效提高隧道施工过程质量检测效率，并提升隧道施工管控能力。

图6 隧道超欠挖分析

（2）施工机械数字化。通过实时采集现场主要施工机具和装备（如三臂凿岩台车、湿喷台车等）的作业数据，实现隧道开挖进度信息自动采集和台班效率自动计算，使管理者及时掌握隧道施工进度和施工机械运行情况。

2.3.4 清河站

针对清河站交通枢纽、施工区域狭窄、车站造型独特、工期紧张等特点，开展清河站钢结构及装饰装修施工的BIM技术模拟，提前发现问题和风险，制定应对措施，由于钢结构涉及因素非常多，尤其是异型节点（非正交构件、多构件相交等）部位，钢筋错综复杂，利用BIM技术进行钢结构节点深化，明确钢结构与钢筋的连接方式；应用BIM技术进行管线综合、碰撞检测，精确直观展现复杂管线，及时发现设计漏洞、避免返工、减少经济损失；针对传统二维蓝图在室内装修细节容易存在的标高冲突、细部节点优化不到位等问题，通过建立装修深化三维模型和施工模拟，逐一对细节进行精确把控，提前核算装修材料用量，有效避免返工[4]。

由于站房专业涉及建筑行业标准，融合铁路BIM联盟颁布的相关铁路BIM标准，完成清河站站房实体结构分解及专业构件编码规则制定，并构建基于IFC的多元异构轻量化模型，实现模型的手机移动端、PC端、大屏端三端通用展示。

研发基于“BIM+IoT”的三维风险可视化管理系统，开展基于BIM技术的清河站施工安全监测风险管理应用，实现对深基坑、高支模、钢结构、试验检验、塔吊防碰撞、钢结构焊缝等关键安全质量数据的采集、分析和集成管理，并支持趋势变化分析和安全质量问题闭环管理，提高站房施工的安全质量管理水平（见图7）。

图7 清河站三维风险可视化管理系统

开展基于BIM技术的站房工程工作任务分解（WBS分解）和三维电子施工日志关键技术研究，实现基于BIM技术的三维可视化进度管理，集成形成了基于BIM技术的清河站施工应用管理系统，实现进度、质量、安全及风险等统筹管理。

2.3.5 张家口南站

针对站房钢结构体系复杂，尤其是各结构类型交接点处钢筋直径大、数量多等特点，利用BIM技术形成站房钢结构BIM模型深化方案，在模型中对钢结构孔洞位置及连接点合理设计，在工厂加工过程中对钢构件预留空洞、接驳器、搭接板等装置，避免对钢结构在现场割洞、补焊，既提高工效、缩短作业时间，又能节省材料、保证构件的力学性能。针对张家口南站装配式冷热机房，建立LOD400级的BIM模型，并在三维场景中模拟所有预制构件的装配顺序、装配方法等，开展装配式机房的虚拟建设研究，形成切实可行的装配方案，向装配工人进行装配方案的三维技术交底，将现场施工周期由15 d缩短至30 h。

2.4 数字化施工

围绕人员、机械、物料、方法、环境等现场施工的关键要素，研制并应用面向数字工地的成套技术及装备，形成智能工地解决方案。全面提升现场工装的信息化、智能化水平，解决了人为干扰因素大、现场作业劳动强度大、效率低等问题，大幅提升工程质量和显著降低了安全事故发生[5-6]。

（1）原材料管理。通过对拌合站、试验室、物料进场验收等环节进行管理，对原材料进出场、库存进行可视化、数字化管控，不合格原材料及时报警提醒，防止不合格原材料进入工程实体，加强原材料供应和半成品的源头控制，有效提高工程实体质量。

（2）路基专业。研制集成北斗技术的无人驾驶路基智能化施工系统，提高路基压实的压实程度、稳定性、均匀性，提升地基加载试验自动化检测水平，全面提升作业效率和路基压实质量，实现路基压实数字化、可视化和智能化。

（3）桥梁专业。研制桥梁线形监控系统、桩基施工检测系统、桥梁精准控制系统等系列技术装备系统，提高施工过程质量。在简支梁施工方面，通过梁场管理系统与自动化静载试验、自动化张拉、自动化压浆，以及自动化养护等自动化设备相融合，实现关键工序卡控，使预制箱梁的生产质量、生产效率和管理效率明显提高。

（4）隧道专业。研制隧道衬砌检测系统、超前地质预报系统、围岩监控量测系统和有害气体检测系统以及机械化施工等隧道系列技术装备系统，实现隧道施工开挖、初支、二衬全过程质量可控、安全风险预知预判、作业效率提升。

（5）线路和轨道专业。研制无缝线路应力放散锁定系统及轨道板精调系统等轨道系列技术装备系统，提高轨道检测检验作业效率和轨道整体平顺性，实现轨道关键作业参数数字化，为后期运维提供可追溯的数字档案；研制板/枕厂生产管理系统，实现从钢筋加工、运送、摆放，混凝土浇筑、养生及产品检测、出库等环节的数据自动采集、异常自动报警，并结合RFID及二维码物联网技术，实现轨道板/枕生产到铺设全过程数字化追溯，全过程智能化管理。其中，在中铁三局集团有限公司建设双块式轨枕生产智能车间，实现了钢筋加工、焊接、模板清理、套管安装及混凝土浇筑、材料运输等生产作业环节的无人化和少人化，初步具备了智能建设的特点。

（6）四电专业。研制接触网智能腕臂预配系统、四电设备管理系统等四电设备成套技术系统，实现腕臂预配效率提升，形成四电设备运维资产台账，服务于电务、供电数字化运维管理。

（7）站房专业。研制钢结构焊缝质量在线检测系统、客服机电辅助施工系统等技术系统，实现站房钢结构焊接质量的实时检测，指导客服机电设备的安装调试，有效提高客站施工的质量管理水平。

2.5 数字化竣工交付

数字化竣工交付将建设单位移交的整个铁路建设过程中设计资料、过程资料、竣工验收资料等资料进行分类管理。通过数字化竣工交付系统，将BIM模型承载的建设管理过程信息无缝转移到基于BIM的铁路运维管理系统，同时集成运维期各类台账、生产作业记录、监测检测记录、缺陷库等信息，实现建设BIM模型向运维BIM模型的深化，生成基于BIM的供电设备全生命周期三维可视化数字化档案[7]。数据类型包含二维图纸、BIM模型、结构化表格、设计说明文件、平台及各业务模块基础数据、质量安全资料、现场照片、工程影像、施工方案、计划进度、工程日志、合同文档以及竣工验收等，为运营阶段建立基础设施管理和设备管理台账提供基础数据[8]。

数字化竣工交付系统主要功能包括建设过程信息管理、建维数据转换、清单管理、BIM模型管理、可视化查询、系统管理等（见图8）。

图8 数字化竣工交付系统功能架构

3 结束语

数字京张分别从设计成果数字化交付、建设过程数字化协同、重点工程的BIM应用、施工现场的数字化实践、竣工交付的数字化等几个方面开展全过程、全要素的应用实践，形成了工程实体的数字化、建设过程管理的数字化和参与要素的数字化3个层面的工程数字化应用，实现了数字京张的建设目标，后续进一步研究信息化与标准化的融合深度，在数字京张的基础上，进一步深化数字化交付和智能工装的研究探索，为基础设施全生命周期管理、综合一体化运维奠定数字化基础[9-10]。