基于建筑信息模型的寧波市城市軌道交通數字化建設管理研究

陳 濤 易德新 高京生 馮立力

(寧波市軌道交通集團有限公司，315100，寧波//第一作者，工程師)

城市軌道交通具有線網狀、里程長、工點復雜多樣,以及征遷協(xié)調和交通導改難度大等特點，亟待應用高新技術對其進行建設管理。

BIM(建筑信息模型)技術以可視化模型為信息載體，是建設工程及其幾何與非幾何特性的數字化表達。它將貫穿于決策、實施及運維階段的信息關聯(lián)起來，形成可視化信息集，對建筑工程全生命周期管理起到了革命性的作用[1-3]。將BIM技術應用于城市軌道交通建設，可以有效地實現施工組織管理，提高施工各階段信息共享水平及效率，同時推動城市軌道交通數字化發(fā)展進程。

目前，我國主要在建軌道交通的城市都在其建設過程中應用了BIM技術。自2012年起，上海申通地鐵集團有限公司已在其11條線路工程建設中應用了BIM技術，并完成了7項相關標準的制定；同時依托13號線的工程建設，搭建了協(xié)同管理平臺。廣州地鐵在其機電安裝階段和竣工交付階段使用了BIM技術，并開發(fā)完成了現場派工管理平臺。深圳地鐵以多條線路的工點建設作為試點應用了BIM技術，目前正在推進BIM建設管理平臺的研發(fā)與應用。于2016年開工建設的成都地鐵18號線采用了PPP(公私合作)的建設模式，其建設過程應用BIM技術進行了全面正向協(xié)同設計，并在施工階段配合完成了方案管理、進度管理及現場管理等工作。此外，北京、天津、南寧、武漢、長沙、南昌、青島等十幾個城市的軌道交通建設工作均在推進基于BIM的數字化應用。

1 寧波市數字化建設管理平臺的研發(fā)

為規(guī)范寧波市軌道交通工程建設，提高建設過程現場管理效率，提升軌道建設數字化應用水平,以寧波軌道交通某地下車站土建工程為依托，嘗試搭建BIM協(xié)同施工管理平臺，針對現場實際需要開發(fā)了進度管理、方案管理兩大主要業(yè)務功能模塊及其他配套功能模塊。在現場進度、施工方案及監(jiān)理月報的報審等方面進行了試點應用，并達到了預期效果，為下一步平臺功能的繼續(xù)擴充和改進打下了堅實的基礎。

1.1 BIM協(xié)同施工管理平臺總體框架結構

BIM協(xié)同施工管理平臺以二維、三維一體化平臺為基礎，采用B/S(瀏覽器/服務器)混合架構進行系統(tǒng)構建。工程項目資料與系統(tǒng)開發(fā)語言均采用C#語言，在VS2010集成開發(fā)環(huán)境中進行開發(fā)[9]。同時在系統(tǒng)開發(fā)過程中還應用OpenGL(開放式圖形庫)，使三維可視化更加地出色。平臺以交互層、應用層、數據層為總體框架結構組成，其架構形式如圖1所示。

圖1 BIM協(xié)同施工管理平臺總體框架結構圖

圖1中，建設、施工及監(jiān)理等參建單位通過交互層實現用戶目標的實施；應用層由施工管理、模型展示、文檔管理等3大業(yè)務系統(tǒng)構成；數據層主要實現數據的處理及存儲讀寫功能。

1.2 業(yè)務系統(tǒng)的初步構建

BIM協(xié)同施工管理平臺應用層共構建3大業(yè)務系統(tǒng)，分別為施工管理系統(tǒng)、模型展示系統(tǒng)及文檔管理系統(tǒng)。3大業(yè)務系統(tǒng)采用相同的方式進行開發(fā)，其邏輯結構一致、彼此松耦合且共享數據。本文僅對施工管理系統(tǒng)作簡單說明，另外兩個系統(tǒng)不再贅述。

施工管理系統(tǒng)為協(xié)同施工管理平臺中的一級業(yè)務系統(tǒng)，其架構與平臺一致，是基于代碼重用、組件重用、業(yè)務邏輯重用及組裝重用，結合在線流程設計器、在線業(yè)務表單設計工具及代碼邏輯生成器的協(xié)同管理解決方案。

施工管理系統(tǒng)基于J2EE技術平臺，整合主流開源較為成熟的技術進行開發(fā)。系統(tǒng)采用了Spring MVC(一種開源的模型-視圖-控制器的Web(萬維網)框架)，框架中每個層次的代碼均具有獨立規(guī)范，可保證開發(fā)系統(tǒng)的質量，以應付不斷變化的業(yè)務需求。

施工管理系統(tǒng)的Spring MVC架構分為Model(模型)、View(視圖)及Controller(控制器)3個基本部分，這3個部分以最少的耦合協(xié)同工作。從開發(fā)層次而言，可以分為Model、Dao(數據訪問層)、Service(業(yè)務處理層)及Controller等部分。通過該架構，可提高應用的可擴展性及可維護性。整個系統(tǒng)的應用開發(fā)層次結構如圖2所示。

圖2 業(yè)務系統(tǒng)應用開發(fā)層次結構

1)數據展示層。數據展示層位于客戶端，對于業(yè)務系統(tǒng)的運行環(huán)境而言，即為IE、Google等瀏覽器。數據展示層包含了所有應用于和終端用戶交互的組件，由系統(tǒng)用戶直接應用并執(zhí)行頁面的邏輯處理和顯示任務，主要采用了HTML(超文本標記語言)、DHTML(動態(tài)HTML)、CSS(層疊樣式表)、JavaScript、AJAX(異步JavaScript和HTML)等技術。在本系統(tǒng)內，數據展示應用JSTL(JSP(Java服務器頁面)標準標簽庫)技術,JavaScript框架使用jquery技術。

2)視圖層。視圖層位于服務器端，基于MVC架構模式進行開發(fā)。本系統(tǒng)使用的主要視圖層技術為JSTL技術，該技術通過定制設置，可切換為Velocity、Freemarker、XML(可擴展標記語言)等其他技術。視圖層頁面使用JSTL技術展示各表單的數據，并在控制器層通過Spring MVC實現數據的傳遞。

3)數據控制層。數據控制層主要負責接收訪問請求、處理用戶輸入、調用業(yè)務層邏輯處理、返回業(yè)務數據和相應的視圖，并把結果交給視圖層進行處理。

4)業(yè)務處理層。業(yè)務處理層僅與具體業(yè)務的處理流程及邏輯相關。基于此設計，施工管理系統(tǒng)可方便實現對SOA(面向服務的架構)的支持，各個業(yè)務均采用相同的處理方法，易進行擴展及重復使用；通過Web Service等技術，還可以實現與系統(tǒng)之間的集成。業(yè)務處理層是系統(tǒng)內極為重要的結構層，通過Spring AOP(面向切面的編程)對訪問類的攔截控制，實現了本層中事務控制的應用管理。

5)數據訪問層。數據訪問層主要使用Dao的設計模式。本系統(tǒng)Dao的設計模式只有數據獲取存儲的處理，而不含業(yè)務處理邏輯;使用MyBatis作為ORM(對象關系映射)框架，可以方便進行系統(tǒng)擴展，也可轉為其他的ORM框架。

1.3 業(yè)務系統(tǒng)功能模塊

根據現場施工管理需求，施工管理系統(tǒng)共開發(fā)9個一級功能模塊，分別為項目概況、三維瀏覽、項目進度、監(jiān)理月報、方案管理、照片上傳、已發(fā)事項、待辦事項及流程歸檔。根據項目參與方職責將功能模塊對不同賬號開放，并對不同的模塊進行命名。

1)項目概況功能模塊。該模塊結合GIS(地理信息系統(tǒng))展示技術進行開發(fā)，模塊中涵蓋項目參建單位及工程本體基本信息、項目施工現場實景狀態(tài)、項目土建施工圖紙、工聯(lián)單等項目文件。普通用戶在此模塊內即可對工程項目做初步了解。

2)三維瀏覽模塊。該模塊可對按圖施工完成后的土建模型進行查看，同時由于使用了模型“閃現技術”，可對原格式模型的數據重構、對大體量BIM模型進行逐層分顆粒度加載，從而實現Web端的在線快速瀏覽。同時賦予模型構件施工屬性信息及施工圖紙鏈接，提供圖模對照查看及下載等功能。

3)項目進度模塊。該模塊由“進度瀏覽”、“進度上報”、“進度審查”3個二級功能模塊組成。通過“進度上報”模塊完成月度進度報表及項目文件上報。同時配合“進度瀏覽”的可視化施工進度展示，在“進度審查”模塊就可對進度完成審查。

4)方案管理模塊。該模塊由“方案上報”和“方案審查”兩個二級功能模塊組成。“方案上報”功能模塊可以實現方案文件及BIM動態(tài)施工模擬視頻的上傳，同時可經“方案審核”功能模塊完成相應的審查操作。

5)監(jiān)理月報模塊。該模塊按用戶權限分成“月報上報”和“月報審核”兩個二級功能模塊。“月報上報”模塊根據項目實施情況對每月上報的施工、安全文明、外部檢查、驗收及不合格項目處理等信息，通過“月報審核”模塊完成相應情況的審核。

6)照片上傳模塊。該模塊支持所有項目參建用戶對現場情況進行記錄，完成狀態(tài)說明并發(fā)送至其他項目參建方。

7)已發(fā)事項、待辦事項及流程歸檔模塊。這些模塊的功能是對其他功能模塊產生的任務做分類管理。“已發(fā)事項”及“待辦事項”模塊可直接查詢本權限賬號下發(fā)起的業(yè)務流，且待辦事項具有事件提醒功能；“流程歸檔”模塊整合了所有已由本權限賬號辦理的業(yè)務流。

2 數字化建設管理平臺在工程建設中的應用

依托BIM協(xié)同施工管理平臺模型數據與業(yè)務數據雙向鏈接、三大業(yè)務一級功能系統(tǒng)及二級功能模塊的松耦合機制，用戶賬號權限按職責分配啟閉業(yè)務功能。業(yè)務流按參與賬號的邏輯關系運行，并結合模型實現可視化。應用BIM協(xié)同施工管理平臺可對現場進度及重大施工方案的報送審查及現場實景施工監(jiān)督檢查等工作進行輔助實施。

2.1 平臺分權限功能配置

BIM協(xié)同施工管理平臺用戶分為管理員用戶及普通用戶兩大類。普通用戶按照各自參建職責為施工方、監(jiān)理方及業(yè)主分配3種不同權限，通過該權限可完成任務發(fā)起、執(zhí)行和審查等工作；管理員賬號除包含普通用戶的權限外，還具有用戶管理、任務分管授權等權限。通過對權限的分組管理，明確了相應身份的角色所具有的權限，實現對重要資源的授權訪問控制，既滿足了數據的安全，又方便了用戶操作，同時加強了對用戶操作的監(jiān)管，保障了數據的安全性。

按照普通用戶參建職責的不同，將業(yè)務系統(tǒng)功能配置于不同賬號權限，如圖3所示。

圖3 不同賬號權限下的業(yè)務系統(tǒng)功能配置

2.2 平臺業(yè)務系統(tǒng)流程

2.2.1 業(yè)務系統(tǒng)信息來源

業(yè)務系統(tǒng)信息以人工輸入及附件上傳形式進入平臺數據庫。根據業(yè)務模塊類型，數據來源分為以下幾類：

1)進度信息。進度信息包括施工進度報表(.doc格式)及施工進度數據(.mpp格式)兩種形式，結合實際生產情況，經施工方“進度管理”模塊以附件形式流入系統(tǒng)數據庫，并最終存檔于文檔管理系統(tǒng)；其他信息通過模塊內置制式表的要求輸入。

2)施工方案信息。施工方案信息的來源為現場危險性較大的分部分項工程，數據以方案報告(.doc格式)及帶場地環(huán)境的足尺施工模擬動畫(.avi格式)等文件形式流入系統(tǒng)數據庫；其他信息通過內置制式表的要求輸入。

3)監(jiān)理月報信息。監(jiān)理月報信息的來源為質量安全檢查整改及驗收、人機料等的核查信息。數據以報告文檔(.doc格式)附件形式流入系統(tǒng)數據庫；其他信息以簡報形式在內置制式表中按要求輸入。

4)現場情況記錄。現場情況信息的來源為實景圖像記錄，數據以現場某個位置的實景圖像(.jpg等格式)的形式流入系統(tǒng)數據庫，實景說明則以簡報形式輸入于內置的制式表中。

2.2.2 業(yè)務信息流轉

BIM協(xié)同施工管理平臺對現場施工進度和危險性較大的施工專項方案進行報送審查流轉，依據權限分配完成任務的發(fā)起、審查、通過或駁回等操作。現以現場進度管理模塊為例，對平臺業(yè)務信息流轉做說明。管理模塊業(yè)務信息流轉與其類似，不作贅述。圖4為進度管理模塊業(yè)務信息流轉歷程。

圖4中，賬號A上傳月度進度報表及項目計劃，并將任務發(fā)送至賬號B；賬號B接收任務后，完成審核，決定通過(或駁回)再發(fā)送至賬號C；賬號C的業(yè)務流程與賬號B一致，不再贅述。

圖4 進度管理模塊業(yè)務信息流轉歷程

3 基于BIM技術的現場施工配合

車站土建施工階段，將BIM技術和現場實際施工需求相結合，在深化設計中盡量減少錯漏碰缺，同時在市政管線搬遷、施工場地布置、交通導改報批、場地布置及施工專項方案編制等方面展開應用，這樣不僅提升了現場管理水平，也為科學決策提供了數字化依據與技術支持。

3.1 碰撞檢查及管線遷改

采用Revit軟件完成車站主體結構、附屬結構、市政管線及拆復橋等的建模。對結構開孔和預制件埋設的位置、需預留的機電管線凈空等進行了校核，可提前發(fā)現部分附屬結構與機電設備、拆復橋與附屬結構等的碰撞。

依托車站與周邊構筑物的結構碰撞檢查，提前發(fā)現問題，并提出變更建議。根據市政管線搬遷的模擬結果，調整了部分管線的管底標高及走向，并對復雜區(qū)域進行局部深化設計，從而對搬遷方案進行了完善。

3.2 施工場地布置及交通導改

根據第1期和第3期場地布置設計圖，進行了施工場地布置可視化方案制作(第2期場地布置與第1期場地布置基本一致，不實施可視化方案)。采用無人機傾斜攝影點云數據模型、Revit軟件建立車站及場地內機械設備的BIM模型，對站點施工場地和周邊環(huán)境進行1…1的模擬還原，并檢測大型設施設備的運行與通過情況。第1期及第3期的場地布置方案如圖5所示。由圖5可知，協(xié)同施工管理平臺實現了可視化施工場地的虛擬布置。通過提前了解場地布置條件與發(fā)現場地布置問題，為車站施工的交通導改計劃實施與匯報提供技術支撐。

圖5 施工場地布置

3.3 施工專項方案

采用BIM協(xié)同施工管理平臺超前模擬危險性較大的專項施工方案。車站主體結構與附屬結構間地連墻的拆除方案模擬過程中，根據實際施工工藝、工區(qū)劃分與分層拆分的方案，調整BIM模型的顆粒度及區(qū)段拆分，模擬每層結構的澆筑、地連墻的切割與拆除以及后澆帶的填補。通過地連墻的拆除方案模擬，完成其連續(xù)切割步驟方案的優(yōu)化，明確地連墻吊取方式及臨時支架的排布，同時提升了整體BIM模型的精細度。

4 結論

以城市軌道交通工程建設中的數字化技術研究與應用為目標，依托寧波軌道交通某地下車站土建工程，進行了基于BIM技術的協(xié)同施工管理平臺研發(fā)搭建、應用及現場施工配合等工作，有效提高了城市軌道交通施工建設管理的數字化水平，為建筑信息模型在城市軌道交通施工中的應用提供了技術支持，還為今后BIM技術在城市軌道交通施工管理的應用拓寬了道路。主要成果如下：

1)搭建B/S端協(xié)同施工管理平臺，開發(fā)基于BIM技術的可視化業(yè)務系統(tǒng)，并在進度管控、專項施工方案的報審及現場安全文明質量檢查等方面進行應用，有效提高了信息共享及業(yè)務流轉效率。

2)結合工點項目的實際施工需求，應用BIM技術搭建模型，實現圖模對照糾錯，施工深化設計，可視化場地布置、管線及交通遷改、超規(guī)模專項施工方案的模擬。

3)基于BIM技術在現場施工中的應用，對無人機傾斜攝影點云建模、GIS技術、Web端非輕量化的模型閃現等BIM+技術進行了拓展研究。

通過試點應用，獲得了豐富的平臺協(xié)同應用的經驗，在平臺建設與開發(fā)過程中亦走過不少彎路，在今后需要在以下方面進行改進:制定需求目標,特別是充分溝通對接與現場的施工需求，同時應密切對接開發(fā)功能的展示與落地;施工模型不是越細越好，要以進度計劃為主，以便在建模時一次成型，避免重新分割與組建;BIM技術的落地需激發(fā)主要參與方的主動性，積極思考與深入探討B(tài)IM技術應用，減少現場施工配合的工作量;在城市軌道交通全線或多站廣泛應用該協(xié)同施工管理平臺時，提前考慮建模與數據交付等標準的制定。