基于BIM的企业级铁路施工管理平台研究

2023-02-18王焕松于胜利卢文龙张敬涵

铁道标准设计 2023年2期

王焕松，于胜利，卢文龙，张敬涵

(1.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; 2.北京经纬信息技术有限公司，北京 100081)

引言

为实施交通强国目标，打造中国制造2025高铁新标准，铁路施工建设项目不断地探索BIM、云计算、移动互联网、AI、北斗导航等新技术[1-4]，使得中国高铁进入绿色设计、智能建造、精益管理新模式[5]，为智慧铁路建设发展提供良好的基础，同时，解决了铁路项目规模大、建设工期紧、技术要求高、安全风险高、施工管理混乱以及传统铁路项目管理方式存在智能化程度不足等问题[6-8]。BIM技术是铁路工程领域中面向全生命周期的前沿技术，具备可视化、协调性、模拟性、可优化性等特点[9-11]。因此，使用前沿科技技术和管理理念，研究基于BIM技术为核心的施工管理平台，实现铁路工程建设过程中不同参与方的全要素、全方面、全过程的信息共享和协同作业，推动铁路工程建设向信息化、智能化发展等具有现实意义和理论价值[12-13]。目前，国内许多学者研发BIM施工管理平台，路耀邦等[14]运用BIM、物联网等先进技术，研发BIM施工管理平台并在大瑞铁路高黎贡山隧道上应用；马少雄等[15]研究基于BIM技术的隧道施工协同管理平台；戴林发宝等[16]针对铁路工程中的多源数据，采用混合架构研发BIM协同设计平台，并在羊台山隧道中应用；智鹏[17]研究BIM与新技术(云计算、大数据、物联网等)融合应用等关键技术，并研发了基于BIM的铁路隧道施工建设管理平台；张贵忠[18]采用“云+端”应用模式和WPF三层架构方法研发沪通长江大桥BIM管理平台；韩鑫等[19]研发铁路工程三维协同大数据云平台，实现多源数据信息一体化协同管理。同时，不少学者[20-23]研究BIM+GIS应用于铁路施工建设管理。但大多数施工管理平台是根据单个项目研发施工管理平台，而一个企业有多个项目时，比如有铁路桥梁、隧道、路基等多个标段项目时，难以集成数字化管理，故依托京雄城际铁路(JXSG-7)雄安站特大桥研究企业级到项目级的闭环管理，采用BIM、3DGIS、物联网、数据可视化等技术，研发施工单位企业级BIM铁路施工管理平台(Construction Enterprise Management，CEM)，实现多个项目的施工现场智慧化、可视化管理，提升整体管控能力。

1 工程概况

新建北京至雄安城际铁路站前工程JXSG-7标段位于雄县东北部，处在雄安站两侧咽喉区，即雄安站特大桥，正线里程为DK102+002～DK104+625，设计时速为350 km。由于站场规模较大，场坪高，场址地形条件复杂，同时多条联络线引入，故全部为现浇道岔连续梁和现浇简支箱梁(其中双线190孔、单线98孔)，现浇道岔梁约4 000 m；墩身均为实体墩，共计141个；基础为钻孔桩基础，数量超1 300根。项目施工难度较大，协调困难，影响因素较多，是全线控制性工程之一，其特点有：施工工期紧，站前站后工程同步开展，交叉干扰大；建设标准高，根据铁路公司要求，需全力打造“精品工程、安全工程、智能工程”，建成高标准的高铁项目；征拆难度大，需拆迁建筑物面积超过8 000 m2，35 kV及以上高压线70多处，不可控因素多；雄安站施工组织难度大，雄安站为高架站，设计采用桥梁形式，道岔梁数量较多，施工技术和组织难度大。

2 施工管理平台研发

2.1 施工管理平台总体架构

企业级BIM铁路施工管理平台采用私有云+公用端模式的多层架构体系,使用模型层次化动态加载技术和基于WebGL、ActiveX与云技术融合的混合云引擎技术，通过ASP.NET的MVC技术架构和Http、WQTT多种安全传输协议以及分布式存储技术，实现以BIM模型数据为核心，互联网为介质的施工管理平台，达到施工数字化和智能化管理、按需动态加载模型和高效交互渲染应用效果，其总体架构如图1所示。

图1 CEM施工管理平台总体架构

2.2 施工管理平台功能模块

施工管理平台功能模块包含：项目管理、企业综合驾驶舱、项目施工管理三大功能模块，其功能组成如图2所示。项目管理主要负责对企业多个铁路工程项目的管理，其包含：①对企业铁路项目信息日常管理和维护，如竣工时间、建设单位、工程进度、施工日志、质量检查等，如图3所示；②新增项目，在企业管理平台中添加新项目的相关信息，并在企业综合驾驶舱各个展示模块新增相应的数据显示；③人员权限管控，通过管控权限设置，使不同用户(企业用户和项目用户)进入平台中不同管理模块(企业管理或项目施工管理)。

图2 企业级BIM铁路施工管理平台应用组成

图3 企业项目管理平台界面

企业综合驾驶舱具备在地图上显示各个上线项目的位置，并对每个上线项目的各功能模块数据进行统计、分析和展示。企业用户通过点击展示数据能够查看对应项目功能模块数据以及点击地图上项目图标和名称进入相应的项目施工管理。企业综合驾驶舱展示内容为各个项目的工程进度情况、质量检查结果、重大安全统计、工程信息、人员统计、设备管理、物料管理等，如图4所示。

图4 企业综合驾驶舱

项目施工管理功能模块组成为：项目综合驾驶舱、基础数据管理、施工进度管理、施工过程资料管理、安全VR培训体验、隐患排查、视频管控应用、工程量统计、设备管理等，为项目用户提供全方位、全流程的项目日常化管理。项目功能模块数据将同步至企业综合驾驶舱，实现企业对项目的日常监管。项目综合驾驶舱主要展示项目概况、智能设备油耗统计、隐患排查、施工人员管理、电子沙盘等内容，如图5所示。

图5 项目综合驾驶舱

2.2.1 基础数据管理

基础数据可分为BIM模型数据、GIS数据。BIM模型包含了构筑物模型(路基、桥梁、隧道、轨道、边坡防护等构筑物模型)、机械模型(车辆、闸机、吊机等机械设备)。BIM模型的轻量化通过自主研发的轻量化组件和自定义数据格式“*.cars”上传到平台中，其轻量化研发的原理是采用“数模分离”思想，通过信息读取和GUID关联等方法得到无损几何数据与属性数据两个存储文件，实现了复杂模型构件一次性轻量化转换高效提取存储和可视化展示应用，其流程如图6所示。

图6 BIM模型轻量化流程

GIS数据包括高清遥感影像、倾斜摄影模型、DEM等地理空间相关的数据。其中，倾斜摄影数据通过无人机搭载多台不同角度传感器获取地面信息，再通过软件处理成三维模型，如图7所示。

图7 倾斜摄影模型

2.2.2 电子沙盘

平台融合了轻量化BIM模型、倾斜摄影模型以及GIS数据在自主高效图形引擎技术中实现铁路工程建设环境的虚拟场景，如图8所示。在图形引擎中可以通过里程定位或桥墩定位查看固定区域导览图，还可以通过添加标签保存当前位置视图；也可以实现模型的精细化浏览并进行一系列模型查看操作，如带线渲染、剖切面、模型爆炸等功能，如图9所示。此外，图形引擎支持测量(测点距和面积，坐标信息显示)、场景模拟(阳光、雨、雪)、飞行预览等功能。

图8 虚拟场景

图9 精细化BIM模型

针对BIM模型属性管理和关联技术研究，可准确查询选择的模型以下信息：模型常规属性、工程完成情况、工程检验批、工程量等，对单体构筑物实现精细化、信息化管理，如图10所示。

图10 属性查询

2.2.3 进度管理

根据施工总进度计划、季度进度计划、月进度计划、周进度计划，并自动挂接BIM模型工程实体分解对应构件，分配各工序间的逻辑关系，同时赋予模型构件详细信息，如计划起止时间、工程数量等，实现进度计划的动态管理与联动修改。实际进度信息采用直接从铁路工程管理平台获取和手动录入两种方式，对实际进度和计划进度进行对比分析，自动计算滞后工期，并进行预警，实现PC端对每一项计划进行任务派发和设定任务完成的要求，实时反馈派发任务完成状态，实时闭环，互联网实时同步，并在平台可实时进行已派发任务状态的查询，其流程如图11所示。

图11 施工进度流程

根据实时进度信息与模型关联，在电子沙盘中实现BIM模型实时渲染，并可查看施工总进度、施工进度图、设计总量和完成总量等信息，更好地把控和了解项目进度，如图12所示。

图12 进度管理

2.2.4 质安管理

(1)隐患排查

通过对隐患排查、流程上报、流程跟踪验证以及隐患消除的全流程环节控制关键技术研究，同时调用中铁九局公司隐患排查系统接口数据，研发隐患排查APP和CEM施工管理平台模块功能，如图13所示。检查人员可快速通过移动端对现场发现的问题录入并指定整改责任人和限期整改。整改责任人通过移动端进行整改回复和记录，检查人员进行审核，并可在PC端隐患排查模块进行查看和隐患排查点的历史追溯管理。

图13 隐患APP和Web浏览端

(2)安全VR培训体验

通过VR虚拟现实技术，对铁路工程人员进行沉浸式安全教育培训，结合施工方案4D模拟和逃生方案进行虚拟预演，增加工程人员安全逃生经验，同时，也可以核查施工过程安全漏洞。

(3)视频管控应用

通过无人机实时或留存的航拍视频、视频监控录制视频，平台自动进行视频实时处理，对现场实际工程情况进行记录、标注和提示，并可对历史记录进行存储和追溯。

2.2.5 费用管理

(1)工程量统计

通过BIM模型的编码标准、自动计算和导出工程量等方法，并依据清单规范和预算标准，在施工管理平台中设置相应计量规则的映射和配置文件。将BIM模型导入平台时，BIM模型关联施工合同清单，后台进行自动算量，生成清单汇总表及工程造价，并与施工进度绑定展示实际工程量统计，形成BIM模型、工程量、综合单价的“构件级”关联。此外，通过研究时间维度和空间维度，可以查看任意时间段和任意构件组合的清单量，如图14所示。

图14 工程量统计

(2)设备管理

平台采用BIM技术结合FRID技术，通过对设备进场、验收以及使用情况进行全过程、全方位管控，改善了设备管理状况，降低设备成本，如图15所示。同时，针对机械移动设备的用油量进行统计和跟踪管理，减少不正常油耗，提高机械设备使用效率，节约成本。

图15 设备管理

2.2.6 过程资料管理

平台根据施工过程中的资料管理需求，研发过程资料管理功能模块，如图16所示，实现对施工过程中的各个环节和程序过程进行管理和追溯，如劳务用工资料、施工方案、图纸资料管理等，最终实现无纸化办公。对图纸进行台账管理，随时更新图纸信息，替换已作废的图纸，同时记录变更的详细信息，实现项目全生命周期的图纸有序可追溯管理。

图16 过程资料管理

3 示范应用

依托雄安站特大桥工程项目进行了基于BIM的企业级铁路施工管理平台研究，实现了企业到项目全流程闭环管理的成功示范应用。在雄安站特大桥施工过程中面临着站前站后同时施工、多现浇梁、地形复杂、多条联络线引入、多道岔梁等重难点问题，平台以BIM模型为基础，提供全方位、全过程的解决方案和信息化措施，如电子沙盘以可视化的方式对施工进度、施工环境进行模拟和对比预报，从而加快了10%进度、隐患排查APP和隐患功能降低了安全风险20%，设备管理减少18%的非正常油耗等。此外，通过平台的综合驾驶舱以可视化方式展示项目施工现场的复杂地形、施工进度情况、工程量统计、费用管理等内容，提高了企业对项目的高度集中信息可视化管理和日常管理机制。平台的成功示范应用，创造了可观的经济效益和社会效益，推动了铁路工程建设信息化发展。