BIM技术在铁路客服信息机房工程中的应用

2020-05-08肖彦峰王辉麟郭鹏飞王志华张俊尧

铁路技术创新 2020年1期

肖彦峰，王辉麟，郭鹏飞，王志华，张俊尧

（1.北京经纬信息技术有限公司，北京 100081；2.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

近年来，铁路信息化建设飞速发展，在铁路工程建设、基础设施运维等领域，基于BIM 的信息化建设得到了广泛应用［1］。目前在铁路行业中，BIM 技术的应用主要集中于路基、桥梁、隧道等站前专业设计与站房相关的房建、暖通、给排水等站后专业设计以及铁路建设、施工管理方面［2］。作为铁路客服信息工程建设的重要项目，信息机房工程的建设质量直接关系着铁路客票、旅客服务、站房服务等与旅客出行息息相关的电子信息系统运行的安全性、稳定性和可靠性。随着铁路客服信息机房工程建设越来越多，工程规模越来越大，传统工程施工和管理模式已无法满足铁路客服信息工程快速发展的需要，亟待引入BIM 技术，利用BIM 技术优势和特点提高铁路客服信息机房工程的施工质量和建设效率。

因此，针对铁路客服信息机房建设的工程难点，系统研究BIM 技术在铁路客服信息机房工程的深化设计、施工建造以及项目管理等方面的具体应用方式，以期推动BIM 技术在铁路客服信息工程中的深化应用，为铁路客服信息机房工程设计及施工阶段的提质增效、精细化管理提供有力可靠的数据化和信息化手段支撑，并为机房智能高效的运维打下BIM信息化基础。

1 建设现状

铁路客服信息机房建设是一项复杂工程，涉及建筑、电子、暖通、电工、消防以及信息等多个专业［3］。目前，BIM 技术在铁路客服信息机房建设中的应用较少，传统的设计施工和管理方式的不足主要表现在4个方面：

（1）工程建设与业务流程脱节。长期以来，铁路信息机房在建设初期往往不被重视，通常是基建先行，待建筑物主体建设完成后再进行机房工程的设计规划，导致信息机房的设计方案受主体结构限制，不能完全满足业务需求。机房工程涉及的系统内外部接口众多，建筑物施工预留的接口常常无法与机房工程建设需求很好地匹配，给相关机房的施工带来较大困难。

（2）规划设计和配置不合理。在信息机房建设时，设备可能是国际最先进的，而规划与设计因涉及多个专业交叉，信息离散，集成度不高，给信息专业机房施工埋下隐患。在实际施工建设过程中，受机房实际施工环境的影响，原有的规划设计方案常常不能满足多个专业的施工需求，导致施工效率低下，运维成本较高。

（3）缺乏可视化工具和信息共享途径。信息机房结构复杂、多专业交叉、设备数量庞大、管线规格繁杂且数量多、室内空间紧张。传统的CAD 图纸在设备布局及施工时不能立体模拟真实的施工环境，具体施工中更依赖于施工人员的技术经验，并且二维图纸无法对机房内的隐蔽工程进行有效描述。传统分阶段、分专业施工管理模式下，各单位、各专业都依据自己独有的施工管理体系和标准。因此，各自为政的局面必然产生信息孤岛和脱节，信息不能共享，从而导致项目各参与方沟通和交流不畅，信息集成度和深度不够，造成施工难度大、变更频繁等问题［4］。

（4）过程信息管理困难。信息机房建造工程在建设与管理过程中必然产生海量信息，工程项目中有关施工的图纸资料和有关安全、质量、进度、技术交底、物资、合同等文件资料，量大且多以纸面的形式保存，难以及时进行汇总、统计分析及追溯查阅。等到竣工交付期时，部分重要过程的纸质资料可能遗失或损毁，使工程建设的各参与方和运营方要做大量的重复性工作，造成资源浪费。

2 BIM技术分阶段应用研究

针对上述铁路客服信息机房工程建设的诸多问题，从机房工程建设的设计阶段和施工阶段对BIM 技术的应用进行研究，以改善现有施工和管理方式的不足。

2.1 设计阶段

在铁路客服信息机房工程设计阶段，BIM技术的应用主要体现在作为设计平台对各专业的精准控制和对设计阶段各环节的有序协调。其价值在于通过提供统一的信息共享平台，实现更加精密的三维协同设计，提高设计效率，实现设计成果的集成化交付，发挥设计成果在施工和运维等后续阶段的持续作用［5］。BIM技术应用于铁路客服信息机房工程设计阶段流程及成果见图1。

2.2 施工阶段

在铁路客服信息机房工程施工阶段，应用可视化的BIM 模型，可使机房工程建设更可控、更直观、更容易理解、“所见即所得”。BIM技术的应用，可以辅助精细掌控施工的“事前、事中、事后”的每个阶段，对机房工程项目安全、质量、进度等进行模拟分析、虚拟建造，并进行数据共享协同、工艺工序级的技术交底等，实现工程项目全过程的精益管理，确保工程进度在安全基础上稳步优质地推进，有效提升建设管理水平。施工阶段BIM应用流程见图2。

在机房设备的安装施工过程中，应用BIM 技术指导设备安装施工作业流程可见图3。

3 BIM在客服信息机房工程中的应用

3.1 BIM建模

3.1.1 构建BIM模型族库

图1 设计阶段BIM应用流程及成果

图2 施工阶段BIM应用流程

BIM 模型是项目实施的基础［6］。根据信息机房设备二维图纸信息，由设计单位组织专业人员应用Revit等建模软件对机房环境空间、走线架、光纤槽、防雷接地、机柜及柜内设备等进行正向设计，形成丰富、精确的机房设备族库。在Revit 等建模软件中创建的构件都是参数化模型，在机房设计过程中，可直接调取族库中事先建好的参数化族，对设备构建参数进行相应调整，避免重复性建立，提高建模效率和质量。施工人员可根据设计交付的机房设备模型，进行BIM 深化设计、指导施工。信息机房设备BIM族库示意见图4。

3.1.2 参数化管理

BIM参数化模型可以实现机房设备信息的可视化展示以及模型数据的统计和分析［7］。信息机房BIM 模型不仅包含了设备的几何信息，也集成了现场管理信息、设备台账信息、模拟施工信息以及其他说明信息。依据这些数据信息，工程人员可以随时调用查看机房设备的明细，通过参数调整模拟信息机房工程形体及性能变动，更好地满足施工建造需求。在交付运维管理后，也能帮助运维人员更好地进行设备运维管理。

图3 设备安装施工作业流程

3.2 深化设计

图4 信息机房设备BIM族库示意图

在BIM 精确建模的基础上，工程人员依据设计图纸标准，可以在BIM 软件中构建信息机房的虚拟场景，再结合实际施工环境因素对信息机房设计方案的实施效果进行模拟，验证设计图纸的可行性和有效性。通过BIM 技术对信息机房BIM 模型进行总体布局分析、净高分析、孔洞预留分析、碰撞检测分析等［8］，查找设计图纸中可能存在的纰漏与不足，以便及时优化设计方案，避免构件发生交叉、碰撞、冲突等问题。典型应用有：对机房内上下走线方式是否适应机房净高、柜外强弱电管线是否碰撞、根据柜内设备端口占用情况梳理优化柜间配线布局及工艺（可分层）、静电地板支腿点位有无冲突等问题进行检查，并根据检查结果来深化二维图纸，提前优化机房施工工艺、消除碰撞；通过模拟精细和富有表现力的工程实施效果，细化信息机房局部施工工艺，更直观形象准确地表现装修方案。信息机房整体效果与管线碰撞检查示意分别见图5与图6。

图5 信息机房整体效果示意图

3.3 指导施工

图6 信息机房管线碰撞检查示意图

在施工作业前，技术人员可基于BIM 模型对设备安装的施工工艺、工序以及技法进行三维模拟，特别是对各重点位置、重点工序的模拟。对于工程各参建方人员来说，通过施工模拟可以深入掌握施工方案及内容，对比分析不同施工方案的可行性，提供可视化现场各阶段平面布置及分析结果，对施工方案决策具有支撑意义［9］。对于一线的施工人员，一方面，可查看重要施工环节的虚拟动画，利用BIM 模型进行重点工艺的动态施工模拟，模拟成果可帮助其进行施工前的技术交底，使施工人员更清晰地了解施工质量及工艺的控制难点；另一方面，通过模拟具体的施工过程，可以提前发现施工图纸的设计盲点和过程中的安全风险点，为现场的准确施工尽早地制定解决方案，提高工程施工的可行性和安全性。基于BIM 模型的机房施工模拟效果及施工后对比见图7。

依据施工模拟形成的二维图纸、专项图纸和施工模拟演示等阶段成果，对施工人员开展动态施工模拟、危险源识别等教育培训，不仅可以提高施工人员的安全意识，还能使施工人员快速、全面掌握施工安全操作，有效避免施工现场安全事故的发生。

基于BIM 技术的机房施工可实现对机房室内总体布置、施工方案、机械设备、材料供应、劳动力配置、应急处置等方案的优化改良，能够充分保障机房工程施工的安全和质量，降低施工成本。

3.4 施工进度管理

基于BIM 技术的铁路客服信息机房工程进度管理，通过建立BIM 模型和管理流程的联系和规则，利用虚拟施工，将空间信息与时间信息整合在统一的BIM 模型中，以便更直观、精确地反映施工流程。基于BIM模型对实际工程施工进度和计划进行动态管理，可以有效地协调各专业的交叉施工，确保工程进展顺利，通过BIM 模型直观地展示信息机房当前的实际施工进度。具体地，针对已经施工完成的、正在进行施工的以及尚未开工的工程实体，分别用不同颜色在BIM 模型上标识，使项目管理人能够清晰地了解项目施工进度。另外，项目管理人员还可以通过拖动“时间轴”上的游标进行历史施工过程重现以及未来的施工计划预演。由于BIM模型和WBS分解结构已经进行过关联，所以当用户选中部分模型时，与之关联的部分计划进度甘特图也随之联动展示。

此外，客服信息机房施工现场所需物资涉及多个参与方，并且种类较多、生产及运输对工期影响较大、数量庞大，利用BIM 模型所包含的数据结合施工进度对材料物资进行动态管理，可确保物料及时到位，且处于有效的备用状态，避免发生窝工误工影响进度，同时也避免信息机房现场库存过高而影响成本控制和空间周转。

图7 机房施工模拟图

引入进度管理体系可以对信息机房工程施工过程中各个工艺以及整体施工进度进行统筹管理。通过关联施工进度计划、施工方案、施工现场布置、资源配置方案等各项要素，实现对施工组织设计的计划编制、进度管理、资源管理和风险管理，使管理者能够对工程实际进度与计划进度有直观的把握，使计划调整有了最直观的依据。

3.5 信息机房BIM管理系统应用

3.5.1 平台化理念

基于BIM 技术的信息管理系统的核心作用是构建一个多专业协同、信息资源共享的集中开放式平台。在平台的激励作用下，机房设备数据按照标准统一进行存储和管理，软硬件基础资源采用集中部署的方式，多样化的应用能够实现快速部署、运行和更新。对于建设、设计、施工、监理单位等工程项目的相关参与方，通过对同一BIM 模型进行使用和共享，可以实现铁路客服信息机房工程项目立项决策、规划设计、工程实施、竣工验收的信息化、标准化管理。

通过平台连接客服信息机房工程建设的各参与方，可促进各方交流互动，不断深入拓展BIM 技术在铁路客服信息机房工程建设中的应用模式，切实提升铁路客服信息机房工程建设的规划设计、施工管理和信息共享能力，达到良性协同驱动铁路客服信息机房工程建设信息化发展的目的（见图8）。

图8 信息机房BIM管理系统应用示意图

3.5.2 基本架构

（1）技术架构。根据铁路客服信息机房工程的设计、施工、监理以及业主单位的需求，基于BIM 技术的铁路客服信息机房管理系统技术架构可分为基础设施层、数据存储层、基础服务层、业务应用层和综合展示层5个层面（见图9）。

图9 机房BIM管理系统总体架构

第1层为基础设施层，主要为设计、施工、监理以及业主单位提供上层服务和应用所需的服务器、网络、存储设备及其他设备，以实现多级联网、资源共享。

第2层为数据存储层，通过集中管理设计阶段的数据和建设阶段的数据，形成数据类型全面、格式统一的数据库。

第3层为基础服务层，主要提供对存储数据的数据管理、数据发布及数据接口总线等基础数据服务，同时为上层业务应用提供统一消息分发、流程引擎、图形引擎、认证授权等公共运行服务。

第4 层为业务应用层，主要对信息机房各专业的BIM模型和相关数据进行统一管理，采用移动应用的方式实现信息可视化展示和精准查询，提供多样化的综合保障功能。

第5层为综合展示层，主要提供信息机房各专业设备全方位、直观、便捷的数据展示、查询等服务，实现PC终端和移动终端等多种展示途径。

（2）功能架构。根据铁路客服信息机房工程设计及施工阶段的具体需求，设计了信息化管理系统的基本功能架构，包含轻量化展示、三维模拟、设备管理、问题库管理、进度管理、台账管理和系统管理等7个方面，其功能架构见图10。

图10 机房BIM管理系统功能架构

轻量化展示：主要为用户提供BIM 模型的操作界面，支持对机房设备BIM 模型进行信息检索、控制操作、参数统计、功能展示；三维模拟：主要对施工过程中的关键工序、施工工艺进行模拟，并提供虚拟漫游动画，辅助指导施工；设备管理：管理信息机房中各类设备的属性信息，提供对各设备信息的增删改查操作，并将各设备信息与BIM 三维模型关联；问题库管理：为施工过程中的各类问题信息提供上传、查询和更新功能；进度管理：处理导入的由项目管理工具软件生成的MSP 文件，并对所述MSP 文件进行工程任务分解，实现施工进度的三维模拟和时间跟踪；台账管理：管理所述铁路客服信息机房中各设备的台账信息，支持图片、表格、视频、文本以及二维图纸类型文件的上传、修改、存储和删除功能；系统管理：功能同其他信息化管理功能一致，主要为用户管理、权限管理和日志管理3项功能。