基于BIM的施工進度信息附加、跟蹤與集成分析研究
——以北京軌道交通19號線平安里站為例

張康寧， 劉志偉

(1. 中鐵隧道勘察設計研究院有限公司， 廣東 廣州 511458； 2. 北京市軌道交通建設管理有限公司， 北京 100068； 3. 城市軌道交通全自動運行系統與安全監控北京市重點實驗室， 北京 100068)

0 引言

隨著BIM技術的發展，BIM技術已應用于越來越多的工程建設中。目前，BIM技術在建筑、機械等行業的運用相對較多，一方面體現在三維交底、4D模型、碰撞檢測等技術方面[1-3]，且技術方面的BIM應用已趨向成熟； 另一方面，利用BIM的特點將BIM技術融入項目管理，主要體現在BIM技術的工程量統計[4]、危險源安全管理[5]以及深化設計管理[6]等方面。與建筑工程相比，地鐵車站和隧道有其獨特特征，多為帶狀分布且與地質關系密切。路耀邦等[7]以暗挖車站為例，研究了BIM的施工過程管理，驗證了BIM技術可以提高施工效率和質量。戴林發寶[8]也明確指出目前隧道專業的BIM應用還多屬于單點應用，BIM作為未來工程建設行業實現工業化和信息化的重要力量還未能更好地解決信息的離散性問題。考慮到施工管理是一個過程管理，而施工進度可以作為過程管理的主線，那么根據施工進度便可以跟蹤整個施工過程。基于BIM的施工進度管理，也有不少研究者做了相關研究，例如： 陳禮松等[9]對基于BIM和PDCA的施工進度管理進行了研究； 郭紅領等[10]探討了BIM輔助施工管理的模式及流程； 馮為民等[11]闡述了BIM技術在超高層流水施工中的應用； 周永川等[12]研究了基于BIM的港珠澳大橋交通工程施工進度管理系統。這些研究均表明了各自對于BIM進度管理流程的理解，對于BIM信息集成有很強的指導作用。然而，BIM信息集成的實現除了要遵循施工邏輯外，還要明確信息的交互方式以及信息的反饋機制，例如： 滿慶鵬等[13]研究的基于普適計算和BIM的協同施工方法，為BIM的信息交互系統提供了一種基于普適計算的框架； 胡珉等[14]和賴華輝等[15]對BIM數據交互標準及信息映射做了研究，表明了信息交互的原則。雖然關于BIM技術已有不少研究，但目前針對地鐵車站及隧道的施工過程，以進度管理為主線的BIM信息集成手段仍存在細節落實不到位的情況，這些主要體現在施工現場信息量大、數據繁雜、交叉專業多，導致基于BIM的信息附加、跟蹤、集成邏輯復雜、修正困難。為了解決此問題，進一步明確施工進度信息附加、跟蹤與集成的問題，有必要通過實際工程來分析研究具體施工過程中基于BIM的施工進度信息附加、跟蹤與集成方式，以便滿足信息的準確性和完整性，達到通過BIM信息集成手段把控和指導現場的目的，以期為現場施工進度管理提供指導。

1 工程概況

本應用依托于北京地鐵19號線1期工程平安里站施工，平安里站車站主體結構總長225.45 m，采用14 m島式站臺，標準段寬25.10 m，車站南端局部寬26.29 m。結構頂板覆土6.78～7.23 m，底板埋深20.70～21.15 m。主體結構采用超淺埋棚蓋暗作(PBA)法施工，用于棚蓋結構鋼管施工的先行小導洞拱頂最小覆土約4.3 m。車站共設4個出入口(其中1號口為預留出入口)，2座風道，1座外掛廳。工程位置示意圖如圖1所示。

圖1 工程位置示意圖

2 平安里站BIM進度管理的邏輯

基于平安里站的BIM施工進度管理將三維可視化與施工計劃進行連接，將空間信息與時間信息整合在一個可視化4D(3D+Time)模型中，不僅可以直觀、準確地反映整個建筑的施工過程，還能夠實時追蹤當前的施工信息和進度狀態，分析影響進度的因素，協調各專業，制定應對措施，縮短工期、降低成本、提高質量。

以平安里站為例的BIM施工進度管理主要通過資料收集、BIM模型建立、BIM模型劃分、BIM模型分組制定、BIM模型時間軸的綁定、BIM數據交互平臺的信息附加和進度分析等完成施工進度管理。基于平安里站的BIM進度管理邏輯如圖2所示。

關鍵節點實現方式如下。

1)BIM模型劃分。基于BIM的進度管理模型根據施工流水段以專業、工法等進行劃分，劃分后的模型以可以跟蹤每日的施工進度、每一項獨立的施工任務、每一個檢驗批為原則。針對平安里站的暗挖特性，為了實現現場進度跟蹤計劃并根據形象進度估算工程量，導洞模型縱向以現場最小進度單元即2榀鋼格柵的間距(格柵間距為0.5 m)進行劃分，橫向整個斷面作為一個整體。車站主體梁、板、墻采用和導洞一致的模型劃分方式，即車站主體梁、板、墻縱向均按0.5 m劃分，橫向以施工幅寬為單位，取幅寬為橫向劃分寬度。為此，模型劃分有2種可選擇方式，第1種是在模型建立時分部位、分單元以0.5 m為單位建模； 第2種方式是通過插件切割模型，切割分塊遵循模型劃分原則。

2)BIM模型計劃分組制定。將劃分好的施工模型上傳至BIM-GIS可視化交互平臺，根據編制好的施工計劃對相應模型進行綁定。值得注意的是，綁定模型進度計劃并不需要計劃制定者根據模型情況編制施工計劃，管理人員僅通過平臺的測量以及選擇功能便可以快速地為每個構件賦予計劃進度。為了避免模型更新后，進度計劃丟失，建模時需備注模型編碼，編碼可通過軟件自動識別，同時綁定好的模型構件可導出其編碼對應的計劃進度表格。這樣便可以在模型更新后通過導入表格識別編碼的方式快速地賦予構件進度計劃。

3)BIM模型實際分組制定。對實際施工進度，需按日持續跟蹤，對因特殊原因致使施工進度明顯落后的情況，應在平臺中注明影響因素。

4)進度對比。平臺可以自動對比計劃進度與實際進度，通過不同的色彩、顯隱靜態或動態地演示進度對比情況。

5)進度控制。自動生成節點進度統計、進度百分比統計和形象進度統計。

6)進度分析。進度分析中進行整個工程的進度自動統計，并對影響進度的因素進行分類整理。

7)進度模擬。自動根據計劃進度和實際進度的執行日期，自動進行進度計劃4D模擬，部分替代NAVISWORKS功能。

基于平安里站的BIM進度信息化管理平臺如圖3所示。

3 BIM施工進度信息附加、跟蹤與集成

基于平安里站BIM進度管理的核心是通過三維構件可視化條件對進度信息進行附加、跟蹤和集成。進行進度跟蹤的構件通過直觀的方式攜帶各種構件信息，包括構件的類型和幾何尺寸、構件所用的材料和成本以及施工此構件所用工法和工序等。除此之外，進度管理中還對進度推進進行了條件限制，包括施工人員的安全交底情況、三級教育情況。基于BIM的進度管理是工點施工的信息集成，項目管理者可以通過BIM進度管理實時了解項目進度中所含構件的所有基本信息。

圖2 基于平安里站的BIM進度管理邏輯

圖3 基于平安里站的BIM進度信息化管理平臺

Fig. 3 BIM schedule information platform management based on Ping′anli Station

3.1 BIM施工進度信息附加

在信息集成化管理中基于BIM的施工進度信息附加是第1步，是信息集成的基礎。總的來說，信息的附加分為2類。

3.1.1 BIM模型建立時的信息附加

BIM模型在建立過程中根據建模標準附加構件信息。一套統一的建模標準對各層級構件的信息附加都有規定，BIM模型建立時所附加和生成的信息應是實際施工中相對重要的。那么BIM模型附加信息的來源應該是施工中重要的、關注的、有利于了解構件屬性的信息。基于此點，需整理出施工中構建信息的要求并在建模過程中加以實現。同時，整體模型的名稱以文件信息識別，模型構件的名稱以空間位置、構件類型、幾何尺寸和工藝屬性信息識別，模型交互及傳遞以編碼信息識別。BIM模型建立時的信息附加如圖4所示。

圖4 BIM模型建立時的信息附加

BIM建模時附加的信息類別分為：

1)文件信息，即工點、部位信息等，例如文件名稱設置。文件命名需根據模型所屬工點或部位確定，以便于識別和整合，命名時采用逐級遞減的方式，例如： 平安里站-主體結構、平安里站-主體圍護結構。

2)空間位置信息，即定位信息，例如構件名稱設置。構件名稱應能反映構件的空間關系，例如： 框架梁-站廳層、框架梁-站臺層。

3)構件類型信息，即構件分類信息，例如構件名稱設置。構件名稱應能區分不同構件類型，例如： 框架梁-站廳層、連系梁-站廳層。

4)幾何尺寸信息，即構件的幾何屬性，例如構件名稱和尺寸標注。構件的名稱中要直接體現構件的幾何尺寸，例如框架梁-站廳層-1 400×1 000； 構件的尺寸標注往往根據建立的三維構件自動生成，例如構件的長度、面積、體積。

5)工藝屬性信息，即構件的非幾何屬性，例如構件材質和分析屬性。構件的材質和分析屬性一般在建模時單獨附加，查看材質信息和分析信息要通過閱讀構件屬性取得。

6)傳遞規則信息，即構件信息化編碼，例如WBS編碼和EBS編碼等。WBS編碼和EBS編碼是模型和信息化管理平臺交互的基礎，例如： 根據單位工程、分部分項工程以及構件類別將構件編碼為車站(D)-結構(JG)-主體結構(01)-柱(01)-矩形柱(01)、車站(D)-建筑(JZ)-附屬結構(02)-柱(01)-圓形柱(02)。

BIM模型建立完成后的信息附加如圖5所示。

3.1.2 BIM信息化管理平臺施工過程中的信息附加

基于BIM的信息化管理平臺又被稱為BIM-GIS可視化交互平臺，信息化平臺在動態信息附加方面是對建模附加信息的補充和完善。不同參與方在信息化管理平臺中對構件的材料用量、成本、工藝過程進行信息附加、共享和傳遞，如圖6所示。

圖5 BIM模型建立完成后的信息附加

3.1.2.1 BIM-GIS可視化交互平臺進度管理

BIM-GIS可視化交互平臺進度管理信息附加的核心是模型的計劃分組制定和模型的實際分組制定。

圖6 參建各方基于BIM平臺的施工過程信息附加

Fig. 6 Additional information of construction process based on BIM platform provided by various participants

BIM-GIS可視化交互平臺進度管理信息附加包括總體工況設置、總體工況查看、進度節點設置、進度節點查看、計劃分組制定、計劃構件制定、實際分組制定、實際構件制定、進度查詢展示和進度對比。BIM-GIS可視化交互平臺進度管理模塊對總體工籌情況加以信息附加，對進度節點進行過程控制，同時可以通過自動提取相關信息進行進度分析對比。

3.1.2.2 材料用量、成本、工藝過程信息附加

BIM信息化平臺中材料用量、成本、工序的信息附加是信息集成的前提和基礎，對施工構件進行材料用量、成本、工序的信息附加可以獲得施工量、成本的統計。根據信息管理的目的反推出信息附加的內容，如圖7所示。

圖7 基于BIM的施工過程信息附加

基于BIM的施工過程信息附加隨著施工的推進對每一根構件附加材料、時間、成本、工序等信息。施工構件材料的工程量附加分為設計工程量和施工工程量； 構件施工進度信息附加分為計劃進度和實際進度； 構件成本信息附加分為材料成本和人工成本； 構件工序信息附加一方面是對構件工序過程的信息記錄，另一方面是對構件工序過程的控制。

以上信息的附加由施工單位相關管理人員負責，例如： 施工計劃時間由計劃編制者添加，施工實際時間由現場技術員添加； 計劃材料用量由材料申請者添加，實際材料用量由材料管理者添加。對于同類重復性構件計劃用量往往相同，可通過構件編碼或批量復制等功能快速添加計劃用量。但即便是同類重復性構件，其實際用量也需每日根據具體情況單獨添加。施工單位添加并跟蹤完相關信息后，監理單位可定時復核。

工序管理通過將施工構件和WBS分解體系綁定，在WBS分解體系中按構件類別設置工序信息，從而為構件綁定施工工藝信息。同時，在構件施工過程管理時還可以按不同的工序指派任務、選擇人員、記錄施工時間，從而更細致地進行施工過程控制，例如： 鉆孔灌注樁分為護筒埋設、鉆孔、吊裝鋼筋籠和灌注混凝土，以鉆孔灌注樁為例說明基于BIM信息化管理平臺施工過程信息附加內容，如表1所示。

表1基于BIM信息管理平臺的鉆孔灌注樁信息附加

Table 1 Bored pile additional information based on BIM information platform

時間材料 人工工序(護筒埋設)工序(鉆孔)計劃開始設計量定額人工計劃結束最大量最大人工開始時間開始時間實際開始單價單價計劃結束計劃結束實際完工實際量實際人工實際完工實際完工

3.2 BIM施工進度信息跟蹤

基于平安里站的BIM施工進度信息跟蹤以信息附加為前提和基礎，信息跟蹤通過施工進度信息分解，分別對進度、材料和成本等信息進行跟蹤。跟蹤過程一方面是現場動態信息的數字化體現，另一方面是現場影響因素的記錄和整理。

基于平安里站的BIM進度信息跟蹤通過BIM-GIS可視化交互平臺和BIM數據集成與管理平臺共同進行。信息跟蹤的范圍包括信息附加的范圍和監測信息，信息跟蹤的方式主要通過信息定時填報和信息自動化傳輸。信息定時填報指的是根據施工過程對各種影響施工的因素信息進行添加，例如影響鉆孔灌注樁施工的因素、影響時間、預計結束時間等。信息自動化傳輸主要指監控量測信息動態跟蹤，監控量測的信息通過系統插件自動將實時數據傳入信息化管理平臺并進行分類跟蹤。監控量測信息實時跟蹤系統如圖8所示。

3.3 BIM施工進度信息集成

BIM模型替代二維圖紙以及傳統的圖像和數據形式進行施工進度跟蹤，充分利用了模型可視化的特點，完成了“所見即所得”的虛擬與現實對接。圖9示出平安里站站后渡線段輕量化模型。基于BIM的進度跟蹤在信息集成方面，利用不同軟件不同平臺可以對施工構件的材料、工藝、成本等進行信息綜合和提取。針對短時間內(如1周、1個月)，基于BIM的進度跟蹤可以根據施工過程實時統計記錄影響施工進度的因素，并統計分類，這種短期內的“小數據”可以避免變量不足導致的分析偏差，并能精確定位短期內影響進度的因素，并在下一個施工階段加以調整規避。而后，通過匯總短期的進度情況，結合總體計劃的節點控制，并統計先前所有影響因素進行分析，形成一定意義上的“大數據”，從而為階段性或整體進度目標糾偏和成本核查提供基礎。

圖8 監控量測信息實時跟蹤系統

Fig. 8 Real-time tracking system for monitoring and measurement information

圖9 平安里站站后渡線段輕量化模型

Fig. 9 Lightweight model of crossing line section of Ping′anli Station

基于平安里站的施工進度信息集成依托于“BIM數據集成與管理平臺”，集成信息分為施工過程基礎信息和進度信息2類。施工過程基礎信息對主要機械、材料、現場管理人員等進行集成化統計，如圖10所示。基礎信息集成有利于管理者實時了解現場作業情況，判斷現場運行狀態，把控施工過程。

圖10 BIM數據平臺施工過程基礎信息集成

進度信息則對出圖情況、規證辦理情況、開竣工情況、產值統計情況、節點計劃情況、百分比統計情況和進度橫道圖情況進行了信息集成和管理，如圖11所示。同時，進度信息模塊還集成了進度影響因素，例如影響進度執行的拆遷因素、風險因素、供貨因素和其他因素。

進度信息集成模塊在構件信息附加的基礎上，統計構件的數量和材料以及人工等成本，自動整理出施工產值計劃和實際施工成本，并進行二者的比較。值得注意的是，每一施工單元材料、人工、成本的施工產值統計以合同工程量清單為依據，實際施工成本的統計以現場管理人員考慮各項影響因素后上報的數據為依據。無法通過工程量核算的成本，例如文明施工成本，均由管理人員單列計入每天的其他成本中，如其他人工成本。這樣可以一定程度上避免無法定量表達的零星工作得不到統計的情況。具體成本累計信息集成如圖12所示。

4 基于BIM的施工進度信息獲取量優勢分析

施工進度信息包括施工計劃、施工成本、施工材料、人員配備和產值統計等。傳統的施工進度信息相互剝離，即使通過計算機輔助程序也很難在進度計劃橫道圖上附加材料、成本等信息，且往往與材料、成本等信息同時發生，但卻各自核算，獨立存在，進度信息與材料、成本等信息的聯系僅僅通過人力維系，容易丟失、錯亂、不清晰。為了有效解決這種信息孤島，是否可以采用信息集成手段使施工信息根據施工進度與材料、成本的邏輯關系同步附加、跟蹤和集成?基于BIM的施工進度信息化管理就是為了解決施工過程信息的剝離情況，使施工信息隨施工進度邏輯附加、跟蹤與集成。基于BIM的施工進度信息獲取量優勢主要體現在以下幾個方面。

1)可視化的信息傳遞。基于BIM的可視化效果是一種全新的溝通方式，其與傳統的二維描述不同，可視化的效果使信息傳遞更有效、更直觀。同時，可視化的構件可以進行碰撞檢測，充分利用其三維的特點進行空間信息分析。

2)信息附加、跟蹤。基于BIM的進度管理可以為施工構件綁定時間軸，對施工過程進行可視化的4D管理，同時，基于BIM的進度管理可以以構件為單位進行材料、成本、工序信息的附加和跟蹤。而傳統的施工進度管理大多停留在圖表階段，各種信息邏輯相互關聯而表現形式相互剝離，不利于信息的查看和動態跟蹤。

3)信息集成。基于BIM的進度管理在大量信息附加和跟蹤的基礎上對信息進行集成，集成后的信息根據施工進度邏輯統一整理、分析數據，從而動態地體現整個施工過程的進度信息、材料信息、成本信息，滿足形象進度、產值統計、施工成本的三同步計算原則，有利于項目管理者掌握合同執行情況，把控管理方向。

圖11 BIM數據平臺進度信息集成

圖12 成本累計信息集成

5 結論與體會

基于北京地鐵19號線平安里站的BIM施工進度管理是施工信息集成管理的新手段。為了有效解決施工過程的信息孤島，BIM技術結合信息化管理平臺根據施工過程進行了信息的附加、跟蹤與集成，其中，以施工進度管理為主線，附加、跟蹤隨進度而產生的材料、成本等信息，最后對各種信息進行集成、分析。對比傳統的施工進度管理方法，基于BIM的施工進度管理能及時有效地對信息進行附加，使信息依附于虛擬現實而存在，保證施工過程管理的可追溯性。同時，依托BIM的信息化管理平臺可以實時分類跟蹤各種施工進度信息，包括施工材料、成本、工藝和時間等，使BIM施工進度信息得以持續，不間斷地匯集。基于BIM的施工進度信息在附加和持續跟蹤的基礎上，通過信息化管理平臺可以對進度信息進行集成，集成的信息分類詳細，自動組序智能，有利于項目管理者把控項目整體進度，對項目資源做規劃級調度。這種基于BIM的施工進度信息附加、跟蹤與集成能有效地解決信息孤島現象，使施工信息隨施工進度邏輯附加、跟蹤與集成。

當然，目前針對BIM技術在大型項目的施工信息化管理應用參考案例還不豐富，本文以一個車站作為研究對象，信息數據交叉相對較少，若要將基于BIM的信息化推廣至更大的項目，后續還需進一步調整數據附加、跟蹤、集成的方式。

本文以實例的方式研究闡述了基于BIM的施工進度信息管理方式，對后續開展基于BIM的全過程施工管理和數字化管理提供了重要經驗，后續的研究中建議擴大BIM進度管理的信息化應用范圍，例如以施工進度為主線的BIM信息化施工過程管理，包括施工過程中的施工質量信息、安全信息等。