基于BIM的軌道交通數字化施工集成管理研究

戴慧麗

（上海城建市政工程（集團）有限公司，上海市 200065）

基于BIM的軌道交通數字化施工集成管理研究

戴慧麗

（上海城建市政工程（集團）有限公司，上海市 200065）

軌道交通施工過程是一個復雜的過程，涉及進度、質量、安全等多維度信息，傳統管理模式下難滿足多維度信息的管理要求。針對隧道施工過程在傳統管理控制模式下遇到的問題，提出了一種基于BIM的數字化施工集成管理方法，構建了基于BIM的數字化施工管理平臺。最后，以上海軌道交通12號線11標為應用對象，通過系統的實施效果反映出集成管理的效果，進而充分體現了基于BIM的地鐵施工過程集成管理的應用價值和發展前景。

BIM；施工管理；數字化

0 引言

隨著信息技術在工程管理領域應用的不斷拓展和建筑業科技水平的迅猛提高，國家對建筑行業安全標準和監管力度的逐步加強，工程施工現場管理也要求達到信息化和標準化，打造“數字化工地”已成為施工現場信息化管理的新要求和新目標，建立一套完整的數字化工地管理系統也成為未來的主流趨勢。住房和城鄉建設部《2011～2015年建筑業信息化發展綱要》中提出:推進BIM技術在施工階段的應用，加快推廣4D項目管理技術在工程項目管理中的應用。可見，BIM作為一種新興數據化技術，已逐步受到建筑行業各方的認可，發揮著越來越積極的作用[1]。

本項目基于現代物聯網、BIM等技術研究基于BIM的數字化施工集成管理系統，并在上海軌道交通12號線11標工程上進行了應用。

1 研究現狀

城市軌道交通作為城市大型基礎設施，其建設與發展速度的正確決策，會對城市社會、經濟和交通的持續發展產生重要影響。城市軌道交通往往穿越城市繁華地區，商業、交通繁忙，地面建筑物眾多，其施工過程勢必會影響正常的城市交通，其在建設期間往往會加重城市交通擁堵狀況，增加城市交通壓力，故按期完成城市軌道交通的建設尤為重要。然而現階段的城市軌道交通項目建設效率低、信息化程度低，而且由于城市軌道交通建設項目自身的特殊性，技術難度大、建設環境復雜、建設過程動態變化等特點，給工程的進度管理和控制帶來了巨大壓力，經常會出現工期拖延的情況，對城市居民正常生活造成重大影響。

建筑信息模型 (Building Information Modeling，BIM)以三維數字技術為基礎，通過一個共同的標準，目前主要是 IFC(Industry Foundation Class)，集成了建設工程項目各種相關信息的工程數據模型。作為一項新的計算機軟件技術，BIM從CAD擴展到了更多的軟件程序領域，如工程造價、進度安排，還蘊藏著服務于設備管理等方面的潛能。BIM給建筑行業的軟件應用增添了更多的智能工具，實現了更多的職能工序。設計師通過運用新式工具，改變了以往方案設計的思維方式；承建方由于得到新型的圖紙信息，改變了傳統的操作流程；管理者則因使用統籌信息的新技術，改變其前前后后工作日程、人事安排等一系列任務的分配方法[2]。

在進度管理方面，清華大學BIM課題組一直走在4D研究的最前沿。清華大學張建平教授上世紀九十年代開始，一直致力于4D模型的理論和技術研究。課題組開發的4D-GCPSU的促進了4D施工模型的理論發展，填補了4D模擬施工領域的空白吸納了國際上先進的施工模擬系統的優點，在具備常規功能的基礎上還增加了更多的管理工具，適用范圍更加寬廣。通過WBS和信息交互等核心模塊的共同作用，建立了4D可視化平臺，實現4D集成化施工管理。與國外同類系統相比，它具有支持基于IFC標準的數據集成與交換、信息高度集成、預留升級空間用于4D++模型擴展等優勢，該4D施工管理系統的研發成功和實踐應用在國內是首次，完全自主知識產權并達到了世界一流水準。但是，該項成果局限于工程項目現場施工進度管理，沒有將其應用范圍擴展到全生命周期，從而無法盡早開展對項目的可行性研究和早期規劃，是一個不小的遺憾。另外，該4D系統的三維模型只是對工程的不完全模擬，只包含基本信息，沒有存入其他相關工程信息，所以還不是嚴格標準的數字化模型。陳謙、齊鍵在分析了項目施工組織和4D模型相關理論的基礎上，詳細分析了4D模型的可視化模擬、信息共享與交互等功能對施工進度產生的影響，他們認為4D模型的應用有利于工程目標的管理和控制，提高勞動效率丁杰從一體化的角度提出4D模型是設計與建造的一體化融合，分別使用CAD方法和BIM方法建立4D模型，并通過IDEFO驗證了4D建模的實施過程[3]。牟銘詳細介紹并總結4D模型的研究成果，并結合Revit軟件提出了詳細具體的4D建模方案，使Revit平臺下的工程項目進度管理得以實現，滿足建筑企業對信息一體化的渴望和追求[4]。4D模型的具體適用條件由丁衛平首先提出，他構造了“3D”+“時間維度”的4D模型，指出了模型的問題并給出模型的優化建議[5]。

在質量安全方面，國內一些學者對BIM的質量控制也做了相關研究，探討了BIM技術在建設項目中的相關應用及BIM技術對傳統項目管理帶來的影響。張大鎮、饒紅旗、張月燕、王彥哲[6]對二維與三維數字化質量管控的優缺點進行分析比較，并合實踐介紹了三維信息化質量管控的設計流程。郭秀平[7]對中吉大地公司的質量管理業務流程現狀進行了全面的診斷，闡述了工程生命周期各階段的業務流程。師征[8]建立了基于 BIM的工程項目管理流程，進行了組織結構設計、人員職責設計，并通過三層的別墅小樓實例模擬驗證了其可行性。李亞東、郎灝川、吳天華[9]認為項目各參與方用BIM技術進行質量管理會更方便高效，指出了基于BIM的質量管理的關鍵數據處理和實施要點，最后結合上海中心實例進行闡述。應宇墾、王婷[10]指出 BIM的應用對現有的工程項目流程有所影響，評價一個工程的項目管理如何，首先分析其組織和流程，應以傳統流程占主，BIM流程為輔，對現有的流程進行優化。肖夢琪、莫世聰、熊峰、董娜[11]從目前施工質量控制體系的缺陷出發，提出了基于BIM的清單式質量控制方法。李勇、郄恩田、郭陽[12]主要在三維模型展示工序流程、管件的碰撞檢查、二維出圖以及參數化設置、高集成化方便信息查詢和搜集，四個方面闡述BIM的質量管理。田云峰、祝連波[13]利用三維激光掃描采集的點云數據和BIM模型的對接，分析了基于三維激光掃描和BIM模型在橋梁質量管理中的可行性和必然性，最后以中心灘黃河大橋為例闡述了基于三維激光掃描和BIM模型在橋梁施工階段質量管理。劉志平、李慧良、彭永文[14]從產品質量管理和技術質量管理兩個方面分析了BIM技術在工程質量管理中的具體應用。

本文從軌道交通施工數字化管理各個角度出發，構建基于BIM的數字化施工集成管理系統。在質量上，實現對隧道施工現場所有材料、設備進行監控，使得質量管控人員能智能的追溯、追蹤質量上出現的任何問題；在安全方面，實現對隧道施工現場一些出現危險源的地方能第一時間發現危險狀況，能第一時間對施工人員采取出相應安全保護措施，提前讓施工人員對這些風險進行有效的防護措施；在項目質量管理上，實現整個施工過程的所有材料、設備、人員、進度、質量監控動態化、項目管理的協同化和項目信息展現的多樣化。

2 基于BIM的數字化施工集成管理框架

基于BIM的數字化施工集成管理系統基于現代物聯網技術、BIM技術、信息技術等，面向軌道交通施工的信息管理需求，實現工程質量、安全、物資的實時管理，增強工程質量、安全、物資管理的可追溯性，實時掌控項目工料機計劃及實際耗用分析，強調多子系統聯動校驗分析，項目風險節點及時發現及預警，項目運行綜合數據遠程智能展現。

2.1 系統總體機構

整體系統結構見圖1。其主要包括數字化安全管理系統（門禁管理子系統，視頻管理子系統，人員定位子系統）、數字化管片管理系統、數字化物資管理系統和BIM集成管理系統。

其中數字化安全管理系統是將傳統門禁系統、視頻監控系統結合數字化RFID人員定位考勤系統形成的數字化管理平臺。數字化管片芯片主要是對盾構施工信息的實時輸入及整理、歷史數據的統計及分析控制，本工程的數字化質量管理主要是通過安裝在管片上的芯片，將動態施工信息、質量信息錄入芯片中，通過在控制終端將施工參數動態輸入，可以時刻確保動態信息反饋和控制，實現對盾構施工信息的即時控制。物資管理系統主要包含材料管理系統及設備管理系統，實現材料進出場管理、材料使用管理、材料的質量管理，設備進出場管理、設備維護管理、設備檢查。BIM集成管理系統自動將采集到的數據與BIM模型集成，通過BIM模型，實現動態監控施工進度、施工質量、人員安全，完成風險辨識、評估、預警和控制。

圖1 系統總體架構

2.2 數字化安全管理系統

該系統（見圖2）主要實現工程施工安全管理信息化，工程施工安全追溯性，實時掌握施工安全動態，施工風險源動態控制目標。通過在安全帽上安裝RFID射頻芯片，通過固定位置讀頭讀取RFID芯片信息確定佩戴安全帽的人員位置。讀頭將信息通過無線傳輸逐級傳遞到中央監控室中，動態跟蹤人員軌跡。

圖2 系統拓撲結構

2.3 數字化管片系統

該系統（見圖3）通過將電子芯片固定在區間隧道管片內，以環為單位。施工人員現場手持機終端掃描芯片后進行信息輸入，內容包括環號、管片型號、施工日期、管片合格證信息、施工人員信息、整圓度及注漿量等，手持機信息輸入后與監控中心的PC機終端進行同步處理，所有信息都可以在后臺進行分析處理，形成統計分析。

圖3 數字化管片系統架構圖

2.4 數字化管片系統

物資管理系統（見圖4）實現方式與管片系統類似，將芯片固定在材料及設備上，通過手持機對材料及設備進行檢查及記錄實現物資管理數字化。

圖4 數字化物資系統使用流程

2.5 BIM集成管理系統

該系統（見圖5）部署在施工現場，工地端的人員追蹤系統、管片管理系統、盾構推進系統，通過各自的數據采集設備，自動將井下與井上采集到的數據傳遞到工地端的核心數據庫，數字化盾構隧道施工系統工程平臺通過BIM模型，動態監控施工進度、施工質量、人員安全，完成風險辨識，評估，預警和控制。當風險大于預警線時，系統會將預警通過BIM模型呈現給用戶。用戶通過模型在線預警數據，詳細了解風險形成的過程，進行風險進一步分析，制定解決方案。

圖5 數字化盾構隧道施工系統工程平臺拓撲結構

3 工程應用

系統以上海軌道交通12號線11標工程為應用對象，該項目地處徐匯區濱江開發區，主要包括龍華站～浦江南浦站區間隧道和浦江南浦站～大木橋路站區間隧道推進工程及旁通道2座、泵站1座。其中龍華站～浦江南浦站區間隧道長1 021 m，浦江南浦站～大木橋路站區間隧道長1 220 m，隧道頂埋深16.31～23.66 m，區間最小轉彎半徑380 m。本工程通過基于BIM的隧道施工過程管理系統的建設和應用，在對隧道整體施工質量及安全風險防范上取得了良好效果，同時也進一步提高了管理人員的責任心以及作業人員的安全意識（見圖6～圖9）。

圖6 數字化安全管理系統現場應用

圖7 數字化管片系統現場應用

圖8 數字化物資管理系統現場應用

圖9 BIM集成管理系統現場應用

4 結論

基于BIM的數字化施工集成管理系統在上海軌道交通12號線11標的應用取得了初步的成功，但該系統僅僅覆蓋了施工管理工作，未來該系統可以在現有數字化管理系統基礎上向混凝土預制件、PC建筑、地下開發等領域進行拓展。計劃將現有“數字化管片管理系統”向前延伸至“隧道BIM模型建立”“管片生產管理系統”，向后將施工中的信息移交運營，為隧道后期維護管理提供便利，實現盾構隧道全生命周期管理。

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U455

B

1009-7716（2017）04-0168-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.04.050

2017-02-13

戴慧麗（1983-），女，上海人，工程師，從事市政工程建筑管理工作。