基于BIM与仿真技术的铁路桥梁物料管理方法

徐梦妮， 黄中华， 邹贻权， 肖本林， 郑建如

(1. 湖北工业大学 土木建筑与环境学院， 湖北 武汉 430068； 2. 桥梁结构健康与安全国家重点实验室， 湖北 武汉 430050； 3. 中铁大桥局集团第二工程有限公司， 江苏 南京 210015)

铁路桥梁工程相比其他工程，具有建设规模大、建设周期长、施工环境易受外部影响及建造工艺复杂等特点，故在铁路桥梁建设过程中，易出现施工现场管理混乱、存储不规范、材料浪费及进度延误等情况。因此，大量国内外学者对现场物料管理展开研究， 提出精益化[1]、信息化[2,5]、 可视化[6]、系统化[7]、算法化[8]等物料管理方法，为合理规划场地、科学调度物资、提取空间信息、加强沟通效率、减少施工过程中的资源浪费、保障铁路桥梁的施工质量夯实基础。 但现阶段仍存在以下问题，现场不能准确预测材料的使用时间及使用数量，常采购超量的材料存储于仓库，一旦发生变更，则会导致大量材料浪费或增加其他费用支出；材料存储过程中不合理的堆放，易造成施工过程中的二次搬运[9,10]。随着现场物料管理要求日益增高，需建立精益化管理机制，使信息高效传递，为项目提供实时数据，满足现场变更和生产期限的要求。

鉴于此，本文通过研究分析物料管理信息在铁路桥梁中的传递特点，采用BIM(Building Information Modeling)技术与仿真模拟技术相融合的方法，加强虚拟模型与物理场所之间的联系，从而提炼一种精益化思想来优化铁路桥梁现场物料管理流程。首先利用BIM技术创建包含完整铁路桥梁工程信息的三维数字模型；然后将三维数字模型导入仿真软件，模拟桥梁施工现场的材料运输、堆放及使用环节及流程，为管理者提供辅助决策。

1 铁路桥梁施工现场物料信息传递特点

信息是物料系统的高级表现形式。外部信息通过收集、传递、处理、储存、分析及优化等过程，形成铁路桥梁施工现场物料流通的内在机制，从而实现内部系统与外部环境的联通。当信息产生变化时，铁路桥梁施工现场能随之进行动态调整。而信息越充分完善，不确定性因素则会越少，所提出的决策则会越合理。

1.1 信息传递模式

物料信息的传递路径为收集和利用项目数据提供了渠道，而采用合适的信息传递方式可更好地监测施工任务完成度和设计变更等情况，从而加强项目对施工过程的控制。在前人研究的基础上，本文总结了现有铁路桥梁工程物料信息传递方式，如表1所示。

表1 施工现场物料信息传递方式

1.2 物料信息延时的原因

在铁路桥梁工程物料管理过程中，经常会出现物料信息延时的现象。面对海量图纸，频繁的数据迭代，实时的设计变更，一旦出现各层级间协作不畅，则会使信息在各部门传递中延迟、丢失或错误。因此，施工现场保存物料数据信息的安全性、可靠性及实时性显得尤为困难。

2 精益化物料管理方法

2.1 物料管理方法

目前，大量国内外学者将施工现场物料管理问题看成现场规划问题的一部分，研究方法可总结为数学规划法、启发式算法、评价类方法、信息化技术、系统平台等。各方法的优缺点及适用范围如表2所示。针对铁路桥梁工程环境复杂、工期紧及场地狭小的特点，本文采用可视化、信息化程度高的BIM技术结合逻辑性强、算法表达能力强的仿真模拟技术研究施工现场的物料管理问题。

表2 施工现场物料规划方法对比

2.2 精益化物料管理方法选择

BIM技术与仿真技术相结合，可根据可视化三维构建模型及场地模型模拟施工环境、构件运输顺序、运输车次及路径、堆场空间规划等。施工现场的人材机信息、进度情况均可在仿真系统中表示，对于现场发生的变更情况，及时反馈到BIM模型及仿真系统，实时调整物料计划，再将调整计划实时反馈给施工现场，实现信息共享。

仿真工具的使用是实现施工现场信息化管理的重要手段，它可以将2D设计图及布置图转变为动态模型，甚至可以模拟整个材料运输、堆放、使用过程。通过模拟一系列过程，以预测施工过程中的变更及参数的变化对物料及施工现场空间利用的影响，从而为管理者的决策提供支撑。仿真模拟流程如图1所示。

图1 仿真模拟流程

3 施工现场物料精益化管理思路

3.1 确定仿真目标及调研分析

物料管理在复杂的铁路桥梁中十分困难，考虑的约束条件太多，优化的方案组也趋近无穷，现阶段仍以手工计划为主，集成度不高，计划调整等问题频繁出现。根据现场施工动态，使各个工作流动起来，让施工需求带动物料生产，减少用于储存的价值流失已成为铁路桥梁精益化管理的难点及热点。需考虑因素众多，包括：(1)现场需求及外部环境易变；(2)多目标的冲突(生产计划、物料计划、运输计划、场地空间、施工计划)；(3)供应、运输、施工的随机性和不可靠性；(4)物理空间干涉和通道的约束。

针对施工现场空间关系复杂，可将现场情况进行抽象、假设，形成一个仿真系统，对现实场景进行映射，建立实景模型，通过某一逻辑目标的抽象假设，更方便人们研究，发现本质规律。但对于施工现场物料关系的复杂程度，往往属于离散型系统。对于复杂的离散系统，无法得到相关的计算公式，但能得出符合逻辑和对应的数字关系，此时就需要仿真以得到一个准确的数字参考。

3.2 模型的建立及简化

在铁路桥梁工程中，BIM技术将结构信息和实时变更数据引入三维的结构模型，创建包含完整铁路桥梁工程信息及场地信息的三维数字模型，实现对桥梁几何、结构参数、构建信息的可视化高效管理。通过BIM 技术的应用，将桥梁设计、施工和管理工作予以协调和整合，工程技术人员可对大桥的各种信息作出正确理解和高效应对，使得各部门高效协同工作。仿真与BIM技术应用于施工阶段，模拟物料堆放、运输、使用过程，可将问题提前暴露；施工模拟可视化，提前解决施工问题。

通过采用Revit，Dynamo等软件进行建模，使施工现场实现可视化，真实呈现桥梁工程实际施工状态，模拟不同设计方案，进行方案比选。通过模型及时发现图纸问题并及时更改，可极大提高图纸质量，从而减少设计差错漏项及物料的浪费。利用Navisworks软件对模型进行碰撞检查，对冲突点进行优化及修改，可大幅度减少材料尺寸错误等问题，从而能加快施工进度。以某铁路桥梁工程为例，将施工现场平面布置图转化为实景模型，如图2所示。并根据现场实际情况，对大临设施位置进行方案比选，最终优化场地布置，如图3所示。

图2 施工现场平面布置

3.3 确定信息约束条件

基于铁路桥梁工程空间有限的特点，材料、机械设备与施工过程存在联动关系，而信息的延后、资源的浪费、进度的落后均体现了各环节精益化程度不高。机械配置、材料配置及作业节拍三个部分则成为资源利用率、现场管理的约束条件，如图4所示。

图4 信息约束条件

3.4 精益化管理对象的选取及改进思路

3.4.1 机械配置

(1)运输过程

将物料入库或从库中送至目的地，都需通过运输来完成。物料运输需有合理的调度计划、路径安排及场地规划等信息的协调，而在实际运输过程中，经常出现由于信息流通不充分导致设备窝工、迂回等现象。通过获取物料流向信息、优化运输路线及缩短运输距离，可实现物料的合理调度。

(2)装卸过程

装卸是物料运输的上下端接口，根据物料库存需求信息(需求品种、数量及使用时间)将物料装车运输为上端接口，根据物料信息(物料品种、数量、到达时间)将运输进场的物料卸至库中为下端接口。通过对物料装卸信息的调度，可优化物料对接时间、降低装载搬运作业量。

(3)运转节拍

机械设备的选择和供应是确保该工程施工进度和施工质量的重要前提之一。铁路桥梁工程中主要用于物料调运的设备为履带吊、龙门吊、塔吊、天泵及混凝土罐车等。由于容纳机械设备的活动空间有限，需根据工程特点、施工部署及进度计划，对机械设备的出入场时间做出计划，同时按照安全规范、物料计划、施工步骤建立调度流程，从而提升空间利用率，使铁路桥梁的施工进程更加稳定、高效、安全。模拟施工现场吊车转运钢筋过程，如图5所示，通过对运输机械的选择与具体路径规划、设计，使物料计划与运输系统按施工要求得到合理配置，提高整体运输、装卸、运转效率，图6所示为吊车运转参数。

图5 钢筋吊装模拟

图6 吊车运转参数

3.4.2 材料配置

(1)需求计划

利用信息化技术对铁路桥梁工程场景进行建模。首先，通过模型数据采集及工程量计算，导出材料明细表，再根据施工步骤提取材料清单。然后，根据模型及内部信息进行碰撞检查，发现问题后及时反馈至设计院，提出变更意见，同时按照变更情况，及时调整材料清单。最后，将施工进度做相对应的调整，按需进行材料规划。信息随时更新，随时反馈，从而降低材料浪费的可能性。并可将相关信息生成二维码，方便现场人员随时通过移动端设备接收读取相关内容。

在BIM模型中可视化展示施工现场的实时状态，用颜色区分构建状态，分别为：材料已加工、材料已进场、材料变更、未开工、已完工等，如图7所示。通过施工实际进度反应物料消耗状况，并与计划进度进行比较，对产生的偏差进行分析，并提出相应的解决措施。

图7 施工现场实时状态

(2)存储方式

信息的本质特点是流程化，使事物变得有序。真实完整且及时有效的物料信息对库存管理尤为重要。铁路桥梁工程物料库存的信息传递路径如图8所示。

图8 库存信息传递路径

对于物料而言，若铁路桥梁工程的材料需求完全确定、各个供应环节能无缝连接，理论上可实现“零库存”目标。将材料、机械、施工作业节点进行关联后，对材料进场节点、机械设备运转节点及施工作业节点进行分析，以施工节段为单位做出相应物料管理计划。根据物料管理计划调度原材料、半成品和成品等进场。将施工节段所需物料按照施工步骤及种类数量进行堆放，施工现场材料堆放方式如表3所示。

表3 施工现场材料堆放方式对比

通过比对分析，选取按施工步骤堆放，通过线上可视化管理，降低现场人员管理工作量，并加快使用效率。以塔柱施工为例，模拟其钢筋堆放过程，如图9所示。并将材料名称、材料数量、材料规格、施工作业节点、转运机械等对应材料、模型信息存储于二维码中，通过扫描二维码，可快速准确获取构件安装、变更信息，并可实时进入后台对信息进行更新修改。现场操作简便，管理层数据无延时，可快速高效地进行构件查找、定位，如图10所示。

图9 材料堆放模拟

图10 材料标识二维码

3.4.3 作业节拍

(1)固定节拍

铁路桥梁工程的主要施工顺序为：施工准备(征地拆迁)→桥梁下部施工→桥梁塔柱及边跨施工→主跨钢箱梁施工→斜拉索施工→桥面附属施工→全桥索力调整。其中，每个施工过程都存有相对应的工程进度计划表及具体施工方案。每个施工步骤均存在时间目标，需在规定的时间内完成固有的生产计划，根据三维模型模拟施工进度，制定高效合理的施工计划及相应人材机进场计划。

(2)可变节拍

施工过程中极易发生信息变更等情况，而信息变更后易打破原有施工、材料及机械进场计划，若项目管理层间信息不流通，更会加剧信息缺失或延时现象的产生，故信息的时效性在铁路桥梁工程中显得格外重要。可将信息在可视化模型中及时反馈，生成相关报表等变更信息，并及时反馈给技术人员，对模型进行修改，将变更用颜色区分开来，并及时修订作业计划。图11，12所示为塔柱施工过程进度计划，可将虚拟仿真动画关联进度计划，实时调整施工进度，并调整仿真过程，将变更构建用颜色显隐动画表示，呈现实时动态管理。

图11 塔柱施工进度计划

图12 动画仿真模拟

3.5 优化管理流程

物料管理过程，实则也是PDCA循环(计划(Plan)-实施(Do)-检查(Check)-处理(Action))的过程，环环衔接，步步紧扣。减少错误率、降低库存、优化加工程序、“零”转运、提高工作效率，是精益思想在铁路桥梁物料管理中需优化的痛点。

首先需设定管理目标，确定库存天数、存储物资、评估物料交付能力及相应数量，从而确定库存周转率及准时交货率。分析其中可优化步骤，并实施于仿真技术中，根据数学逻辑及软件自带计算功能进行仿真分析，从而将优化结果量化，可精准获取其优化程度(计划值)。最后将施工现场实际情况与计划值进行对比，定期评估，做好事前、事中、事后控制，细分工作使管理流程更加精准细致，对不足之处实时改进，实现信息的吸收加工、信息的反馈到信息的生成全过程。管理流程如图13所示。

图13 物料管理流程

4 应用成效与不足

以铁路桥梁施工现场物料管理为研究点出发，对其信息传递方式、现场组织关系及现有管理方法进行研究分析。提出利用BIM与仿真技术融合的方法，优化铁路桥梁物料管理环节及流程，从而缩短运输与存储周期，降低库存积压、减少物料管理中材料的丢失及浪费；量化物料数量、机械计划、作业节拍等，使管理流程可追溯。其重点为关注管理流程及关键控制点，使信息迅速流动、减少信息冗余、减少多余的作业环节、消除操作延迟等，实现准确的信息传递、准确的库存安排、准确的需求预测、准确的施工所需物料等，从而提高管理者决策效率。其应用成效及不足之处如下：

(1)直接效益：1)实现构件间几何冲突检查；2)对系统功能、施工步骤进行预判；3)通过施工空间模拟合理控制安装空间；4)优化场地布置方案及施工方案。

(2)间接效益：1)积累了大量族库及仿真案例，为其他项目提供了数据支持；2)提高各层级间协同工作效率及信息流转速度；3)通过可视化，使交底更准确，从而提高工程质量；4)为后期运维阶段提供重要数据来源。

(3)不足之处：1)此方法对软硬件要求极高，对模型的处理、流畅度方面仍需改进；2)铁路桥梁施工工序冗杂，对其全过程施工动态实时展示、物料管控仍存在一定难度，仍需在当前基础上进一步深入研究优化。