基于建筑信息模型的鐵路工程安全管理體系研究*

張欽禮，王　雅

(中南大學 資源與安全工程學院，湖南 長沙 410083)

0　引言

隨著我國鐵路事業的高速發展，鐵路建設趨于精細化、復雜化，對于工期、質量、技術和協調性的要求越來越高，安全管理的要求也越來越嚴格。傳統的施工管理手段存在著安全管理強度大、差錯率高、計劃信息整理、共享程度低等困難，不能適應現階段施工安全管理的需要[1]。建筑信息模型(BIM)以包含多層信息的三維模型為基礎，通過模型與設計人員、管理人員、施工人員的信息交流實現協同作業，能夠滿足復雜工程項目安全管理的要求[2]。主要應用于建筑行業各個單位對項目的全生命周期管理，也可用于對橋梁工程的全壽命期管理[3]，結合DFCS模型實現不安全因素的自動識別[4]，結合定位系統建立工人安全行為預警系統[5]等。建筑信息模型的特點能夠很好地應用于當今不斷發展的鐵路施工，實現各部門間的信息共享，及時同步施工方案與安全性施工、更新掌握各部分的施工安全與質量情況，增強各部門協調性，有助于保證項目全過程的安全進行。本文設計的鐵路工程安全管理體系首先根據外業勘察的情況用Revit設計并構建鐵路的三維模型，然后將模型導入廣聯達BIM5D，實現云管理，同時進行施工模擬、安全教育、質量安全管理與后期運行維護，以較簡單、易實現的方式達到使用建筑信息模型對鐵路工程進行安全管理的目的。

1　Revit三維建模

Revit系列軟件主要用于建筑信息模型(BIM)的構建與協調，能夠很好地幫助建筑設計師設計、建造和維護復雜性高、規模大的建筑，是BIM平臺下最具代表性的設計軟件之一。參數化設計、結構關聯設計、參數驅動形體設計和協作設計是該軟件的主要特征[6]，在鐵路工程的安全管理中得到很好地應用。

1.1　鐵路工程族的創建

在Revit軟件中，族是組成項目的構件，同時也是參數信息的載體[7]。鐵路工程的結構族可以有效地提高模型構建的效率，有助于管理數據和進行修改。在鐵路工程的建筑信息模型應用中，Revit族有很大的優勢，主要有：

1)復雜構件的重復性使用

在進行三維建模時，對于多次使用的構件如樁徑相同的樁基、截面相同的墩柱、尺寸一致的軌道等，可以事先建立好結構族文件，通過調整樁基的長度、墩柱的高度、軌道的長度來適應不同的變化，屬性相同的構件也可以通過復制、陣列、鏡像等快速創建，大大提高了建模的效率。

2)構件屬性信息的傳遞

鐵路工程中用到的構件、屬性、結構等具有相似性，可以廣泛地應用同一類型的建筑信息模型工程項目，既可以減少工作量，也可以為新建項目提供可靠的設計依據。

目前比較缺乏鐵路工程結構族，也沒有相應的族樣板去創建對應的族，需要首先構建路基、橋梁、隧道等工程中需要的結構族。可以使用“公制常規模型.rft”族樣板創建需要用到的各部分結構族并設置相應的材質屬性，從而在應對復雜結構時，可以快速高效地構建貼近現實的模型，如圖1。

圖1　箱梁族構件Fig.1　Box girderfamily

1.2　三維模型的構建

Revit創建的三維模型具有信息量大、聯動性協調性強、經濟高效等特點，便于優化和升級。根據鐵路工程模型建設的特點，在進行信息模型建立時，主要分為創建、檢查、修改和提交4個階段。

1)創建模型

首先需要對照設計圖紙，通過手工、族庫與自動化3種方式創建工程項目的BIM模型，還需要針對鐵路工程各個部分的特點在各自的模型中對模型信息進行匹配。

2)檢查模型

通過現有的一些插件，結合自己開發的插件，對建立好的模型進行全面的檢查，檢查內容一般包括：構件、管線等碰撞檢測、族、模型的規范性檢測等。

3)修改模型

根據檢查出的模型的不足，可以手動修改或者通過插件進行優化，不斷調整直到通過檢查。

4)提交模型

檢查合格的各類族庫、模板以及屬性等信息齊全的鐵路工程項目各部分BIM模型需上傳至以Vault Server為資料管理核心、分布式Web系統為平臺的集成系統中進行管理和利用[8]。

1.3　三維模型的應用

對比傳統CAD二維圖紙，構建完善的鐵路工程建筑信息模型在安全管理中能夠得到很好的應用，主要體現在以下3個方面。

1)過程控制

結合Revit實時設計可視化與實時分析的特點，可以在設計階段就獲得更直觀、更及時的信息，從而選取最符合安全目標的設計方案與施工方案，通過三維剖面或動畫腳本功能，實時引導作業人員對應工作，也可實現遠程指導施工。

2)模型與進度關聯

將建筑信息模型與施工進度信息進行關聯，可以方便施工人員、管理人員及時獲取各個工程的進度信息，具體包括施工日報表、計劃時間、實際完成時間、現場進度照片等信息，從而可以及時發現施工過程中出現的問題并整改。

3)進行安全教育與技術交底

建筑信息模型具有信息完備性和可視化的特點，可將其作為安全教育培訓的數據庫，施工人員可以在逼真的環境中了解施工過程中的危險源、注意事項等等，能夠提高安全培訓的效果與效率[9]。同時可結合三維模型制作指導動畫，實現技術交底。

2　BIM5D綜合管理

廣聯達BIM5D在鐵路工程的安全管理中，能夠發揮很大的作用，通過廣聯達的Revit導入插件，可以將Revit建立的模型導入到BIM5D施工管理軟件中，實現綜合性安全管理。

2.1　施工過程模擬

廣聯達BIM5D具有強大的施工模擬功能，可以讓鐵路工程項目的安全管理人員在施工開始之前規劃項目建設過程當中的各個重要節點的施工現場布置、大型機械與車輛的運行安排以及措施布置方案，提前發現問題，制定相應的改進方案進行優化。該施工模擬可以運用在整個施工建造階段，前期指導施工、過程把控施工、結果校核施工，實現項目精細化管理[10]。使用效果對比見表1。

表1　施工模擬效果對比

2.2　質量安全管理

由于城市軌道交通工程建設風險大等諸多因素，傳統質量安全管理手段難以滿足城市軌道交通工程覆蓋的要求，迫切需要利用信息化手段提高城市軌道交通工程的質量安全管理水平[12]。鐵路工程同樣需要協同性、同步性更好的質量安全管理方式。廣聯達BIM5D可以基于建筑信息模型對鐵路工程項目進行質量安全管理。多方協作平臺廣聯云能夠在云端存儲和管理整個項目生命周期中的全部信息。當在施工過程中進行安全檢查發現問題時，可以通過手機對質量安全內容進行拍照、錄音和文字記錄，并與三維模型建立關聯，上傳到云端，實現電腦和手機數據同步，在模型中以文檔圖釘的形式展現，協助生產人員對質量安全問題進行管理，手機端管理流程如圖2。

圖2　BIM 5D手機端管理流程Fig.2　BIM 5D mobile management process

2.3　竣工驗收與運營維護

在鐵路工程項目建設中，經常因為管理或者人員存在的問題，設備檢驗與維護落實不到位，未能有效及時地發現設備缺陷，導致事故的發生。因此需要采取合適的方法，有效地管理設備，做到故障的預知與及時維修維護，避免事故的發生[13]。廣聯達BIM5D可以通過對模型導入運維信息，包括廠商信息、設備信息等，結合預設的使用規范與期限同對應設備、構件建立關聯。在施工過程中，管理人員可以將施工時間、質檢情況、使用說明等信息關聯到構件上并存儲在云端，通過建筑信息模型對鐵路工程中的隱蔽工程、機電管線、閥組等的定位、安裝時間、使用年限等數據與信息，實現對項目的運維管理。

3　鐵路工程安全管理體系的構建

本文構建的鐵路工程安全管理體系主要是基于Revit軟件和廣聯達BIM5D平臺，實現對鐵路工程項目進行全生命周期、實時性安全管理。主要分為3個階段：設計階段、施工階段與運維階段。利用建筑信息模型構建新型鐵路工程安全管理體系。

3.1　主要內容與整體構架

保證地鐵工程施工安全的關鍵在于預先或及時發現危險源并采取相應的安全措施防止事故的發生。充分發揮建筑信息模型可視化、定量化、全面化、可協調化等特點，可以為鐵路工程安全管理提供更為及時、準確的信息，使管理人員能直觀地了解施工全過程，便于找出各個階段的安全隱患與風險，制定出合理可行的安全防范措施，也可以實時對工程進行檢查與整改，及時調整施工方案。鐵路工程建筑信息模型安全管理體系的構建主要從3個階段分析，其構成框架如圖3所示。

圖3　安全管理系統框架Fig.3　Safety management system frame diagram

3.2　設計階段

鐵路設計一般分為初步設計和施工圖設計兩階段，通常涉及到地質、線路、站場、橋梁、隧道、通信等二十多個專業，各專業間需要進行頻繁和海量的設計信息溝通[14]。Revit軟件可以實現不同專業之間通過工作集協調作業，達到互通互聯，資源共享的目的。在設計橋梁、隧道、線路等鐵路主要結構時，由于其密切相關，因此可以將這些設計工作整合到同一個三維平臺中，設計時可直接調用外業勘測數據庫，設計成果上傳至統一的數據庫，便于各單位協調與改進。

BIM5D的施工模擬也是安全管理中的重要一環，可以利用軟件制作專項方案的動畫模擬，從不同的角度、距離向管理人員與施工人員展示不同項目的施工進度，也可以對比計劃與實際時間節點的工況，施工現場的布置，施工方案的安排等等，實現三維可視化交底。通過對模擬過程的觀察，對需要改進內容進行標注，可以輸出為專項方案施工模擬視頻，以此為參考，設計單位可以劃分風險等級，制定技術措施；建設單位組織風險評估并制定高風險防范管理專項機制；監理單位全過程觀察，發現不足及時完善。

3.3　施工階段

施工階段的安全管理直接關系到工程建設的安全水平。結合BIM5D軟件首先可以實現對鐵路工程項目的日常安全管理，在進行安全檢查時，當發現某個部位存在安全隱患或者質量問題時，可以在手機端的三維模型對應位置進行標注，注明問題所在的位置、檢查時間、應對措施等信息，自動同步到云端與PC端，方便管理人員查看任意節點、施工段及構件的質量安全狀況。根據一段時間的安全檢查情況，軟件可以自動生成工程質量安全統計分析報表。

工地安全監測工作可以與建筑信息模型相結合，實現安全風險預警。例如隧道工程中，當拱頂下沉等監測數據或安全步距等施工數據超過預先設定的閾值后，自動報警，并會在BIM模型中對應的危險區域發出紅色預警[15]。

管理人員與施工人員的安全教育是安全施工的重要保障，結合三維可視化模型與施工模擬動畫，安全管理人員能夠直觀地找出容易發生事故的危險區域、導致事故的危險狀態，引起足夠的重視并采取措施保證施工安全；施工人員能夠充分了解生產原理、工藝流程、設備構造等知識，從而能更方便地對其進行維護保養、故障排除、事故處理等安全教育。對于專項施工人員，如橋梁、路基、高空等的安全培訓也可以通過建筑信息模型了解項目施工特點和安全防范重點，提高安全意識與技能，保障人員安全、設備安全和施工安全。應用過程見圖4。

圖4　施工階段BIM 5D應用Fig.4　Application of BIM 5D in construction phase

3.4　運維階段

鐵路工程的運行維護對于后期鐵路的正常運行至關重要。現階段鐵路企業運維過程不統一，管理執行力不強，運維效率偏低，成本居高不下[16]。利用BIM5D軟件可以在鐵路運營階段，在模型中輸入列車運行數據，通過與各項設計指標進行對比，實時調整列車的運行；及時在BIM模型中更新設備信息與維修信息，便于檢查與維護，設備到達使用年限時提前預警，制定養護維修計劃；運維信息與三維模型直接匹配，清晰地顯示設備通路，當發生故障時能夠迅速分析出影響范圍及解決方案。

4　結論

1)通過Revit與BIM5D軟件結合的方式能夠簡單高效地實現建筑信息模型對鐵路項目的安全管理，構建信息化管理系統。

2)相比于傳統的鐵路工程安全管理，結合建筑信息模型的安全管理體系能夠實現各個階段各單位信息的及時共享與更新，避免了管理過程中信息滯后的問題，增強了各部門的聯系與協作，共同實現安全管理。

3)建筑信息模型的可視化設計、施工模擬等特點能在施工前驗證方案的可行性，預先采取安全措施保障安全施工；移動端與云平臺實現了質量安全管理的隨時性與同步性，同時也便于鐵路工程后期運維管理，構成全生命周期的安全管理體系。

[1]李勇輝,劉仍奎,方圓,等. 鐵路局施工安全管理信息系統的研究與設計[J]. 中國安全科學學報,2007,17(5):122-125.

LI Yonghui, LIU Rengkui, FANG Yuan, et al. Research and design on the safety management information system for railway construction[J]. Journal of Safety Science and Technology, 2007,17(5):122-125.

[2]盧祝清. BIM在鐵路建設項目中的應用分析[J].鐵道標準設計,2011(10):4-7.

LU Zhuqing. Application analysis of BIM in rail-way construction projects[J].Railway Standard Design,2011(10):4-7.

[3]胡振中,路新瀛,張建平. 基于建筑信息模型的橋梁工程全壽命期管理應用框架[J]. 公路交通科技,2010,27(S1):20-24.

HU Zhenzhong, LU Xinying, ZHANG Jianping. Building information model based application framework for life cycle management of bridge[J]. Journal of Highway and Transportation Research and Development, 2010,27(S1):20-24.

[4]郭紅領,張偉勝,劉文平. 集成設計-施工安全(DFCS)的方法探索[J]. 中國安全生產科學技術,2015,11(2):5-10.

GUO Hongling, ZHANG Weisheng, LIU Wenping.Exploration on integration method of design for construction safety(DFCS)[J].Journal of Safety Science and Technology,2015,11(2):5-10.

[5]郭紅領,劉文平,張偉勝. 集成BIM和PT的工人不安全行為預警系統研究[J]. 中國安全科學學報,2014,24(4):104-109.

GUO Hongling, LIU Wenping, ZHANG Weisheng. A BIMPT-Integrated warning system for onsite Workers’ unsafe behavior[J]．Journal of Safety Science and Technology, 2014,24(4):104-109.

[6]董耀文,王顯臣,張勝超. 樂清灣大橋基于Revit軟件的橋梁BIM模型參數化設計初探[J]. 公路,2016,61(9):161-164.

DONG Yaowen, WANG Xianchen, ZHANG Shengchao. Study on the bridge BIM parametrization design of Leqingwan Bridge based on Revit[J]. Highway, 2016,61(9):161-164.

[7]方海龍,曾亞武. 基于Revit的BIM技術在地下結構設計中的應用研究[J]. 建筑技術,2016,47(4):353-356.

FANG Hailong, ZENG Yawu. Revitbased BIM technology in study on application of design of underground structures[J].Architecture Technology,2016,47(4):353-356.

[8]丁建洋,付后國,應宇墾. 軌道交通工程Revit快速建模工具集開發[J]. 電腦知識與技術,2016,12(10):237-238.

DING Jianyang, FU Guohou, YING Yuken.The development of rail transit project fast modeling tool set[J].Computer Knowledge and Technology,2016,12(10):237-238.

[9]CL Ho，RJ Dzeng. Construction safety training via Learning: Learning effectiveness and user satisfaction[M]. Elsevier Science Ltd, 2010，55 (2) :858-867.

[10]孫璟璐. BIM2.0時代重新定義施工模擬[J]. 中國建設信息,2014(18):22-25.

SUN Jinglu. BIM 2.0 Redefinition of construction stimulation[J]. Informatization of China Construction,2014(18):22-25.

[11]劉安申. 基于BIM-5D技術的施工總承包合同管理研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學,2014.

[12]馮國冠. 城市軌道交通工程質量安全管理信息化建設的方案設計[J]. 中國安全生產科學技術,2012,8(12):74-79.

FENG Guoguan. Information construction of urban rail transit construction quality and safety management program design[J]. Journal of Safety Science and Technology,2012,8(12):74-79.

[13]劉全,張東勝,程思聞,等. 基于動態信息技術的設備主動維護預知平臺的設計[J]. 中國安全生產科學技術,2014, 10(7):99-104.

LIU Quan，ZHANG Dongsheng，CHENG Siwen，et al. Design of predictive and proactive maintenance platform forequipments based on dynamic information technology[J].Journal of Safety Science and Technology,2014,10(7):99-104.

[14]朱江. BIM在鐵路設計中的應用初探[J]. 鐵道工程學報,2010,27(10):104-108.

ZHU Jiang. Discussion on application of BIM in railway design[J]. Journal of Railway Engineering Society,2010,27(10):104-108.

[15]趙璐,翟世鴻,陳富強,等. BIM技術在鐵路項目隧道施工中的應用研究[J]. 施工技術,2016,45(18):10-14.

ZHAO Lu, ZHAI Shihong，CHEN Fuqiang，et al. Application of BIM technology in railway tunnel construction[J]. Construction Technology,2016,45(18):10-14.

[16]李紀鈾,張錦超,賀曉玲. 鐵路企業運維綜合服務臺的研究及實現[J]. 鐵路計算機應用,2015,24(3):22-25.

LI Jiyou, ZHANG Jinchao, HE Xiaoling. Integrated IT Service Desk for operation and maintenance of railway enterprise[J]. Railway Computer Applicat-ion,2015,24(3):22-25.