基于BIM技术的公路机电项目管理系统研究

何兰英　

基于BIM技术的公路机电项目管理系统研究

何兰英

（广西交科集团有限公司，广西南宁 530007）

公路机电工程项目具有施工周期长、环境复杂、涉及面广、参与人数众多等特点，随着智能化、高安全、高效率等生产需求的不断提出，公路机电工程项目管理逐步走向模型化、数字化、全生命周期的系统管理模式。通过BIM模型化直观反映项目整体的工程进度及安全隐患，通过数字化图形图表多维度反映工程项目的成本及质量，以统筹规划项目下一步的工作内容，通过BIM技术全生命周期监测及管理整个项目，做到可追溯、可预测、可防范的全面管理。文章以在建的大型高速公路机电工程项目为基础，研究在机电项目管理系统中应用BIM技术对项目的进度、质量、安全、智能化、高效率等进行全面管理的提升。

机电项目；BIM技术；模型；实践；预测；可视化

引言

当前，我国公路建设进入一个高速发展的新阶段，对公路机电工程的建设施工及运营管理提出了更高要求，在研究提升公路机电工程整体质量方面，势必要不断探索新技术、新思路在公路机电工程项目建设管理中的应用[1]。BIM技术具有可视化、协调性、模拟性等特点，其优势是构建直观的三维立体展示模型，使工程整体一目了然，为多部门协调一致提供依据，模拟工程未来进度成果，为预测风险及质量优化提供数据参考。笔者将BIM技术应用到机电项目管理系统中，探索在项目的全生命周期中实现可追溯、可预测、高质量、智能化的管理，现阶段所取得的成果显著。

1　BIM技术趋势

目前，国内BIM技术及产业仍主要服务于建筑行业，围绕建筑设计、建造、运维三个阶段进行BIM技术应用及软件研发。而随着信息技术的不断发展和渗透，BIM技术不仅能够适应建筑行业领域的工作需求，还能不断开拓工业互联网工程、信息化工程、公路机电工程等适用的领域，呈现出多元化适用的发展趋势[2]。

此外，随着学科领域的不断交叉应用和发展，BIM技术不断凸显出其优势和影响力，公路工程、桥梁工程、城市管廊、水运工程、环境工程等越来越多的工程领域应用案例，充分体现了BIM技术在交叉学科领域的适用性和重要性，是符合人们意志的人性化表现[3]。

纵观BIM技术发展态势，BIM技术应用将更趋于多元化、人性化、可视化的发展方向。

2　公路机电项目管理系统组成

公路机电项目管理系统以BIM技术应用为核心，在此基础上向外扩展相关业务，系统采用B/S架构，各项业务基于模块化的组件形式，建立统一认证机制和细分的权限配置管理，同时提供第三方平台业务接口以实现数据同步传输。系统结构分为模型层、硬件层、应用层等六个层次，包含数据资源整合管理体系、统一标准应用体系和信息安全保障体系。

2.1 项目概况

笔者参与的某高速公路机电工程设计施工总承包项目线路全长132.9 km，总投资近13亿元，贯穿两市一县，是该省东西横向交通规划的主要通道之一。项目工程量大，工期紧，线路途径两处运河枢纽、一处非物质文化遗产保护区、一处生态环境保护区、及多处农田耕地等，此外还与一条南北纵向高速公路、多条地方道路存在交叉，因此，项目在建设实施的各个阶段都对施工管理提出了更高要求。

2.2 系统架构

图1 系统架构

系统架构如图1所示，包含六个层次。

（1）模型层：基于Autodesk主流建模软件的模型平台，模型原⽂件轻量化转换平台实现模型 web 发布。

（2）硬件平台层：硬件主要包括服务器、PC客户端、APP移动客户端等应用单元，交换机、网关、防火墙、光纤终端等网络传输单元，采集器、传感器、物联感知等采集单元。平台主要包含操作系统、子系统、中间件、GIS引擎、报表工具、插件等。

（3）数据资源层：包含轻量化的模型及编码数据库，权限配置及字典管理的基础数据库，以及包含进度管理、质量管理、安全管理、文档管理的业务数据库。

（4）综合应用层：包含进度管理、质量管理、安全管理、预控价管理、计量支付管理、库存管理、档案管理七大主业务板块，统一认证中心以及系统配置管理（组织结构、权限、角色）。

（5）决策支撑层：包含进度绩效考核、技术优化改进、综合评估指标三个决策支撑板块，一个可视化的数据中心。

（6）多端支持层：主要包括web应用的PC客户端，以及APP移动客户端。

2.3 系统组成

图2 系统组成

系统组成如图2所示，包含监控系统、收费系统、通信系统、供配电系统、照明系统五大公路机电工程典型的组成部分，通过各部分工程量、进度比例、收支情况、整改情况、计量统计等参变量来实时跟踪项目整体完工情况。

系统突出的特点是基于BIM技术的轻量化模型展示，直观反映项目现场的各项数据，包括在进行的活动、计划实施的活动、预计的资源需求、完工日期等，十分有利于项目决策层实时把握项目总体，并进行统筹规划及决策调整。

系统还包含进度管理、质量管理、安全管理等功能板块，目标是通过数据的专项统计分析反映项目的各项指标，以辅助BIM模型中的工作决策、过程改进、隐患排查等。

2.4 技术路线

在公路机电项目管理系统中，以BIM模型作为项目管理的核心数据基础，对项目的各个组成构件进行逐一建模和编码，模型应拥有清晰明确的存储规则，包括一些存储路径的规范命名，同时编码规则应确保模型在项目全生命周期中的身份标识唯一性，以保障模型属性传递的一致性。

BIM模型搭建主要分两大方面：一是综合性生产模型，主要是项目现场的设备、机械、房建、给排水、道路、材料、仓储等区域，反映的是必要的辅助设施和工序[4]；二是工程设计方案模型，主要是根据设计方案、设计图纸、施工图纸、以及各项技术指标进行建模，反映的是明确的工程指标模型。图3为收费站模型。

图3 收费站模型建立

系统实施过程中，在设计阶段，对项目组成构件进行逐一编码，确保其系统内唯一性。在施工阶段，将工程量清单分项，并与构件编码、清单编码有机结合起来，施工期间的各类数据通过构件编码进行传递和存储。在运营和维护阶段，构件编码与项目实体物件进行关联，通过物件心跳包保活和物件接口实时上传数据，并同步更新到BIM模型中，模型总体完成量、质量、成本、安全等各项指标即反映了施工现场的真实状况。BIM软件编码如图4所示。

图4 BIM构件编码组成

3　BIM技术的应用实践

3.1 轻量化渲染

前面提到，公路机电项目管理系统采用B/S架构，故为了实现BIM模型的web发布，采用将BIM模型多层切片及分布加载的方式进行轻量化渲染，在保证模型完整性的前提下降低模型大小，以适应web端、移动APP端实现模型快速预览的需求。该解决方案在本项目实践中得到广泛认可和好评，即保持了BIM技术实现项目可视化管理的初衷，又达到了良好的用户体验。

BIM模型轻量化渲染应用实践如图5所示，保证模型主体框架的完整性，对项目主要关注的施工主体进行切片，去除非关键的环境模型，实现轻量化渲染。

图5 服务区BIM轻量化

3.2 工序及碰撞检查

公路机电工程项目所涉及的施工项种类繁多，专业性强，因环境复杂多变，受工艺水平、资源配置、工序交叉等因数影响，项目现场常常需要做出检查和调整，如果仍然依靠施工图纸等平面设计进行施工编组和排序，不仅难以切合应用实际，而且还有可能出现工艺偏差甚至返工的严重后果。因此，为保障各类施工项的有序开展，需要应用BIM技术进行场景建模，模拟各项工序过程，消除工序的交叉影响并进行合理编排[5]。同时，在诸如隧道配电房施工、机房弱电线路施工、收费岛机电施工等方面，应用BIM模型进行碰撞检查，将各项设施的安装位置、空间需求、线路走向等模拟出来，通过三维模型动画呈现分析和判断各工序在交叉点是否存在碰撞情况，找出调整方案避免后续施工过程中出现类似问题。

通常工序及碰撞检查需要经过不断重复的推演和优化才能找到合理的排序和消除交叉影响。例如，有些工序排列看似没有问题，也不存在交叉情况，但两者之间的间隙很窄，导致后续施工项没有足够的操作空间，施工人员无法进行有效施工。这时就需要通过模型反复推演，同时把施工人员、辅助工具等关联项考虑进来，才能消除交叉影响。

3.3 清单计算

公路机电工程项目涉及的设备种类繁多、数量大，如监控系统中就包括摄像机、服务器、解码器、拼控器、交换机、安装杆件、强弱电线路等设施，如果根据设计图纸来统计设备清单，难免会因为图纸设计问题、现场需要改变、人为统计错误等因数导致清单的不准确。BIM技术应用可以很好地解决这些问题，首先，通过设计阶段的BIM构件进行分类统计，使统计结构清晰并便于后续更新；其次，通过模型进行消耗模拟和预估，设置一些预留分量；最后，对于固定数量的耗材按需实施配额，对于预留分量的耗材在施工配额时计算上分量数，对于可能包含潜在损耗的施工项，设置一定量的储备。此外，还可以应用BIM模型推演技术来应对施工阶段出现工序变更时所需耗材的变化，以及时同步更新到清单中。

统计清单除了包含材料损耗统计，还包含预期的施工时间、成本、人员投入、进度指标等，项目管理人员除凭借自身的管理经验评估之外，结合应用BIM技术模拟和推演，将能更合理地对系统工作进行结构分解和任务预估，从而提供工程效率。BIM清单计算如图6所示。

图6 BIM清单计算

3.4 进度控制

进度控制是公路机电工程项目中一项需要反复循环进行的活动，它关乎项目能否在计划的时间内保质、保量完成预定工作并交付使用，是项目成败的关键指标之一。项目的进度管理包括计划编制、活动定义、活动排序、资源估算以及进度控制等内容。在实际项目过程中，由于各种因数导致进度偏差或失控常有发生，而传统的平面设计无法直观反映进度状况和找寻引起进度异常的原因。应用BIM模型设计时，除在设计阶段通过模型对进度量化管理以外，在施工和运维阶段还持续跟踪管理，根据施工人员上报的进度绩效信息，实时更新BIM模型上的进度信息，并能根据模型关联分析造成进度异常的原因[6]。

在进度控制阶段，根据上述分析结果，对偏差因数施加干预进行纠偏，对活动资源重新估算，从替代的处置方案中对比分析寻找最佳措施，在后续工作中实施纠偏措施，不仅能及时准确地实施进度控制，还能节约项目管理成本。BIM进度计划如图7所示。

图7 BIM进度计划对比

3.5 技术交底

公路机电项目管理的质量指标主要体现在安装技术、施工工艺、机电设备质量等方面，具有较高的专业性和技术要求，对工程项目整体的质量指标影响最为突出。传统的机电工程项目质量管理包括合同规范、现场监管、质量抽查等方式，在管理深度、广度、细度方面存在明显不足，特别是对一些隐蔽工程、防水工程等的质量管理存在欠缺情况。

引入BIM技术后，将模型构件与质量指标关联并验证后登记入册，进行分项分级标识实现质量的细度管理，对于隐蔽工程、防水工程等特殊工序，通过模型推演来排查隐患项[7]。在可视化模型展示中，施工人员、负责人、专家等参与审核评估，建立虚拟现场的面对面沟通，可有效排查隐患，实施可靠的技术交底，从而保障工程整体质量。图8为隧道技术交低。

图8 隧道技术交低

3.6 施工安全

保障施工安全是机电项目管理的首要任务，施工安全问题的出现具有多方面原因，同时还具有一定的偶然性。以往的安全管理主要通过人员安全知识培训、现场监督管理、经评估的风险预测和防范措施等，这在项目实践过程中是无法根据环境因数等的变化及时准确预测和防范安全隐患的。BIM技术应用使得项目安全管理得到很好补充[8]，一方面是通过模型构件对施工过程进行数字化仿真，另一方面对关联的仿真结果进行识别分析和再关联，导入分析结果查看模型变化，从而准确预测隐患因数，记录形成清单并才对相应措施进行预防。图9为ETC门架施工警示图。

图9 ETC门架施工警示图

3.7 人员管理

公路机电工程项目具有里程长、跨域大、施工节点分散等特点，项目人员部署到各个施工节点后，其管控的难度较大，尤其涉及高空、高压、涉水等危险系数较高的施工项，其人员管理更是整个项目的重点。本项目引入了BIM技术与GIS地理信息系统相结合的方式，为项目人员配备带GPS定位的智慧安全帽或安全服，从而建立BIM模型与人员的关联，人员的地理位置、活动轨迹等真实反映在模型中，从而实时跟踪管理。

一些特殊的施工环境，如隧道内、山坳间等GPS信号不强的环境，应采取加装信号中继的方式，确保每个施工面上的人员都能被监测到。此外，我们还依托这个人员与模型的关联结构建立了人员与工作的关联，根据BIM模型推演的施工计划及人员投入需求，人员分配到工作任务后，其每日的进度绩效即可在BIM模型上实时跟踪。

图10 施工人员定位

4 结束语

总体而言，BIM技术在机电项目管理系统中的应用具有深远影响，在工程实际中，除了文中提及的几方面应用实践，BIM技术在项目的成本管理、运维管理等方面同样具有相当高的实践价值。BIM技术实践基本覆盖工程项目全生命周期的各个过程，在推动公路机电工程项目实现信息化、智慧化等方面具有重大意义，使笔者参与的机电工程项目的管理水平、整体质量得到前所未有的提升，非常值得继续研究和推广应用。

[1]郑豆豆. BIM技术在高速公路机电工程中的应用[J]. 交通世界，2022(Z1): 221-222.

[2]李鑫. BIM技术在高速公路机电工程项目管理中的应用[J]. 江西建材，2021(9): 340-341.

[3]朱福典. 基于BIM的铁路轨道工程三维数字化设计构想[J]. 中国设备工程，2022(7): 189-191.

[4]温洪伟，王昊，石永刚. BIM技术在管道工程中的应用现状[J]. 矿业工程，2022(2): 61-63.

[5]刘源. 基于BIM技术的项目建设管理应用研究[J]. 黑龙江科学，2022(6): 149-151.

[6]杨海霞. BIM技术在高速公路机电工程施工中的应用研究[J]. 智能建筑与智慧城市，2021(11): 164-165.

[7]张庆妹. 高速公路机电设备维护管理系统信息化研究[J]. 设备管理与维修，2021(10): 105-106.

[8]李爱龙. BIM技术在高速公路机电工程中的应用[J]. 科技风，2020(31): 96-97.

Research on Highway Electromechanical Project Management System Based on BIM Technology

The highway electromechanical engineering project has the characteristics of long construction period, complex environment, wide coverage and large number of participants. With the continuous raising of production demands such as intelligence, high safety and high efficiency, the highway electromechanical engineering project management is gradually moving towards the system management mode of modeling, digitization and full life cycle. Through BIM modeling, the overall project progress and potential safety hazards of the project can be directly reflected, and the cost and quality of the project can be reflected in multiple dimensions through digital graphics and charts, so as to plan the next work content of the project as a whole, monitor and manage the whole project through the whole life cycle of BIM technology, and achieve traceable, predictable and preventable comprehensive management. Based on the large-scale expressway electromechanical engineering project under construction, this paper studies the application of BIM technology in the electromechanical project management system to improve the overall management of the project progress, quality, safety, intelligence and efficiency.

electromechanical project; BIM technology; model; practice; forecast; visualization

TU17; U495

A

1008-1151(2022)07-0005-04

2022-04-26

2021年度交通运输行业重点科技项目清单-创新研发项目“高速公路机电工程全生命周期管理BIM技术研究与应用”（2021-ZD2-052）。

何兰英（1985－）女，广西桂林人，广西交科集团有限公司工程师，从事信息系统项目管理工作。