高速鐵路施工進度數據圖形化處理方法

寧新穩,朱　慶,任曉春,韓祖杰,王　華,趙　文,張　恒

(1.西南交通大學地球科學與環境工程學院,四川 成都 611756; 2.中國鐵路設計集團有限公司,天津 300251; 3.中國鐵路設計集團有限公司軌道交通工程信息化國家重點實驗室,陜西 西安 710000)

在工程建設管理中,施工進度數據是管理者進行進度控制的基本依據,如何快速、準確、有效采集進度數據對工程進度管理至關重要,國際公認施工現場管理人員需要耗費工作時間的30%～49%用于進度數據的收集與分析[1].美國建筑業協會(The Construction Industry Institute)的研究結果表明,一個典型的建設項目大約有1%的成本花費在施工進度管理上[2].因此,研究施工進度數據采集方法不僅能夠有效縮短項目工期,而且有利于對工程進度的準確把握.

長期以來,鐵路工程施工進度管理主要采用手工記錄的方式,通過電子表格將數據進行匯總,基于表格計算從而生成進度報告[3-4].這種方法由于采用手工的方式對數據進行采集和整理,因此需要花費項目管理人員大量的時間,十分不利于對高鐵工程施工進度的整體掌握.此外,手工記錄方式還存在數據標準化低、現勢性差、數據粒度粗等缺點[5-6].雖然有攝影測量、三維激光掃描、無線射頻識別RFID (radio frequency identification)等技術應用于項目施工進度的自動化監測[7-12],但由于進度粒度要求較細,掃描、錄入工作量大,對建筑構件檢索和識別的過程復雜、自動化程度較低,致使其應用局限性較大[13-15].

本文介紹了一種面向高速鐵路建設管理的施工進度數據圖形化處理方法.

首先,對鐵路場景中的BIM模型按照工點工程進行分解,對路基、橋梁、隧道等專業的工程結構從邏輯層、物理層、施工管理方法等方面進行全面分解;其次,設計一種參數自動提取方法,對每個工點的設計參數進行逐步提取;然后,基于富互聯網應用(rich internet application， RIA)和Web GIS等技術實現圖形化的施工進度數據填報;最后,以陽大鐵路為例,介紹了本文方法的應用,實現圖形化的施工進度數據采集與進度報表的自動輸出,并通過工點BIM模型對施工進度信息進行集成與共享,從而在3DGIS平臺中進行三維形象進度管理與展示.

1　施工進度數據圖形化處理原理

整個系統框架由數據層、服務層和應用層組成,如圖1所示.施工進度數據處理系統首先要考慮滿足實際工程進度管理的需要,在保障數據采集的準確性、實時性等前提下,盡量減少數據采集的復雜程度和工作量,同時采集的數據必須能夠滿足BIM模型管理應用需求,為后續BIM應用提供基礎進度數據.施工進度數據采集系統作為鐵路工程建設管理平臺中的子系統,能與其它子系統進行數據共享和交換.

圖1　進度數據圖形化處理原理Fig.1　Structure of progress data graphical processing principle

數據層:存儲系統所涉及到的所有空間數據和屬性數據主要包括三維基礎地理數據、模型數據和業務數據等.以BIM模型為信息載體,關聯屬性數據、進度數據和其它業務數據構建鐵路信息模型RIM (railway information model).三維基礎地理數據主要是指影像數據、高程數據和矢量數據,采用空間數據庫引擎ArcSDE和大型關系數據庫系統Oracle實現對海量數據的組織、存儲和管理.

服務層:提供工點二維矢量圖服務和三維地形服務.采用Openlayers提供的接口實現路基、橋梁、隧道二維矢量圖發布.利用TerraGate在線發布三維地形服務,基于網絡無縫可變帶寬技術實時傳送三維地理數據,當初始影像以低分辨率被用戶所接收,用戶就能夠開始進行三維顯示,而不用等到所有的數據集都傳輸完畢.

應用層:采用B/S(瀏覽器/服務器)結構,方便系統部署、使用和維護.系統融合了業主、承包單位、施工單位和監理單位等參建各方,實現進度填報、進度審核、報表輸出、三維形象進度展示等功能,用戶可通過電腦、手機等移動終端上的瀏覽器使用系統,可在施工現場填報、審核數據,也可回辦公室用電腦處理.

2　施工進度數據圖形化處理關鍵技術

2.1　基于BIM模型的工點工程分解

系統填報的進度數據需要滿足BIM管理應用需求,能夠驅動BIM模型進行三維進度管理與顯示,同時也是工程BIM模型信息的重要組成部分.在綜合考慮BIM模型粒度、項目管理需求、用戶工作量、系統效率等因素的基礎上,對路基、橋梁、隧道等專業的工程結構從邏輯層、物理層、施工管理方法等方面進行分解.

2.2　工點設計參數自動提取

工點設計參數可以從二維施工圖中自動提取,也可以從BIM模型中導出,Catia、Revit等BIM建模軟件都提供了模型參數導出功能.設計圖紙參數自動提取技術是在AutoCAD平臺下進行二次開發,依據橋梁、路基、隧道專業設計圖紙規范建立讀圖規則,依據定義的讀圖規則進行解譯,主要是以圖層、顏色、線型等為依據,對實體CAD圖形如梁、墩身、路基橫斷面、隧道縱斷面等進行圖形數據的提取,首先獲取里程注記值和每個截面的軸線位置,以軸線為中心獲取構件多段線、截面結構頂點參數,依據語義約束規則、空間位置約束規則等對數據進行檢查、處理,錄入數據庫中,如圖2所示.

圖2　設計圖紙參數自動提取流程Fig.2　Flow chart of design drawing parameters automatic extraction

2.3　基于RIA的Web GIS圖形化填報

Openlayers是一個專門為Web GIS客戶端開發提供的Javascript類庫,是一種輕量級的開源Web GIS框架,支持多種地圖格式,Web頁面能實現頁面的無刷新動態實時更新,能方便地將空間信息和非空間信息進行集成管理,非常適合于小范圍、小尺度下的地理信息發布與應用.

在進行森林保護工作的過程中，林地保護人員的工作是非常重要的。但由于林區面積大，工作人員分配的等問題，容易造成部分林區的管理存在缺失，再加上部分林區管理規范不完善，林區工作人員工作不認真，導致森林保護工作沒有落到實處。這樣就給我國森林保護工作造成了很大的阻礙。因此，森林保護的人員管理問題就是影響我國森林保護工作的一個重要因素，需要盡快的加大對林區工作人員的素質培訓。

RIA技術能充分利用客戶端的計算資源平衡客戶端與服務端的計算負載,減輕服務器的壓力,數據被緩存在客戶端,從而可以實現一個比基于HTML (hypertext markup language)的響應速度更快且數據往返于服務器的次數更少的用戶界面.RIA給用戶帶來更豐富、更具有交互性和響應性的全新體驗,是一種全新的Web應用解決方案.

系統利用Bootstrap富客戶端+Openlayers構建Web GIS服務,利用工點參數和進度數據在線生成二維矢量圖,開發圖形化進度查詢、填報、審核等功能,如圖3所示.

圖3　Bootstrap+Openlayers系統架構圖Fig.3　Bootstrap+Openlayers system architecture diagram

3　試驗與分析

3.1　案例區域介紹

本文選擇陽大鐵路為典型案例區域,并開展相關的試驗與分析.陽大鐵路位于山西省陽泉市及晉中市,途經陽泉市盂縣、郊區、平定縣及晉中市昔陽縣,是一條客、貨共線的地方鐵路.全線新建線路約44.771 km,其中:橋梁19座,隧道9座,全線橋隧比50%.項目采取EPC (engineering procurement construction)總承包的建設模式,計劃總投資40多億元,是迄今國內鐵路行業按工程總承包模式建設投資額最大的工程項目,計劃建設工期3 a.基于陽大鐵路的復雜性,全線引進BIM技術開展應用研究,是國內第一條全線開展BIM試驗應用的線路.

3.2　工點工程分解

基于BIM模型,本文采用面向對象的方式自上而下對工點進行工程分解,以便針對每一個工點自動提取工程設計的參數,主要包括橋梁、隧道、路基等3類工點的分解.其中,橋梁工點分為樁基、承臺、墩身、梁段、梁塊等構件,樁基、承臺、梁段、梁塊不再細分,墩身按高度進行分解；隧道工點分為明洞、洞門、初支、仰拱、襯砌、斜井、洞室、側溝等構件,初支、仰拱、襯砌按工作面進行劃分；路基工點分為路基本體和附屬設施,路基本體分為混凝土基床、基底處理、級配碎石、填方等,附屬設施按左右側分為邊坡防護、防護柵欄、電纜槽、排水溝、接觸網支柱等.

以隧道模型為例,其分解結果如圖4所示.

圖4　隧道模型的工點工程分解Fig.4　Engineering breakdown structure of tunnel model

3.3　設計參數提取與矢量圖顯示

工點工程分解確定了參數提取的基本單元與粒度,在此基礎之上,利用設計參數自動提取技術提取路基、橋梁、隧道等設計參數,建立基礎參數數據庫.選擇某個工點,從基礎參數數據庫中獲取工點參數,進度數據庫中獲取工點進度數據,利用Openlayers提供的組件和接口實現工點矢量圖的快速繪制、渲染、漫游等功能,點擊矢量要素可查詢構件基本參數信息和進度信息,對工點參數信息、進度信息、審核信息、注記等進行分層顯示和控制,用不同的顏色進行渲染.圖5為某橋梁二維矢量圖，圖中：藍色表示已完成的進度信息；灰色表示未完成的進度信息.

圖5　橋梁二維矢量圖Fig.5　Bridge two-dimensional vector figure

3.4　圖形化進度填報與審核

施工單位信息錄入人員選擇某個工點,在生成的二維矢量圖上選擇相應的要素填寫進度信息,已完成的要素不能選擇再進行填報,填報完成后提交給監理單位人員進行審核.

在圖形化進度填報的過程中,可以分別填報橋梁、路基與隧道等工點工程的進度信息.以橋梁工點的進度填報為例,橋梁工點樁基、承臺、梁段、梁塊進度用完成和未完成兩種狀態表示,墩身進度輸入實際完成高度.

在進行圖形化填報的基礎之上,監理單位人員可以對進度數據進行審核,需要審核的要素高亮顯示,點擊要素查看進度信息,對不合格的數據進行標記,退回給施工單位人員修改,全部通過后錄入進度數據庫,數據鎖死不能再修改.

3.5　施工進度數據處理系統應用

陽大鐵路采用本系統進行進度數據采集與管理,用戶單位包括工程承包單位陽大項目部、7個施工單位、2個監理單位和業主陽大公司,每個單位用戶分配不同的權限,施工單位有進度填報權限,監理單位有審核權限,每個施工單位只能查看和填報自己標段范圍內的工點進度,項目部有進度統計分析權限.系統自陽大項目開工以來,各項功能運轉正常,各標段施工進度數據按照要求及時上傳,監理單位對數據質量嚴格把關,項目部通過系統把控工程進度,進度報表作為周例會和月例會的重要內容,節省了大量的統計分析工作量,各參建單位借助系統都能較好地完成工作,系統對保障陽大鐵路工程進度發揮了積極作用.表1為使用本系統前后各參建單位進度統計效率對比.

表1　使用本系統前后各單位進度統計效率對比Tab.1　Efficiency comparison of progress data statistics

施工進度數據采集系統可以在三維環境中對施工進度加以形象展示,又可以進行施工進度的輸出與預警.

(1) 三維形象進度展示與管理

將BIM模型導入到三維平臺中進行管理和應用,利用進度數據驅動工點BIM模型進行三維進度展示,用不同的顏色表示進度完成情況,圖6為橋梁三維進度展示.

圖6　橋梁三維形象進度圖Fig.6　Three-dimensional visualization of bridge schedule

圖6中,綠色表示實際完成進度,紅色表示實際進度落后于計劃進度,藍色表示實際進度比計劃進度超前,灰色表示未完成.

(2) 進度輸出與進度預警

從進度數據庫中提取數據,進行統計分析,能夠提取開累、日、周、月、年分部、分項、分專業工程進度數據,生成進度統計報表.對實際進度與計劃進度進行對比分析,根據填報的歷史進度數據,建立分部分項工程進度速率模型,計算出超前或滯后工天,設立預警等級,進行進度預警.

4　結束語

本文針對傳統鐵路施工進度多專業協同管理的關鍵問題,集成網絡GIS技術和BIM技術,提出了一種圖形化的施工進度數據處理方法，并自主研制了實用系統,具有以下主要特點:(1) 通過對BIM模型進行工點工程分解,自動提取工點參數,實現了施工進度數據的圖形化處理;(2) 數據標準化程度高,大大減少用戶輸入與多種類型數據的復雜統計工作量,并自動生成各種統計報表,大幅提高施工進度數據采集與應用效率;(3) 繁雜的施工進度數據經過圖形化處理，并在3D GIS環境中進行多維動態的可視化表達,形象直觀,滿足了工程承包、施工、監理和業主等單位對高鐵建設進行協同管理的需要.

致謝:軌道交通工程信息化國家重點實驗室開放基金(SKLK16-02)

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