BIM技术在智能高铁预制梁场管理的应用研究

王辉麟，郝蕊，王可飞，王荣波

（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

在高速铁路建设中，较多地采用以桥代路，桥梁比例高、数量大。预制梁场作为桥梁标准化建造与施工的重要基地，已广泛应用于各类建设工程施工中，尤其在大型桥梁工程和高速铁路建设中。在预制梁场的生产管理过程中，可以通过信息化手段减少大量工序环节间的信息交换成本，提高施工效率。

建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）技术以三维数字技术为基础，将信息模型与各专业融合，集成各专业相关信息的工程数据，能够实现对工程专业的功能进行数字化表达。近年来，BIM技术在铁路建造中受到广泛重视并开始试点应用，在铁路建造工程项目中，BIM技术应用已经从最初重点集中于规划设计阶段的方案展示、参数化建模、碰撞检查和三维模型制作等，逐步发展应用到施工进度、质量管理和成本管理等，并逐步展示出在工程全生命周期实现信息传递、共享和使用带来的巨大效益。

引入BIM技术的高铁预制梁场生产管理模式是数字化方式，通过创建信息、管理信息和共享信息，可以实现梁场从设计、生产源头、过程控制等的智能化管理[1]。

1 总体框架

高铁预制梁场管理是铁路工程建设管理的重要组成部分，基于平台运用信息化、BIM等技术手段，建立高铁梁场全过程控制和管理的综合管理平台，有效关联集成拌和站、实验室、自动张拉、自动压浆、自动静载相关数据，为梁场生产管理辅助决策智能化提供支撑。

高铁预制梁场的智能化是基于以BIM技术为核心的各类智能化信息技术的，其实现需要集合构架、系统、应用、管理和优化为一体，发挥感知、分析和决策的综合智慧能力，形成人、梁场和环境相互协调的综合体[2]。智能高铁预制梁场为铁路桥梁建设提供服务，将相关业务过程、数据和成果进行全方位的管理，在信息安全规范体系和数据编码体系的支撑与保障下，形成感知层、网络及基础设施层、数据层和应用层的多层级框架（见图1）：

（1）感知层。利用电子标签、RFID射频设备、GPS定位设备、手持读入设备和视频监控等终端设备，通过“人工+自动”的方式，实现动态智能化识别、感知、定位、跟踪、采集、监控和管理梁场生产全过程，为梁场管理提供实时、准确的数据来源。

（2）网络及基础设施层。采用无线传输技术、移动通信技术、虚拟专用网技术和移动互联技术等数据传输技术，为梁场的智能管理提供数据传输通道，通过移动终端、固定终端等设备随地随时获取相关数据、声音、视频和报警消息，同时保证实现应急突发信息的上下行数据传输。

（3）数据层。基于铁路工程管理平台的数据、BIM模型库的模型数据，通过计算机软硬件技术的数据收集、存储和分析，实现对梁场生产全过程的3D—4D—5D的BIM数据的建构、组织、定位、分类、编码、检索、更新及维护等。

（4）应用层。围绕梁场的设计、原材料进场验收和运架生产（钢筋绑扎—组装模板—混凝土浇筑—拆模—养护—张拉—压浆封锚等）全过程，对原材料和构配件管理、试验管理、生产管理、安全质量管理以及运架管理等提供信息化、智能化应用支撑。

图1 智能高铁预制梁场管理平台总体框架

智能高铁预制梁场管理平台的总体框架是在信息安全规范和统一的数据编码体系的保障下实现的，梁场的标准体系构建一方面统筹考虑梁场各个生产要素（人、物、事）信息及其交互关系的集合，另一方面考虑BIM作为一种数字信息应用载体，其标准规范为保障各个环节间信息的高效流转和利用提供了标准依据。

在梁场生产过程的信息流转和共享的过程中，通过信息安全规范体系建立的信息安全管理制度等，可以更好地促进目标要素实现，以保障建造信息的安全和共享。

2 设计思路

2.1 技术架构

从技术实现角度出发，构建智能高铁预制梁场管理平台的技术架构（见图2），通过ORM的框架封装数据接口层，将数据库和上层业务解耦，为后期业务的修改和完善预留接口；将成熟的服务组件统一进行封装，系统可以重复利用；利用MVC控制层可以面向不同的访问终端，为其提供数据适配；PC端和移动设备提供基于H5的方案，PC端和移动端公用的页面可以直接进行使用。

2.2 功能应用架构

智能高铁预制梁场管理平台立足生产进度、质量、安全的实际，旨在优化资源配置、规范管理流程、提高工作效率以及节约运营成本，以实现预制梁全生命周期建设管理，为梁场生产管理智能化辅助决策提供有力支撑[3]。智能高铁预制梁场管理平台的主要应用包括梁场的生产质量管控、安全风险防控、进度管理和BIM梁场管理，其功能应用架构见图3。

图2 智能高铁预制梁场管理平台技术架构

2.2.1 生产质量管控

箱梁生产按照过程分为不同的工序，需对原材料管理、过程控制、质量检验以及成品梁验收的全过程全要素进行管理。不同部门负责其对应职责分配到的质量管理数据，在管理平台上实时录入，通过结构化数据形式，可将所有数据附加到相应的三维模型上，实现一次输入、重复调用，避免数据的重复输入，提高了工作效率。

2.2.2 安全风险防控

安全风险防控应用主要从安全检查和环境监测角度开展。在日常安全检查过程中，安全员需要每天对梁场办公生活区、制梁区、拌和站、提梁站等区域进行巡检，巡检过程中可随时拍摄检查视频及图片等资料上传至平台，若下午5点尚有未巡检区域，平台会向安全员发送温馨提示，提示未巡检区域，若在24点依然有未巡检区域，则向安质部管理人发起报警。若在巡检中发现问题，根据问题性质可选择是否将该问题纳入问题库进行整改闭合，并对整改前后进行对比。

安全风险防控应用应与现场扬尘在线监测系统数据进行结合，实时传递数据至平台以便实施管理措施。例如：当风力大于6级以上时进行预警，现场不允许露天起重吊装作业、不允许高处作业；PM2.5大于75 μg/m3时进行预警，提示现场人员做好防护措施，如配备口罩等；白天噪音大于70 dB、晚上噪音大于55 dB时进行预警，提示现场人员配备耳塞，实行人性化管理施工作业。

图3 智能高铁预制梁场管理平台功能应用架构

2.2.3 进度管理

依据梁场进度管理的需求，可选择任意时间段内的计划进度与实际进度进行统计分析，比如总进度、年进度、月进度或者任一选定时间段的进度。若出现梁场于某个时间段内生产进度与计划偏差较大的情况，即可通过分析该时间段内生产每片梁的进度曲线，找出影响梁场施工生产的工序及原因。梁场生产现场施工进度管理是动态管理的过程，生产计划会受外界因素影响和工期调整作出相应调整，应用智能高铁预制梁场管理平台只需在系统中对计划进行调整，相应的资源配置等即可随之自动生成，可提高进度管理的精度及效率。

2.2.4 BIM梁场管理

BIM技术在梁场的进度管理过程中，起到十分重要的作用，BIM技术的引入，可以将梁场生产进度可视、具化。以梁体三维模型可视化效果展示某榀梁的生产过程资料和材料信息，如张拉、压浆，选择孔道可查看该孔道对应的张拉、压浆过程等数据，还可实现箱梁的碰撞检查和工程数量计算等。

3 应用实践

根据总体框架和设计思路，智能高铁预制梁场管理平台整合了管理学理念和信息化手段，将标准梁预制梁场、40 m箱梁将先进的管理思想固化为信息化管理手段，应用BIM、物联网技术、数据加密等技术，涵盖梁场所有作业环节、每个工作岗位、全部设备设施的生产全过程数据采集、录入、存储和加工分析，以满足铁路预制梁场生产管理和质量控制专业化、机械化、工厂化和标准化要求。2018年5月，智能高铁预制梁场管理平台在某梁场的40 m正式上线试用。拌和站、试验室、自动张拉、自动压浆、自动静载、自动喷淋等相关数据通过平台进行集成，物资、试验、钢筋加工、混凝土生产、预应力加载、压浆、养护、外观检测、静载试验、运架流程环环相扣，实现消除“信息碎片”和“信息孤岛”的效果，原始资料一次录入，便可多处复用，内业资料随即自动生成，避免了施工单位的重复录入工作，能够为梁场生产管理辅助智能化决策提供支撑。智能高铁预制梁场管理平台应用实例见图4。

图4 智能高铁预制梁场管理平台应用实例

4 展望

目前，智能高铁预制梁场管理平台以BIM技术为核心，将生产信息、进度信息等与BIM模型挂接，建立包含设计阶段、生产阶段、运架阶段和运维阶段的全过程控制和管理，将建设单位、设计单位、施工单位、监理单位和运营管理单位全部纳入到系统中来并实现梁场生产的三维可视化管理[4]。随着智能化技术的不断发展，未来智能梁场发展需关注以下方面：

（1）信息驱动下的“感知—分析—决策—执行与反馈”的大闭环建设与应用。智能梁场是基于工业互联网的闭环信息管理，将人与人、人与物、物与物间进行有机联系，协助梁场生产管理，对“事前、事中、事后”的各个阶段进行精细掌控，应做好生产管理过程中的 “事前控制”，过程问题处理的“事中控制”，以及 “事后评价”[5-7]。在安全基础上稳步优质地推进工程进度，实现梁生产全过程的精益管控，提升工程建设管理水平。

（2）基于移动互联、泛在网络建立的全互联即时应用。施工现场采用智能前端（如手持终端、全站仪等信息采集设备）实现基于泛在网络的软硬件、终端应用与人员管理融合。将网络空间、信息空间和现场施工环境整合成为整体，实现“现场和远程管理人员”“量测现场测量设备和手持设备”以及“远程信息平台”之间智能化信息交换的互联，最终实现施工管理信息的实时采集、汇总、预警、提醒和监控，以及现场人员和平台管理人员的现场与远程管控。

（3）虚拟与物理的融合。基于BIM技术，对梁场的生产周期全过程进行仿真模拟，从而指导、改进现实世界的施工工艺，规范张拉过程,确保预应力施工质量,保障桥梁结构安全性和耐久性，降低桥梁施工成本。