北京地鐵19號線BIM總體管理體系研究及在典型工點的示范應用

羅 平 王 輝 高銀鷹 張志偉 杜新明 關惠龍

(1. 北京市軌道交通建設管理有限公司，北京 100068；2.城市軌道交通全自動運行系統(tǒng)與安全監(jiān)控北京市重點實驗室，北京 100068；3. 北京市軌道交通設計研究院有限公司，北京 100068；4. 中鐵七局集團西安鐵路工程有限公司，西安 710032）

1 工程概況

1.1 項目簡介

圖1 19號線一期工程線路圖

北京地鐵19號線位于北京市西部地區(qū)，南起大興區(qū)海子角地區(qū)，北至昌平區(qū)沙河地區(qū)，線路站間距大，速度目標值高，采用A型車8節(jié)編組，全線最高速度120km/h，是一條穿越中心城的大運量南北向快線。一期工程線路全長22.4km，如圖1所示，全部為地下線，草橋站與新機場線接力換乘。共設車站10座，車輛段一座，計劃2020年底建成通車。

1.2 工程特點與難點

19號線一期工程線路穿越中心城，多次下穿既有線，途經(jīng)道路狹窄、管線密集地區(qū)，線路埋深大，風險性高；工程施工作業(yè)面多、工程量大、工期以及施工場地緊張，整體部署、資源調配及項目管理難度大，如圖2所示；將BIM技術與工程自身特性相結合，創(chuàng)新性解決城市軌道交通建設過程中的技術與管理難題是必然要求與應用趨勢。

圖2 牡丹園站下穿既有線

1.3 典型工點情況

北京地鐵19號線一期土建施工01合同段，包括北太平莊站-牡丹園站區(qū)間、牡丹園站、牡丹園站～終點區(qū)間。區(qū)間采用礦山法施工，車站采用PBA暗挖法施工。臨近既有地鐵10號線車站，下穿小月河等，安全風險性大；施工精度要求高。作為全線的BIM示范工點，BIM應用與管理水平要求高。

圖3 牡丹園站周邊環(huán)境

2 BIM組織與應用環(huán)境

2.1 BIM應用目標

在設計、施工、運維全生命周期各階段建設和應用 BIM，對地鐵建設空間幾何信息、空間功能信息、施工管理信息、設備等各專業(yè)數(shù)據(jù)信息進行集成與一體化管理，形成的三維基礎數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，在此基礎上進行設計、施工管理，以及后續(xù)的竣工、運維管理。

（1）設計階段，實施一系列可落地、可持續(xù)的BIM應用，以提高設計質量，提高方案決策效率，實現(xiàn)設計協(xié)同管理為目標，為后期施工奠定基礎。

（2）施工階段，致力形成以模型數(shù)據(jù)為基礎、進度管理為主線、安質風險為重點、投資控制為目標、管理平臺為工具的基于BIM的創(chuàng)新管理體系，以實現(xiàn)施工全過程的三維化和數(shù)字化管理為目標，并為后期工程移交整合過程數(shù)據(jù)[1]。

（3）竣工階段，實現(xiàn)BIM與竣工驗收相結合，實現(xiàn)基于BIM的竣工驗收全過程數(shù)據(jù)的采集、集成、歸檔，在設施設備BIM族庫基礎上，完善資產(chǎn)編碼、設備編號等信息，保證數(shù)據(jù)的可追溯性，為后期運維提供數(shù)據(jù)服務[2]。

（4）運維階段，實現(xiàn)基于BIM的資產(chǎn)管理，進行設備運行狀態(tài)的監(jiān)測與空間管理，通過電子標簽、物聯(lián)網(wǎng)傳感器、系統(tǒng)接口等多種手段，集成設施設備的實時運行數(shù)據(jù)，進行數(shù)據(jù)分析和設施設備運維監(jiān)控，實現(xiàn)運維精細化、可視化、智能化管理[3]。

圖4 團隊組織架構

2.2 實施方案

在北京城市軌道交通BIM實施統(tǒng)籌安排下，在北京地鐵19號線一期工程逐步建立圍繞“數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)集成、數(shù)據(jù)應用及數(shù)據(jù)分析”的軌道交通工程建設全生命期BIM技術標準、管理應用體系，保證數(shù)據(jù)的傳遞和共享滿足BIM應用并符合工程建設要求。首先建立創(chuàng)新型工作體系，在工作體系指導下進行設計階段應用實踐和施工階段應用實踐。

2.3 團隊組織

北京城市軌道交通 BIM實施采用的“建設單位+BIM總體+各參建單位配合”的實施模式，組織架構如圖所示：

建設單位設計部分管BIM實施工作，風險部、工程部、安質部、設備部協(xié)調配合，管理各方的BIM實施工作；BIM總體單位成立BIM研究應用項目部，負責編制與宣貫全線BIM應用標準、搭建BIM協(xié)同工作平臺和集成管理平臺，審核與集成模型；設計單位負責設計階段土建、設備系統(tǒng)模型搭建，并傳遞至施工階段；施工單位BIM實施由項目總工負責，成立BIM工作室，由BIM工作室牽頭，其他部分配合，進行設計模型深化以及施工場地構建，基于BIM集成管理平臺進行施工過程數(shù)據(jù)上報，便于建設單位進行施工管控。

2.4 應用措施

圍繞如下幾個方面：

1）BIM實施規(guī)劃，確定工作目標；

2）建立組織管理體系；

3）建立BIM應用標準；

4）構建BIM協(xié)同工作平臺；

5）搭建BIM數(shù)據(jù)集成與管理平臺；

6）配套硬件建設；

7）各階段BIM應用等分階段逐步開展。

2.5 軟硬件環(huán)境

項目的應用軟件包括：

1）建模軟件：Autodesk Revit/3DMax/Dynamo；

2）渲染漫游軟件：Autodesk Navisworks、Fuzor、Lumion；

3）輕量化軟件：CityMaker Explorer；

4）管理平臺：自主研發(fā)的城市軌道交通BIM協(xié)同工作平臺、城市軌道交通BIM數(shù)據(jù)集成與管理平臺。

項目的硬件環(huán)境包括：

1）服務器：3臺Intel Xeon E7 4870 512G內(nèi)存，用于數(shù)據(jù)庫及BIM平臺運行；

2）圖形工作站：施工單位項目配備2-3臺I7-6800處理器、GTX1070顯卡的工作站，用于BIM建模與BIM管理平臺使用；

3）移動展示大屏：1臺Intel Xeon E5-1620處理器、16G內(nèi)存、64寸大屏，用于BIM調度會各方匯報演示；

4）PAD移動終端：項目部配備1臺32G內(nèi)存的安卓PAD，用于現(xiàn)場風險巡視和隱患排查；

5）專用網(wǎng)絡設施：配備50M獨享專用光纖，用于平臺對外服務。

3 BIM應用

3.1 BIM標準體系搭建

根據(jù)當?shù)爻鞘熊壍澜煌˙IM應用規(guī)劃，統(tǒng)一標準體系，并逐步制定具體標準。主要包括：各階段 BIM應用的技術標準，各階段BIM成果交付標準，信息語義、存儲與分類標準等。為滿足建設方需求，重要是保障的模型統(tǒng)一、應用統(tǒng)一和數(shù)據(jù)傳遞，因此標準的建設深度要結合信息化建設和BIM應用的需求分階段建立，主要包括：《城市軌道交通BIM成果管理標準》、《城市軌道交通BIM信息術語標準》、《城市軌道交通BIM 技術應用標準》、《城市軌道交通構件庫創(chuàng)建與管理標準》、《城市軌道交通BIM建模指導意見》、《城市軌道交通BIM交付標準》。

3.2 設計階段BIM應用

基于BIM協(xié)同工作平臺進行圖紙以及模型數(shù)據(jù)的收集、在線瀏覽、審核、版本控制，實現(xiàn)云端存儲。數(shù)據(jù)最后進入至BIM數(shù)據(jù)集成與管理平臺進行全線各專業(yè)數(shù)據(jù)的集成和業(yè)務功能管理。

設計階段首先由設計單位按照BIM標準基于各專業(yè)的提資資料（市政管線、建筑、結構、設備及裝修等）構建BIM模型，按照建設單位的圖模同步提交管理辦法在平臺中提交，BIM總體單位審核、集成、階段性入庫，設計單位進入BIM平臺進行集成后的三維設計方案匯報。審核通過后BIM模型輔助生成各專業(yè)施工藍圖。通過設計人員本身建模、空間碰撞檢查可以大幅提升設計圖紙的質量；基于BIM的在線匯報與評審可以提高方案決策的效率；通過圖模同步提交，可以實時掌控設計圖紙進度。

圖5 三維設計方案匯報

設計階段開展的BIM應用如下：

1）方案比選：利用BIM的可視化特點進行方案比選，選出最佳的設計方案；使項目方案的溝通、討論、決策在可視化的三維場景下進行，實現(xiàn)項目設計方案決策的直觀和高效；

圖6 換乘方案展示對比

圖7 改遷管線展示

2）交通疏解、管線遷改：創(chuàng)建施工圍擋范圍內(nèi)的市政管線、施工圍擋及影響管線遷改的周邊環(huán)境模型，分階段模擬管線遷改和道路疏解，檢查方案可行性；利用BIM的可視化、可模擬、精確性等特點，實現(xiàn)交通疏解和管線遷改方案的優(yōu)化和模擬。

3）方案可視化：包括換乘方案、變更方案、風險源等控制因素；

圖8 變更方案三維可視化

圖9 市政管線資料檢查

圖10 設計圖紙質量檢查

4）市政管線資料檢查：建立位置、高程準確的市政管線模型，并進行協(xié)調性檢查及環(huán)境影響分析，19號線通過模型對市政管線調查資料進行檢查，發(fā)現(xiàn)管線標高錯誤、斷頭管線、管線標高缺失、管線尺寸缺失、管井尺寸缺失5類錯誤，共140余處；

5）設計圖紙質量檢查：通過建模過程、結合平臺二三維聯(lián)動審核，檢查圖紙錯誤；

6）預留孔洞檢查、管線碰撞檢查：基于BIM技術，創(chuàng)建各專業(yè)管線模型，檢測模型之間是否已經(jīng)發(fā)生碰撞或即將發(fā)生碰撞，檢查模型之間是否滿足特定間距要求，并報告和展示模型發(fā)生碰撞的位置點或不能滿足特定間距要求的位置點、疑似問題點，進一步調整設計成果，提高設計質量[4]；

圖11 預留孔洞與碰撞檢查

7）三維管線綜合：基于BIM模型，根據(jù)管線碰撞檢查結果、大型設備運輸路徑檢查結果進行管線調整，合理布置設備區(qū)走廊和站臺層公共區(qū)管線，為綜合支吊架施工做好準備；合理布置公共區(qū)管線，使其滿足裝修、設備運行、檢修空間、和設備運輸空間要求，最終確保施工方可按圖施工[5]。

圖12 三維管線綜合

3.3 施工階段BIM應用

為滿足施工階段BIM技術應用，進行模型深化設計和施工階段應用點展開，具體如下：

1）BIM模型深化：豎井橫通道按榀精細建模，保證模型與現(xiàn)場的一致性。

圖13 按榀構建豎井橫通道模型

2）三維技術交底：將復雜節(jié)點或工序以三維插圖及動畫的形式進行可視化三維施工技術及特級風險源施工交底，還為項目管理人員以三維動畫的形式，進行PBA八導洞施工工藝的培訓，讓沒有地鐵暗挖施工經(jīng)驗的工作者對其施工工序及工序轉換，快速、深入的學習掌握，從而為項目施工每一步都做好對應的決策，更好地把控施工進度、施工質量及施工風險。

圖14 PBA八導洞施工工藝交底

圖15 施工場地臨建與機械布置

圖16 風險巡視上報

3）場地布置：通過三維模型，對施工場地進行科學合理的規(guī)劃，包括生活區(qū)及施工區(qū)的配電棚、砂石料庫、格柵堆放區(qū)、渣倉等，快速有效的對場地進行布置，有效的提高了場地的利用率，減少二次搬用產(chǎn)生的成本。也通過輸出二維圖紙及工程量清單，直接指導現(xiàn)場施工。

4）基于BIM平臺的風險巡視：由第三方監(jiān)測單位每日使用PAD端基于BIM模型進行風險巡視，在三維場景中定位巡視部位，上傳現(xiàn)場照片、視頻，對本次巡視進行小結，管理平臺查看巡視預警發(fā)生位置。

5）基于BIM平臺的隱患排查：在移動端內(nèi)置城市軌道交通隱患排查要點，按照排查項目、排查分項、排查內(nèi)容，在三維場景中標記隱患位置，進行隱患處理狀態(tài)的實時跟蹤和快速定位，移動端隱患排查如圖17所示。

圖17 移動端隱患排查

6）基于BIM平臺的前期工程掌控：將工程模型及環(huán)境數(shù)據(jù)、前期工作管理行為數(shù)據(jù)集成至“BIM數(shù)據(jù)集成與管理平臺”中，工作人員定期完成前期工程數(shù)據(jù)的錄入工作，包含進場狀態(tài)、補償談判、產(chǎn)權單位確認、方案受理、審批完成、現(xiàn)場實施等。能夠直觀的反映全線各標段、各地塊的工作狀態(tài)，尤其是正在進行的和將要發(fā)生的前期工作；進行統(tǒng)計線路級、工點級的已進場地塊數(shù)量、未進場地塊數(shù)量，存在進場困難的地塊數(shù)量及各地塊存在的具體問題等。

圖18 征占地監(jiān)控

7）基于BIM平臺的進度狀態(tài)掌控：將施工模型細度細化至PBA工法最小施工單元（即按榀切分的模型數(shù)據(jù)）。將工程二維的形象進度表達，轉化為三維形象進度表達，更加直觀；實現(xiàn)在施作業(yè)面統(tǒng)計及高亮閃爍，實時掌握當前作業(yè)面的位置及其與環(huán)境風險的相對位置關系；通過比較計劃與實際完成時間，以紅色、綠色高亮兩種形式表達進度超前滯后現(xiàn)狀；拖動時間軸來直觀展示歷史進度。

圖19 進度動態(tài)展示

8）基于BIM平臺的風險管控：按照設計圖紙完成測點布設模型及攝像頭布置模型，模型與現(xiàn)場保持一致；集成后的模型數(shù)據(jù)包含環(huán)境風險模型、自身風險模型、監(jiān)測點模型、攝像頭模型四部分，其中監(jiān)測管理與安控中心的風險平臺已實現(xiàn)風險監(jiān)測數(shù)據(jù)及監(jiān)測預警數(shù)據(jù)的實時對接；監(jiān)控到的預警信息及時推送至移動端APP與Web端監(jiān)控界面中，由相關人員按照風險處理辦法在指定時間內(nèi)響應并消警。

圖20 BIM風險監(jiān)測預警

圖21 豎井橫通道算量范圍

9）基于BIM平臺的合同計量：利用軌道交通BIM數(shù)據(jù)集成與管理平臺，實現(xiàn)精準、快速計量為核心的工程造價管理。基于BIM總體編制的《算量模型建模標準》（試行稿），以北太平莊站圍護結構-施工豎井橫通道及其格柵為第一階段研究對象，完成模型建立。

圖22 算量模型

4 應用效果

通過北京地鐵19號線一期工程BIM總體管理的實施，通過設計階段環(huán)境模型、工程自身模型的搭建，快速直觀對方案對比和展示，輔助快速決策，梳理全線附屬建筑及一體化，推動報規(guī)工作。

平臺通過多種數(shù)據(jù)采集方式，包括：物聯(lián)網(wǎng)采集、數(shù)據(jù)上報、外部系統(tǒng)對接等，實時掌握施工現(xiàn)場環(huán)境數(shù)據(jù)、人員、物料狀態(tài)、大型設備的統(tǒng)計狀態(tài)；全線各工點的施工進度；風險源、監(jiān)測點的狀態(tài)掌控；全線隱患狀態(tài)、驗收狀態(tài)、投資狀態(tài)掌控；基于三維形象進度，根據(jù)公司節(jié)點計劃和施工流程、步序等導入施工計劃，利用現(xiàn)場定位和驗證技術，定期自動形成施工進度報表，統(tǒng)計形象進度、投資完成情況數(shù)據(jù)，并與施工計劃進行分析，具備計劃模型加載和施工模型加載的動態(tài)切換，滿足于公司層級至項目層級的工程進度管理和工程建設調度會的需求。

北京地鐵19號線一期工程BIM技術應用實現(xiàn)了如下突破：

1）首次在全國城市軌道交通行業(yè)推動實施二維設計圖紙與三維信息模型同步提交；

2）首次推動實施施工過程的“虛擬建造、先試后建”，開展基于全線大數(shù)據(jù)的全線形象進度 管理，實現(xiàn)總體調度、安全監(jiān)控、隱患排查多方面的三維可視化管理；

3）作為住建部課題示范線，聯(lián)合多家業(yè)主單位形成《城市軌道交通BIM應用指南》形成城市軌道交通BIM實施的整套方法和措施。

5 結語

本文以建設單位需求為導向，詳細論述了BIM總體管理體系在北京地鐵 19號線一期工程的研究與應用，包括：BIM應用標準、BIM協(xié)同工作平臺、BIM數(shù)據(jù)集成與管理平臺，并規(guī)定了總體管理體系下設計階段、施工階段各方的BIM應用工作，極大地提高了BIM工作的開展質量和效率。

由于BIM技術本身處于發(fā)展階段，配套的技術、法規(guī)、管理理念都在不斷地完善，BIM總體管理體系需要和建設單位工程建設管理需求以及企業(yè)信息化發(fā)展方向相結合。在實施過程中，首先保障軌道交通全生期建設數(shù)據(jù)的BIM化，并使其傳遞到運維是基礎。是保障后續(xù)發(fā)展的必要條件[6～7]。