基于建筑信息模型技术的铁路建设管理系统设计

李逸群，祝晓红，陈云龙

（1.中铁电气化（武汉）设计研究院有限公司，湖北武汉 430074；2.中铁武汉电气化局集团有限公司，湖北武汉 430074；3.青岛大学机电工程学院，山东青岛 266071）

1 引言

随着我国经济的快速发展、人民群众交通出行需求的日益增长，铁路作为重要的现代交通运输工具，建设规模不断扩大。与此同时，铁路建设过程中存在的施工管理混乱、智能化程度不足、各部门专业难以协同等问题，严重制约着整个铁路建设产业的发展进步。如何推进铁路建设管理的信息化、智能化，以实现铁路建设工程产业的转型升级、提质增效，成为目前亟待解决的问题。

建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）技术作为新兴的建筑工程信息化技术，可将信息融入实体模型之中，通过信息在模型中的集成流转，将建筑设计、施工及后期运营维护等相关环节联系起来，实现对各个阶段的精细化管理，还能实现项目实施各阶段的相关方在一个平台上协同作业。其具有可视化、协调性、模拟性、优化性、可出图性等优点，可在提高生产效率、节约成本和缩短工期方面发挥重要作用。

基于此，本研究以集成化管理与协作理念作为主要理论依据，在深入分析系统搭建需求及可行性的基础上，将BIM技术引入铁路建设项目管理中，构建基于BIM技术的铁路建设管理系统，设计各模块功能，以期使各参建单位清楚了解铁路建设项目全过程、进行有效的决策支持、开展多目标综合管理，从而达到提高管理效率、保证施工进度和质量的目的。

2 系统需求及可行性分析

2.1 需求分析

为保证所设计铁路建设管理系统的可用性、有效性，研究人员在设计之前对铁路建设管理的实际需求进行了分析，总结出如下具体需求。

（1）完整的系统管理体系。铁路建设管理系统首先应该是一个完整的体系，除包含用户登录、修改密码等基础功能之外，还应该具有全面的系统维护、人员调整等设置功能，良好的页面跳转反应，以及对用户命令的及时回应能力。

（2）优秀的数据处理能力。在铁路建设管理工作中需要处理海量数据，并对不同数据进行分类整理，因此要求铁路建设管理系统具有强大的信息存储能力，能够及时地对数据进行分类，并随时对相关项目信息进行检索。

（3）强大的数据展示能力。为提供清晰的项目报表以确保项目管理工作的顺利进行，铁路建设管理系统应能够将项目名称、总设计量、剩余量、日期、产值等内容生成清晰的业务报表或者柱状图，方便管理人员了解项目内容并做出调整；此外，还应具有模型展示功能，以便为非专业人士直观地展示项目内容。

2.2 可行性分析

可行性分析是以全面、系统的分析为主要方法，以经济效益为核心，围绕影响铁路建设管理系统构建的各种因素，论证其是否可行。本文将从经济、技术、操作3方面进行可行性分析。

（1）经济可行性。经济可行性是所有其他可行性的基础。在本设计中所使用的一些开发工具，包括编程语言、数据库等，全都是免费开源使用的；设计与开发所需参考的大量资料可从互联网上免费查阅。因此，开发铁路建设管理系统在经济性上是可行的。

（2）技术可行性。对于系统的开发，开发语言为Java语言，数据库采用MySQL数据库，设计模式为模型-视图-控制器（MVC）模式，组建模式使用浏览器/服务器（B/S）模式；对于3D模型的构建与展示，采用BIM技术建模，并通过three.js平台实现BIM模型在浏览器上的查看。上述涉及的关键技术均为应用较成熟的技术，因此具有技术上的可行性。

（3）操作可行性。铁路建设管理系统设计的最终目标是用户无需安装其他软件，只需要打开浏览器就能使用该系统，查看、修改系统内容。该系统的使用简单明了，具有可操作性。

3 系统设计

3.1 总体设计

基于BIM技术的铁路建设管理系统的总体设计如图1所示。

图1 基于BIM技术的铁路建设管理系统总体设计

该系统的整体工作流程依次为基础信息维护、数据采集、数据汇总和模型呈现4部分。该系统通过项目管理、计划管理、组织机构管理、模型管理、围岩等级管理、工序模板管理、权限管理、报表管理等，对铁路建设项目的数据进行统一的采集、整理、分析，并将不同的数据分配给综合模板、隧道展板、桥梁展板、路基展板、轨道展板等进行展示，最终实现综合管理。

3.2 模块设计

根据上一章的系统需求分析，铁路建设管理系统分为六大模块，即系统用户管理模块、基础信息模块、系统设置模块、计划进度模块、业务处理模块、业务报表模块，如图2所示。

图2 系统模块设计示意图

3.3 功能设计

基于BIM技术的铁路建设管理系统各模块功能如下。

（1） 系统用户管理模块。该模块包含2个子模块：管理员用户子模块，用于添加管理员信息，包括添加新的用户名和密码，只有超级管理员有权限使用此功能；修改密码子模块，所有管理员均有权限使用此子模块。用户信息已提前存入数据库中，管理员通过输入用户名、密码、验证码登录，如果信息匹配则正确登录，并跳转到首页。

（2） 基础信息模块。基础信息模块包括项目维护、组织架构及人员管理3个子模块。其中，项目维护子模块包含项目唯一识别码、项目简称、项目简介、开始及结束时间等项目相关基本信息，支持多项目集中维护，多项目信息既相对独立又可共享；组织架构子模块可存储并维护公司内部所有部门信息，支持从其他业务系统接入以及其他业务系统通过应用程序界面（API）接口共享访问，为企业后期业务系统集成提供了统一的数据管理模型；人员管理子模块包括工作人员的个人基础信息，如序号、姓名、身份证号、所属单位、职称等，支持个人修改自己的相关信息。

（3） 系统设置模块。系统设置模块包括菜单设置与用户维护2个子模块，菜单设置子模块可以有针对性地对项目信息进行修改、删除或查询，项目信息包括项目名称、所属系统、页面跳转路径等；用户维护子模块可以对用户信息进行修改、删除或查询，用户信息包括登录名、名称、权限类型等。

（4） 计划进度模块。计划进度模块包含4个子模块，分别是计划进度、施工计划、年度计划和年度上报。计划进度子模块可以实时查询不同施工项目的工作进度；施工计划子模块用于记录施工计划的具体细节，包括计划名称、计划天数、开始时间、结束时间、实际天数、实际结束时间等，通过采用主流的编制方式，可以快速地定义任务中的主要参数；年度计划子模块能够以年为单位对各项目的总体计划进行记录和查看，其记录内容与施工计划子模块类似；年度上报子模块是对本年度工作内容的汇总，可直观地记录本年度的工作情况。

（5） 业务处理模块。业务处理模块包括价格处理、系统设置与模型展示3个子模块。价格处理子模块可对施工相关价格进行修改、删除及查看；系统设置子模块中，用户可以自定义工序步骤，并对工序步骤设置权重比例，方便根据实际施工进度和权重比例进行报表统计；模型展示子模块用于展示和查看BIM模型，该子模块利用three.js平台搭建BIM模型浏览器，由于three.js平台是在浏览器上运行的，因此无需安装其他软件，简单便于操作。BIM模型展示界面如图3所示。

图3 BIM模型展示界面

（6） 业务报表模块。业务报表模块包含形象进度、产值分析、产值汇总3个子模块，可进行多维度统计分析、产值数据柱状图分析，用图表实现分析结果的可视化。其中，柱状图展示依赖jfreechart包实现，生成的柱状图如图4所示。

图4 业务报表模块生成的柱状图

此外，查询功能是每个模块具有的基本功能。管理员仅需输入待查找项目相关的一条信息，点击查询按钮，当前页面就会显示查询结果；管理员可对查询到的内容进行删除、修改、查看等，并可选取信息导出excel表格，以便对信息进行存储和发送。

3.4 数据库设计

数据库设计是系统设计的重要环节。好的数据库设计应该具备以下要素：充分利用内存空间，保护被存储的数据。

数据库设计步骤为：先根据需求分析阶段做出的用例图、用例描述、顺序图，对系统数据库进行概要设计、详细设计；然后做出数据库表的详细信息和数据库关系图，分析表与表之间的关系；最后根据不同数据库表的不同参数，设计对应的数据类型。

基于BIM技术的铁路建设管理系统的数据库表包括管理员登录表、项目维护表、组织架构表、人员管理表、菜单设置表、用户维护表、计划进度表、施工计划表、年度计划表、年度上报表、系统设置表、模型上传表、形象进度表、产值分析表等。

表1展示了管理员登录表相关的参数定义。

表1 管理员登录表

4 系统测试

测试是系统开发的最后一步，也是关键性一步，为系统交付提供重要保障。

4.1 测试设计

基于BIM技术的铁路建设管理系统测试设计流程如下。

（1） 制定系统的测试计划，包括紧急情况下的应急策略，以保证整个实验过程在控制之中。

（2） 围绕铁路建设管理这一中心，制定每个功能模块的测试方案，以辅助后期用例的设计和项目进度的推进。

（3） 为每个功能模块编写各自的测试用例，包括登陆测试、修改密码测试、管理员权限测试、添加照片测试等。

（4） 搭建测试环境，执行测试。

4.2 测试总结

本测试主要针对系统的使用者——管理员展开，分别对系统各个模块的功能进行测试，内容包括登陆、修改密码、管理员权限、添加照片、导出列表、照片上传等功能测试，涉及的文件格式包括.pdf和.docx。经过测试，以上模块功能均能实现。

5 结语

本研究构建的铁路建设管理系统以BIM技术作为主要支撑，不仅使用three.js平台搭建BIM模型浏览器，而且覆盖铁路建设工程管理的各方面。目前，此系统设计的功能均已基本实现，下一步还将从以下方面对其进行完善：第一，完善模型展示子模块的功能，在上传功能的基础上增加操作功能，并实现在系统中对BIM模型的查看（目前只能在网页上查看）；第二，提高系统的安全性，如制定代码编写安全规范，防止编译数据库时的数据错误、数据意外丢失等。