軌道交通信息模型系統的研發及其在廣州地鐵中的應用

張偉忠， 王 瑋， 陳 前， 梁 燾， 張 銳， 王珩瑋

(1. 廣州軌道交通建設監理有限公司，廣東 廣州 510010；2. 廣州地鐵集團有限公司建設事業總部機電中心，廣東 廣州 510060；3. 清華大學土木工程系，北京 100084)

軌道交通信息模型系統的研發及其在廣州地鐵中的應用

張偉忠1， 王 瑋2， 陳 前3， 梁 燾1， 張 銳2， 王珩瑋3

(1. 廣州軌道交通建設監理有限公司，廣東 廣州 510010；2. 廣州地鐵集團有限公司建設事業總部機電中心，廣東 廣州 510060；3. 清華大學土木工程系，北京 100084)

為了實現廣州地鐵新線建設的施工管理和數字化移交需求，將 4D施工管理理念引入到軌道交通工程建設中，通過研究多種主流建模軟件成果兼容性以及信息集成技術，采用多平臺信息管理模式，建立基于建筑信息模型(BIM)的軌道交通4D技術應用架構和信息模型結構，開發了“軌道交通信息模型管理系統”，并應用于廣佛線鶴洞站實際施工管理。該系統實現了基于二維碼的機電設備過程信息管理、基于 3D模型的“按圖釘”質量安全管理以及以派工單為核心的進度管理。同時，為了更好推動系統的落地應用，編寫了BIM標準應用指南。本系統的應用表明：該研究有助于實現項目參與方信息共享、多專業協同、縮短施工工期、降低運維成本，提高了地鐵建設過程中施工效率以及信息化管理水平。

施工管理；軌道交通；機電；建筑信息模型；地鐵

廣州軌道交通項目是廣州市重點市政工程項目，對廣州市的城市交通，特別是軌道交通的發展具有重大意義。為實現“打造精品、精益求精”的目標，廣州地鐵集團有限公司與清華大學合作，針對廣州地鐵新建線路的施工管理和數字化移交需求，首次將先進的4D-CAD以及4D施工管理理念引入到軌道交通工程建設中，研究開發了“軌道交通信息模型管理系統”(簡稱“GDJT BIM”)，實現了基于BIM的地鐵建設全生命期管理[1]，提升了管理與決策水平。

1 國內外相關研究綜述

建筑信息模型(building information modeling，BIM)是對建筑全生命期各種工程信息的數字化表達[1]，旨在實現建筑業各階段之間、各參與方之間的高效信息共享[2]，為面向建筑全生命期的性能分析和集成管理提供數據支持。近 10多年來，BIM技術在數據標準、配套應用軟件等方面都有了較快的發展。國際上，BuildingSMART發布了BIM數據存儲標準IFC，為BIM數據交換提供了開放的標準格式[3]。美國以及歐洲眾多國家已經陸續研究并發布了適應各國建設行業的國家BIM應用標準[1]。相比較而言，國外研發的BIM軟件眾多，但大都集中在設計階段，如Revit[4]、ArchiCAD[5]等。目前國內在施工階段應用的BIM軟件數量不多，應用較廣泛的應屬于清華大學自主研發的4D施工管理系統4D-GCPSU[6]。

在實際工程中，越來越多的建筑企業開始從關注BIM技術轉換為由淺入深的實踐BIM技術，這得益于大量的研究者所做的前沿性工作。胡振中[7]通過綜合應用BIM、4D、時變結構分析、過程模擬以及預測評價和碰撞檢測等領域的知識，開發了基于BIM的建筑工程4D施工管理及安全分析系統(4D-GCPSU 2009)，最終提出了施工過程沖突和安全分析管理的整體解決方案。Yu[8]開發了一個基于BIM的Web端的施工管理系統(ConBIM-IM)，主要用于施工過程中的信息共享以及高效地跟蹤項目進度情況。Lu等[9]將4D-CAD與3D虛擬建造動畫相結合，實現了給項目建設方直觀可視化表達北京奧運主場館的設計與建造過程。Goedert和Meadati[10]通過在3D模型上記錄實時的竣工模型信息以及施工過程數據，獲取并存儲施工過程檔案資料，最終形成一個包含有施工過程文檔資料的竣工模型交付給項目投資方。

盡管國內外BIM的研究應用較受歡迎，但大多數建筑企業單位對BIM的應用仍然是單點的、表面的、孤立的以及非跨階段的。本研究預期通過BIM技術更加深入的研究應用，實現三維可視化動態施工管理分析[11]、多參與方協同、信息共享，最終保證工程移交的資料能夠在運維階段[12]被直接使用，滿足廣州地鐵數字化移交需求，降低運維階段初期成本。

2 項目概況

2.1 工程背景

鶴洞站所在地區為廣州市荔灣區芳村。車站所在地形為“馬鞍”形，平段長度約300 m。本站站位設在鶴園路西側。出入口設置于道路兩側，一個出入口與公交車站形成換乘。本站為地下2層島式車站，車站有效站臺中心里程為YDK21+448.205，軌面埋深約14.41 m，站臺寬為10 m，車站標準段寬度為29.5 m (包括括圍護結構)，車站總長度為109.7 m (包括圍護結構)，總建筑面積為9 034.45 m2，主體建筑面積為7 384.0 m2，附屬建筑面積為1 650.45 m2。

2.2 項目實施技術路線

本項目研究的總體技術路線，包括理論研究與現場調研、模型創建、系統研發、實際應用和課題總結5個部分。

(1) 理論研究與現場調研主要包括廣州地鐵項目建設階段的風險分析，全面信息化背景下建設管理的組織體系和管理模式分析和構建，及其建設管理的特點分析，最后建立基于BIM的廣州地鐵4D技術應用架構和信息模型結構。現場調研工作主要是深入廣州地鐵公司和施工現場，通過與廣州地鐵項目建設方、監理方及承包商相關領導、管理人員交流和調查，了解項目的概況、施工進展狀況和管理流程。

(2) 模型創建是根據工程需要明確建模需求，確定建模范圍，包括建筑、結構、設備的3D模型等，并指導建模負責方。

(3) 系統研發是針對廣州地鐵項目新線建設特點及實際需求，通過需求分析、系統架構設計和詳細功能設計，開發C/S架構下的客戶端子系統，B/S架構下的網頁端子系統和支持智能移動終端的移動應用子系統，并針對建設方、監理方和施工方提供不同的施工管理功能和界面。系統主要包括系統管理模塊、資源管理模塊、質量管理模塊、進度管理模塊、安全管理模塊、驗交管理模塊、考核管理模塊和數據共享模塊。

(4) 實際應用：是將“BIM 平臺”應用于實際工程建設的4D施工資源管理、質量管理、進度管理、驗交管理、安全管理等。

(5) 項目總結、驗收與評審包括總結研究成果，撰寫研究報告、技術報告等結題資料，組織專家召開評審和驗收會。

3 BIM平臺關鍵技術創新點

3.1 模型兼容性

由于廣州軌道交通項目的建模工作由各施工分包商以及設備廠商承擔，因而難以避免出現在同一項目模型中使用不同的建模工具進行 BIM建模的情況。多種BIM建模工具的模型兼容性解決方案(圖1)較好地解決了此類問題。

圖1 模型兼容性解決方案

3.2 信息集成技術

基于清華大學對 IFC的研究和應用以及 BIM技術的信息共享理念，GDJT BIM提供了IFC接口，可以實現多種軟件模型的合模。此外，GDJT BIM亦提供了OBJ、3DXML等格式接口，從而更大程度兼容各種非BIM技術的三維建模軟件。

在廣佛線鶴洞站應用中，已經實現了多類型建模軟件所做的三維模型在 GDJT BIM上的精確合模。廣州地鐵各建模單位分別使用Tfas、MegiCAD、Bentley、Tekla、CATIA、Revit等主流建模軟件對鶴洞站機電設備建模，通過導出Ifc、3DXML等中性格式文件，再導入GDJT BIM系統中并可稍微提整位置偏差完成模型整合。這一研究成果為今后各家建模單位的模型集成到 BIM系統提供了有力的技術支撐。

4 BIM平臺研發應用成果

4.1 系統整體架構設計

4.1.1 系統硬件架構設計

由于本項目涉及建設過程中的建設方、監理方、施工方和第三方，并且目標是可以覆蓋今后各條待建線路，因而系統硬件的物理結構設計需同時支持通過互聯網或各線VPN內網的訪問，所以將數據存儲的物理結構設計為“中心-各線”的二級存儲模式。

4.1.2 系統軟件架構設計

本系統首次選取CS+BS+MS模式作為網絡結構。針對的智能終端擬包括基于iOS系統的蘋果智能手機和基于Android系統的智能手機。故本系統應由BS架構的Web應用程序、CS架構的計算機桌面應用程序和移動終端網絡應用程序組成(圖2)。結合項目的需求分析，系統的部分需求功能點需3部分架構共享，因而在服務器端單獨設計公共功能Web服務模塊。

圖2 “軌道交通信息模型管理系統”網絡結構圖

4.2 多種主流建模軟件合模

實現了多類型建模軟件所做的三維模型在GDJT BIM上的精確合模。廣州軌道交通建設監理有限公司 BIM研發團隊使用 Tfas、MegiCAD、Bentley、Tekla、CATIA、Revit建模后，在GDJT BIM中實現了基于IFC的合模。為了驗證合模精確性，使用上述 BIM建模軟件對風管中的各段進行分別建模并合成一整段風管。這一研究成果為今后各家建模單位的合模提供了有力的技術支撐。

4.3 機電設備信息管理

實現了機電設備從進場開始的安裝過程的可視化管理。通過設備廠商及供貨商提供設備模型文件及模型附加文件信息，從出廠到交付運維的過程中，通過二維碼的追蹤管理，實現設備安裝、調試及驗收的全過程信息記錄，從而為運維方提供真實可靠的數據支持。

4.4 基于模型的變更與質量管理

施工過程中，不可避免實際完工情況與設計并不相符的情況。通過添加設計變更，可以有效保證BIM模型的正確性，從而有效避免模型信息落后導致的決策失誤。系統中提供了設計變更的添加與查詢功能，每次變更的BIM模型版本以及相關的設計文件都將記錄在系統內，形成歷史信息以便回溯和查閱。在鶴洞站試點中，開發了質量安全管理模塊，實現了現場問題按圖釘功能。

4.5 以派工單為核心的施工進度管理

在鶴洞站建立了以派工單為核心的施工進度管理體系，初步實現了基于派工單的精細化協同管理。這在國內施工管理系統中的應用尚屬首例，是國內BIM應用的首創和突出亮點。派工單是指施工單位根據審批過的周計劃創建派工單，將施工任務以工單的形式創建出來，工單中包含進入車站作業的人員、設備/材料、工序指引以及安全防范措施等。對于日常施工過程管理，系統以派工單運行為核心，為建設方、監理方和施工方提供施工過程信息跟蹤控制功能。圖3給出了系統中派工單運行的關聯數據的邏輯圖。首先，通過派工單指定施工任務、人員、所需設備材料等并提交監理審核，審核通過后開始施工；其次，派工單完成后需要在系統內提交相應的交付物，并可在模型中顯示施工完成情況，對未及時完成施工任務及時預警；最后，系統從派工單中提取實際進度數據，并與計劃進度比較，分析工期延誤情況，同時定量分析任務完成的質量和數量。此外，系統將根據每日派工單內容自動生成施工日志等檔案資料以形成后期運維知識庫。

4.6 BIM前期工作指引

在BIM應用前期，主要應用點包括了三維圖紙會審、管線綜合優化設計以及臨建場地可視化的規劃設計。對于三維圖紙會審，為了提高二維圖紙會審效率，鶴洞站施工單位提前將設計單位提交的二維圖紙翻模成3D模型，通過3D模型的可視化特點，可以直觀地領會設計意圖，大大提高圖紙會審工作效率；對于管線綜合，在鶴洞站機電安裝的施工前期，施工單位對3D模型進行碰撞檢測，利用BIM技術檢查出2 000多個碰撞點，節省成本約40萬元，縮短工期3～4周；對于臨建場地規劃，圖4給出了采用3D模型綜合考慮的臨時設施規劃方案以及鶴洞站現場對比圖。臨時設施的布置避開后續施工區域，解決了以往施工過程中不斷遷改站內臨時設施的問題，大大節省了人力、物力，繼而也實現綠色環保施工的理念。

圖3 以派工單為核心的施工進度管理

圖4 采用3D模型綜合考慮的臨時設施規劃方案以及鶴洞站現場對比圖

4.7 形成系列的標準和管理辦法

作為建設領域信息化的第二次革命，BIM技術的推廣應用的難度遠超了第一次，這就需要配套的標準和導則，包括建模標準、管理標準、應用導則等等。重工具、輕標準的實施，對于BIM應用落地是無法得到作業層的貫徹執行，無法實現BIM應用價值點。至今，國內沒有能滿足軌道交通建設的標準。本項目在推進過程中，針對廣州軌道交通機電與裝修工程專門編寫了這些標準和導則，例如《軌道交通機電設備安裝與裝修工程BIM建模標準》、《軌道交通信息管理系統的施工計劃編制指引》、《軌道交通信息模型管理系統的模型交付標準》等。

5 結 束 語

本著“理念前瞻性，技術先進性，系統實用性”的研究理念和策略，廣州軌道交通建設監理有限公司會同廣州地鐵集團有限公司建設事業總部機電中心、清華大學共同研究開發的GDJT BIM通過采用多平臺客戶端的網絡應用模式(“CS +BS+MS”)，共享同一套BIM模型，實現基于二維碼的機電設備過程信息管理，基于3D模型的“按圖釘”質量安全管理、以及以派工單為核心的進度管理體系。此外，為了更好保證系統的落地應用，研究編寫了BIM應用標準導則。在廣佛線鶴洞站的實際應用表明：本研究及所開發的GDJT BIM擴展了BIM技術應用范疇，能夠適應軌道交通機電工程的實際需求，實現了項目參與方信息共享、多專業協同、減少施工階段設計變更、縮短施工工期等預定目標。對于提高地鐵建設過程中施工效率以及信息化管理水平，取得了顯著效果，也為廣州地鐵今后的10條新線、100多個車站大規模新線建設提供了新的信息化管理手段。

[1] National Institute of Building Sciences. United statesnational building information modeling standard version 1-part 1: overview, principles, and methodologies [S/OL]. [2016-02-10]. http://www.wbdg.org/pdfs/NBIMSv1_ p1.pdf.

[2] 張 洋. 基于BIM的建筑工程信息集成與管理研究[D].北京: 清華大學, 2009.

[3] Liebich T. IFC 2x edition 2 model implementation guide [M/OL]. International Alliance for Interoperability (IAI). 2004

[4] Autodesk Inc. REVIT [EB/OL]. [2016-02-24]. http://www.autodesk.com.cn/products/revit-family/overvi ew.

[5] Graphisoft. ArchiCAD 19概述[EB/OL]. [2016-02-24]. http://www.graphisoft.cn/outline/.

[6] 張建平, 曹 銘, 張 洋. 基于IFC標準和工程信息模型的建筑施工4D管理系統[J]. 工程力學, 2005, 22(S): 220-227.

[7] 胡振中. 基于BIM和4D技術的建筑施工沖突與安全分析管理[D]. 北京: 清華大學, 2009.

[8] Yu C L. Use of BIM approach to enhance construction interface management: a case study [J]. Journal of Civil Engineering and Management, 2015, 21(2): 201-217.

[9] Lu M, Zhang Y, Zhang J P, et al. Integration of four-dimensional computer-aided design modeling and three-dimensional animation of operations simulation for visualizing construction of the main stadium for the Beijing 2008 Olympic games [J]. Canadian Journal of Civil Engineering, 2009, 36(3): 473-479.

[10] Goedert J D, Meadati P. Integrating construction process documentation into building information modeling [J]. Journal of Construction Engineering and Management, 2008, 134(7): 509-516.

[11] Li Z, Wang J, Shu Z Q. Application of PKPM BIM-based construction management platform [J]. Computer Aided Drafting, Design and Manufacturing (CADDM), 2014, 24(1): 74-82.

[12] 胡振中, 彭 陽, 田佩龍. 基于 BIM 的運維管理研究與應用綜述[J]. 圖學學報, 2015, 36(5): 802-810.

The Research and Development of Rail Traffic Information System and Its Application in Guangzhou Metro

Zhang Weizhong1, Wang Wei2, Chen Qian3, Liang Tao1, Zhang Rui2, Wang Hengwei3
(1. Guangzhou Mass Transit Engineering Consultant Co.Ltd, Guangzhou Guangdong 510010, China; 2. Guangzhou Metro Group Co.Ltd.,Construction Headquarters Mechatronic Center, Guangzhou Guangdong 510060, China; 3. Department of Civil Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China)

In order to satisfy the requirements of the construction management and the digital transfer of the new lines of Guangzhou Metro, Guangzhou Metro Group Co., Ltd. cooperates with Tsinghua University, and then advanced 4D construction management concept was first introduced to rail transit construction projects. We have studied a variety of mainstream modeling software compatibility and integration of information technology, and have established BIM-based rail transit 4D technology application architecture and information model structure by studying multi-platform information management model, which apply to the actual construction management of Hedong station of the posterior segment in Guang-Fo line. In addition, the system implements the electromechanical equipment information management process based on two-dimensional code, the“pressing the pin” quality and safety management based on 3D models, as well as the schedule management with the work order as the core. Meanwhile, to better promote the landing applicationsystem, we studied and complied the BIM standard application guidelines. The application of this system shows that the research contributes to the information sharing among project participants, multi-disciplinary collaboration, shorten the construction period and reduce operating costs, which greatly improve the efficiency through the process of the subway construction and the information management level.

construction management; rail transit; mechatronics; building information modeling; metro

TP 399

10.11996/JG.j.2095-302X.2016060810

A

2095-302X(2016)06-0810-06

2016-02-25；定稿日期：2016-06-21

張偉忠(1969-)，男，廣東梅州人，工程師，大專。主要研究方向為軌道交通工程項目管理、建筑信息化、BIM。E-mail：13903054808@139.com