BIM技术在轨道交通工程中的应用构想与实践 <br/>——以北京轨道交通19号线一期工程为例

BIM技术在轨道交通工程中的应用构想与实践
——以北京轨道交通19号线一期工程为例

2020-11-05苏立勇张志伟路清泉

隧道建设(中英文) 2020年10期

苏立勇，周轶，张志伟，路清泉

(1.北京市轨道交通建设管理有限公司，北京 100068；2.城市轨道交通全自动运行系统与安全监控北京市重点实验室，北京 100068)

0 引言

近年来，政府对信息化的推动力度不断加大，BIM产业发展如火如荼，从业人员和市场规模发展迅速。但是，BIM技术繁荣的背后隐忧颇多，应用思路、技术上存在诸多问题，总体上还处于投入多产出少、建模型、放动画的初级阶段，尚未给相关行业带来明显推动作用[1]。

目前，已有不少针对BIM技术应用的研究。陈海丽等[2]以南京地铁5号线PPP项目为例,介绍了项目施工过程中BIM技术初步应用与后期规划；陈涛等[3]依托宁波市轨道交通某地下车站土建工程，对基于BIM(building information modeling，建筑信息模型) 的数字化建设管理技术展开研究，从平台架构的技术层面及应用层面进行论述；易德新等[4]研究了BIM技术在轨道交通项目施工管理中的应用,建立了轨道交通的协同施工管理平台，并以宁波轨道交通3号线一期明楼站的施工管理为例,在数据深化和BIM施工管理应用2方面展开应用研究；段熙宾等[5]研究了面向轨道交通项目的BIM协同设计平台，将贯穿于项目设计周期内的信息进行集中及有效管理,提升设计院的信息化管理水平；施平望等[6]从轨道交通项目实际应用需求出发,研究BIM项目协同平台的网络架构以及各大功能模块,包括文档管理模块、流程管理模块、设施设备构件库模块以及数据校验模块,并依托上海市轨道交通在建项目,验证平台应用的可行性及价值；张波等[7]在北京、兰州、呼和浩特BIM实施经验的基础上,基于城市轨道交通工程建设特点,提出城市轨道交通工程BIM实施体系组成和建设方法，并对实施过程中存在的问题进行思考,可为城市轨道交通的BIM实施提供参考；李姝君等[8]分析得出BIM 技术目前存在数据基础薄弱、基本技术与通用管理系统欠缺、工程管理水平有限等瓶颈，针对性地提出完善技术标准、提升软件通用性和数据利用能力、建设工程生命周期管理框架和融入智慧城市体系等建议，同时指出BIM技术在设计、施工、运维阶段存在的实际问题，但是没有依托实际项目描述具体存在的问题。

综上所述，目前主要从设计、施工、项目管理以及纯技术角度对BIM应用进行分析研究。本文结合用户需求和全过程应用，对目前存在的问题深入分析，剖析各阶段BIM应用的痛点，并提出思路和下一步提升计划。

1 BIM概述

1.1 对BIM的理解与认识

BIM是指由各种数据组成的模型。从概念中就可看出，BIM的实质是信息，BIM技术应用的核心是数据的应用，一切都应围绕数据的采集、分析和研究做工作。理论上来说，所有的数据都是有用的，但过多的数据会导致系统规模过大、投资代价太大，甚至无法实现最终目的。因此，首先需要对数据需求进行梳理，筛选有价值数据，剔除无价值数据，减小系统规模，以最小的代价获取最大的价值；其次是数据的采集，通过二维码、物联网、激光扫描等技术保证工程数据的准确性、实时性，以满足工程的应用；然后是数据的分析与应用，通过数据提高工程的精细化管理，提高工程质量，降低工程风险，降低工程造价；最后通过数据的长期积累形成工程大数据库，通过背后的强大机器学习算法及业务数据分析为后续工程的建设提供指导。新的时代是信息时代、大数据时代，而BIM技术正是建筑业大数据时代的一把金钥匙。

1.2 当前BIM应用存在的问题

随着BIM应用的不断深入，越来越多的问题暴露出来，尤其是在轨道交通行业，点多线长、周边环境复杂、工程过程中变化较多、整体筹划困难等特殊性，使得BIM应用落地更加困难。

1)BIM应用需求不明确，未能与工程密切结合。BIM的核心是数据，不同的需求对应不同的数据和技术路线。不同业务部门的工作内容与信息化的可结合程度不同，针对业务的需求调研工作量大、专业知识要求高。因此，虽有调研工作，但往往落实不到位，导致各方的BIM应用需求不明确。在需求不明的前提下为应用而"应用"，这是BIM应用效果差强人意的直接原因。

2)BIM整体架构不清晰、平台建设难度大。目前对BIM平台建设基本上是简单地将开发任务交给BIM中心或者信息中心开发，导致业务与信息脱节，业务部门参与度不足，这是研发平台不满足需求、难以推广应用的根本原因。此外，对企业自身来说，缺乏基于BIM的意识、思维而开展企业的管理流程再造，也是BIM技术无法很好推进和落地的原因。

正是因为需求不明确、业务部门参与度不足及管理流程未能与BIM技术相适应等原因，使得目前大部分的BIM应用沦为"纸上谈兵"，尽管看起来很美，实际上却沦为"建模型、放动画"的尴尬境地，未能充分发挥BIM的技术优势。

2 BIM技术应用构想

BIM技术应用应该充分分析行业现状、发展趋势和特点，发挥BIM技术信息完备、信息关联、信息一致等突出特点对接项目信息化管理平台、公司信息化管理平台，形成BIM+项目管理(PM)为核心的综合性企业信息化管理系统，实现协同工作及信息共享，为企业管理、项目管理提供一套以BIM技术为载体、以信息流转为目的、以项目管理为核心的综合、领先项目管理信息系统。

BIM技术应用应以BIM数据库为基础、信息化管理平台为载体，形成以质量控制、进度控制、投资控制为目标，信息管理、合同管理、安全管理为手段，贯穿规划设计、施工、运维各阶段，统一模型、统一标准、统一应用的BIM+PM的应用体系。

2.1 设计阶段BIM应用构想

目前，业界提出的采用BIM技术进行"正向设计"[9]，除实现设计成果三维化外，并未明显提升设计成果质量。但这种做法却需要改变设计人员设计习惯，降低了设计效率，增加了设计投入成本。在这种情况下，期望设计行业积极、主动地采用BIM技术无疑是很难的，尤其是处于"买方市场"的轨道交通设计行业。更何况对于BIM技术本身，国家相关标准和配套政策尚不够成熟。

综合研判，当前阶段BIM正向设计在技术上、组织上尚未准备充分，全面推广应用时机尚不成熟，以辅助设计为主可以最大程度发挥其技术优势。就轨道交通工程而言，应该分阶段实施。在工程可行性研究和初步设计阶段，可以通过BIM技术辅助线路走向、站位、车站附属工程设计；在施工图设计阶段，可以通过应用BIM技术辅助开展三维扫描、装修、管线碰撞检查等多专业的深化设计，提高设计质量，弥补设计缺陷，提供准确完整的数据信息，为后续轨道交通建设、运营提供便利。

轨道交通附属的周边环境复杂、变化多端，但设计手段单一、固化，尚停留在以效果图确定方案的阶段，导致建成后效果不理想，甚至影响城市景观，如图1所示，是当前轨道交通建设的痛点和痼疾之一。BIM技术的"所见即所得"，使轨道交通附属在设计阶段就真正融入城市的设想成为一种可能。通过集成轨道交通沿线周边建筑环境与附属一体化设计方案，将BIM技术与CIM(城市信息模型)技术融合，可以直观、真实地在设计前期对地铁车站附属出入口、风亭、冷却塔等的位置进行比选，确定最为合理、准确的设计方案。

轨道交通公共区是乘客的主要活动空间，也是轨道交通的亮点和展示空间。目前由于装修设计时大量的异形结构给加工和施工带来困难，加上导向、视频等专业对空间的影响，大部分车站建成后效果大打折扣；设备管线、装修等的专业配合复杂，经常出现碰撞、打架现象，由此带来的施工调整也非常常见。如果车站公共区装修和管线综合采用BIM技术，可提前弥补碰撞、打架等设计缺陷，也可有效解决后期实际效果与效果图有出入的问题，且将导向、视频等多专业整合在装修设计中，尽可能减小吊杆和导向标识对装修效果的影响。某地铁车站公共区吊杆影响车站装修整体效果如图2所示。通过真实环境多视角浏览技术"身临其境"，对细节进行调整；同时，如图3所示，通过BIM的三维技术对弧形板、异形板尺寸、角度等准确、完整表达，弥补二维表达方式的缺陷，为工厂精确加工、确保效果实现打下良好基础。

(a) 效果图

图2 某地铁车站公共区Fig.2 Public area of a metro station

图3 异形板结构展示Fig.3 Demonstration of special-shaped board structure

地铁车站设备管理用房区域空间狭小、管线众多，各专业管线碰撞、缺少安装维护空间，管理用房区的设备管线综合是轨道交通建设长期面临的难题。在施工图设计阶段，应用BIM技术深化管线综合设计，进行管线碰撞检测，优化调整设计成果，合理布置设备区走廊及公共区管线，为后期的管线安装及运行维护提供良好的基础。管线综合深化设计模型见图4。

图4 管线综合深化设计模型Fig.4 Pipeline comprehensive deepening design model

2.2 施工阶段BIM应用构想

轨道交通工程具有点多、面广、线长、周边环境条件复杂的特点[10]，传统的管理手段难以满足工程建设精细化、标准化的需求。BIM技术的信息完备性、信息关联性、信息一致性、可视化、协调性等特点[11]，使得工程全过程的可追溯性、管理的精细化有了可能，这就是建立基于BIM数据库的BIM+PM的应用体系。

施工阶段是BIM应用最主要的阶段，建设阶段相关数据的采集、数据库的形成主要在这个阶段[12]。制定精细化、数字化、全流程、全要素(包含人、机、物料等多种元素)的虚拟施工，与现场实际施工进行对比分析，形成以进度为核心，涵盖安全质量、投资等的工程建设全过程数字化的BIM应用模式，见图5。

图5 以进度为核心的BIM应用模式Fig.5 BIM application mode with progress as core

如图5所示，为了实现工程建设全过程数字化的BIM应用目标，需要搭建合理的项目管理信息化平台，在提前稳定设计方案、提供设计图纸的基础上，由施工单位深化BIM模型。施工阶段的BIM模型应得到设计、施工、监理及业主的认可后进行封存。如果需要改动，应该按照设计变更、洽商等管理流程进行变更，并按进度计划细化各个施工步序，列出每一道施工工序所需的时间、人员、机械和施工材料等，实现真正意义上的虚拟施工，从而分析和发现施工中可能存在的问题、优化施工组织。

在施工中，采集施工进度与投入的人、机、物等的真实数据与计划进度和计划发生的人、机、料进行对比分析，可以预判工程完工时间，并通过与预期目标进行对比，对关键节点进行重点协调，以实现工期的可预测性。由于模型是经过多方确认的，通过二维码、激光扫描、物联网等技术对工程数据的真实性与实时性进行控制，完成进度的确认即可确认工程投资结算，减少过程纠纷及大量人力、物力的投入。由于对全过程进行监控和数据留存，BIM应用真正实现了全过程、全要素的可追溯性，形成对工程尤其是隐蔽工程的有效监管，确保工程质量可控。同时，其可视化、协调性等特点，使得参与各方能实时了解项目现状，及时发现、解决问题，真正实现协同工作及信息共享，满足工程建设精准化、信息化需求。

2.3 运维阶段BIM应用构想

运维阶段是项目全生命周期持续时间最长、费用最高的阶段，既需要设计、建设阶段中的相关信息，也需要实时获取大量运行状态监测数据，信息种类多、数量大、范围广[13]。依据资产管理的相关规则，以资产管理编码标准为基础，利用无源射频识别(RFID)等技术形成设备资产数据库，避免传统资产管理存在的问题，大大减少人工投入和工作量。最终通过建设阶段形成的项目数据库，进行模型分类和组织，形成基于BIM的三维数据库，实现以资产移交、资产管理为目标的数字化交付。在具体实施中，从项目立项、设备采购至施工进行全过程数据采集和深化，最终形成三维资产清册，进行数字化移交。基于BIM的资产数据采集流程如图6所示。

图6 基于BIM的资产数据采集流程Fig.6 BIM-based asset data collection process

未来资产的新增、变更、处置、报废、折旧、盘点、使用记录、故障及维修记录等数据都会详细记录在基于BIM模型的资产管理数据库中。通过对数据的管理实现基于BIM的资产全过程管理。

2.4 BIM的大数据分析与应用构想

通过建立基于BIM数据库的PM平台，可以形成完备的信息，为大数据的分析应用打下良好的基础，用于指导后续的建设与运营。由于地下工程的复杂性，很多计算参数无法准确量化，目前地下工程建设仍是以经验为主、计算为辅。通过对建设过程中形成的数据库进行分析，可以为工程建设提供更多依据，使设计方案更加合理。通过大数据不断的积累、更新、分析与比对，可以优化配置人、机、料、工筹步序，使施工方案更加合理，人、机、物料的调配更加合理有序，从而降低施工成本，提高工程质量。运营维护期间的数据分析也可以为行车组织、运营安全、设备维护及材料供应等提供辅助决策支撑，对以后的工程建设、运营维护具有极大的指导意义，同时也将成为企业的核心资产，为企业提供核心竞争力。

3 北京轨道交通19号线工程的BIM应用

3.1 工程概述

北京地铁19号线一期工程线路全长22.4 km，全部为地下线，共设车站10座、车辆段1座。线路穿越城市中心城区，多次下穿既有线，途经道路狭窄、管线密集地区，线路埋深大，风险性高，工程施工作业面多、工程量大，工期及施工场地紧张，整体部署、资源调配及项目管理难度大[14]。

19号线一期工程作为北京市建筑信息模型(BIM)应用示范工程和公司BIM技术应用示范线，提出"抓需求、抓落地、抓实效"的工作思路，突出需求导向和问题导向。设计阶段以辅助设计为主，提高精细化设计水平；施工阶段以进度控制为主线，以质量控制、进度控制、投资控制为目标，提高建设管理信息化水平，最终形成数字资产移交，为后期运营管理信息化打下良好基础，摸索出一种适合轨道交通工程的BIM应用模式。

3.2 BIM-GIS数据库平台

数据库平台分阶段、分需求，集成了规划设计、数字建造、运营维护、智慧施工以及数字交付等多功能模块，如图7所示，其中各功能模块均能实现三维可视化的模型数据漫游浏览，文档、信息检索和录入，视频监控，实时数据监测以及与外部系统对接等功能。平台建设围绕"数据采集、数据集成、数据应用及数据分析" 的轨道交通工程建设全生命期BIM技术标准、管理应用体系进行，保证数据的传递和共享满足BIM应用并符合工程建设要求[14]。

图7 数据库平台架构[15]Fig.7 Database platform architecture[15]

3.3 数据应用

3.3.1 设计阶段的应用

在设计阶段以需求为导向实施一系列可落地、可持续的BIM应用，完成19号线一期工程车站模型、周边建(构)筑物模型的集成，方便数据查询、管理等基础应用，并为建设、运维等各种管理平台预留接口。1)完成图纸信息的收集，保证城市轨道交通工程实施中的各种技术资料及信息得到有效采集与管理；2)合理控制文件版本，保证BIM模型和图纸等数据的有效性、唯一性、完整性、及时性，方便BIM模型的实时浏览、查阅与审核；3)实现设计方案的可视化模拟、方案比选及辅助汇报等应用，其中，重点对附属一体化及装修的BIM应用进行探索与创新。

在北京轨道交通19号线一期工程设计阶段首次超前开展附属一体化工作，精心研究全线出入口、风亭和冷却塔设置情况，充分发挥了BIM"所见即所得"的技术优势。结合CIM技术，对全线所有出入口、风亭及冷却塔外观形式、位置进行优化。依托BIM+CIM技术完成的设计成果获得了较高的评价，对其他新建、在建线路及既有线改造具有借鉴作用。

首次尝试在装修设计阶段整合全专业BIM模型。通过三维激光扫描技术复核土建模型与土建竣工实体的一致性；通过点云数据与模型的比对，调整土建模型，作为后续专业深化设计的基础，大大提高机电深化阶段和装饰排版深化阶段的数据准确性，如图8-11所示；通过BIM+VR技术的应用，实时直观展示方案并进行方案比选和设计方案的深化与调整，有效解决导向标识及视频对装修效果的影响，具有行业先进性。

图8 点云模型与BIM模型对比Fig.8 Comparison between point cloud model and BIM model

图9 机电管综模型Fig.9 Electromechanical pipeline integrated model

图10 装修BIM模型Fig.10 Decoration of BIM model

图11 装修标准化构件库Fig.11 Decoration of standard component library

3.3.2 施工阶段的应用

在施工阶段，落实以进度为核心的全过程数字化的BIM应用。通过全线各工点工程实施中空间数据与业务数据的采集，开展基于BIM技术的虚拟现场、前期管理、安质管理、进度管理、风险管理及智慧工地等工作，不断对工程技术BIM应用进行探索创新。在基于BIM的施工方案模拟、深化设计、三维可视化技术交底及风险管理等方面取得了较好的应用成果，推动了工程朝着数字化、精细化与信息化的方向发展。19号线一期工程部分技术交底应用成果如图12所示。

图12 技术交底成果Fig.12 Technical clarification results

偏差较大处用暖色调表示；偏差较小处用冷色调表示。

在工程模块中，前期工作内容(征占地、交通导改、既有设施穿越、地上物拆改、园林伐移、商业补偿、房屋拆改、管线改移)通过柱状图实时展示，如图13和图14所示，展示内容包括地块名称、状态、规划许可时间等。平台实时显示前期工作公告，包括：急需地块及规证时限提醒，点击具体地块名称即可跳转至相应地块位置，查看地块基本信息。

图13 前期工作内容柱状图Fig.13 Histogram of preliminary work content

图14 前期工作内容展示Fig.14 Display of preliminary work content

在进度管理模块中，首次通过将工程进度计划数据与模型相关联，利用BIM技术将工程的二维形象进度表达转化为三维形象进度表达，更加直观。施工单位根据施工计划填报进度信息、施工分组的计划工期与实际完工日期，形成进度追溯看板，查看具体导洞、竖井、梁、柱等工况混凝土量、钢筋量以及进度计划对比等,如图15所示。

图15 三维形象进度表达Fig.15 Progress expression of three-dimensional image

在风险管理模块中，按照设计图纸完成测点布设模型及摄像头布置模型布置，并与现场保持一致。集成后的模型数据包含环境风险模型、自身风险模型、监测点模型、摄像头模型4部分。通过施工阶段的风险数据录入，实时展示在施分项工程风险源分类统计如图16所示，目前已实现与公司级风险平台的风险监测数据及监测预警数据实时对接。