基于BIM的施工管理平臺(tái)應(yīng)用研究

范志強(qiáng)，孟 飛，楊 斌，解亞龍，劉 偉

（1. 北京經(jīng)緯信息技術(shù)有限公司，北京 100081；2. 中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 電子計(jì)算技術(shù)研究所，北京 100081；3. 中國(guó)國(guó)家鐵路集團(tuán)有限公司 工程管理中心，北京 100026）

隨著我國(guó)鐵路的快速發(fā)展，鐵路工程的建設(shè)任務(wù)逐年增加，為了對(duì)鐵路建設(shè)項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)精細(xì)化管控[1]，正在鐵路行業(yè)中全面推廣信息化管理，同時(shí)引進(jìn)了BIM技術(shù)作為重要的管理手段，實(shí)現(xiàn)鐵路工程建設(shè)高效、快速和便捷的全過(guò)程管理[2-3]。

鐵路工程施工建設(shè)涉及進(jìn)度管控、安質(zhì)可控、成本預(yù)控等多項(xiàng)內(nèi)容。目前，各相關(guān)單位僅利用BIM技術(shù)進(jìn)行單方面的管理，沒(méi)有進(jìn)行信息共享和協(xié)同管理，因此，搭建統(tǒng)一的鐵路工程施工建設(shè)信息化、智慧化、人機(jī)交互化管理應(yīng)用施工管理平臺(tái)迫在眉睫且勢(shì)在必行[4]。

1 平臺(tái)建設(shè)

1.1 建設(shè)目標(biāo)

鐵路施工管理平臺(tái)（簡(jiǎn)稱(chēng)：平臺(tái)）以BIM技術(shù)為核心，對(duì)鐵路工程建設(shè)過(guò)程中的進(jìn)度、成本、質(zhì)量、安全等方面實(shí)行動(dòng)態(tài)的全過(guò)程管理[5]。整個(gè)系統(tǒng)采用B/S結(jié)構(gòu)，以施工進(jìn)度為主線，以數(shù)據(jù)信息為基礎(chǔ)，以成本控制為核心，實(shí)現(xiàn)了企業(yè)的實(shí)時(shí)、多地區(qū)、多節(jié)點(diǎn)管理。

1.2 建設(shè)原則

施工管理平臺(tái)構(gòu)建過(guò)程中，遵循開(kāi)放指導(dǎo)原則，強(qiáng)調(diào)以施工人員為中心，廢除固定的、呆板的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)[6]，在學(xué)習(xí)進(jìn)度和教學(xué)信息的呈現(xiàn)形式上能給施工人員更多的自主控制權(quán)。建立系列化、流程化的施工指導(dǎo)流程，構(gòu)建完整的施工知識(shí)體系，使平臺(tái)能夠適應(yīng)不同認(rèn)知特征用戶的需求。

由于施工建筑形式多樣、狀況復(fù)雜，因此，平臺(tái)構(gòu)建時(shí)注重信息呈現(xiàn)及交互功能的靈活性，即圍繞同一狀況，設(shè)計(jì)多種不同起點(diǎn)，不同路徑的展示模式，提供多次展示機(jī)會(huì)，做出不同的判斷和抉擇，引導(dǎo)施工人員獲得多方面的理解和認(rèn)識(shí)。

為保證平臺(tái)與其它系統(tǒng)兼容，并便于后期進(jìn)行內(nèi)容擴(kuò)展和技術(shù)升級(jí)，整個(gè)系統(tǒng)的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)遵照國(guó)家規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)和有關(guān)行業(yè)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)[7]。

1.3 平臺(tái)特色

依據(jù)規(guī)范化的鐵路工程建設(shè)施工項(xiàng)目知識(shí)體系，建立系列化、流程化、閉合管理的施工日常指導(dǎo)和操作，實(shí)現(xiàn)鐵路工程建設(shè)項(xiàng)目全生命周期內(nèi)、不同崗位內(nèi)的施工管控、質(zhì)量把控、成本和周期可控的統(tǒng)一完整性。

平臺(tái)操作堅(jiān)持以操作方便、界面簡(jiǎn)潔、直觀為目標(biāo)，集成智能流程可視化，避免重復(fù)操作。

2 平臺(tái)架構(gòu)

2.1 平臺(tái)總體架構(gòu)

系統(tǒng)整體采用B/S模式，具有良好的跨平臺(tái)性能。系統(tǒng)架構(gòu)采用分層設(shè)置，如圖1所示。

圖1 平臺(tái)總體架構(gòu)

（1）系統(tǒng)的訪問(wèn)層通過(guò)瀏覽器、智能終端等不同方式進(jìn)行平臺(tái)訪問(wèn)。

（2）應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)具體業(yè)務(wù)功能，可以按需求提供訪問(wèn)層進(jìn)行調(diào)用。

（3）服務(wù)層為系統(tǒng)運(yùn)行提供支撐。

（4）數(shù)據(jù)層存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)分為模型數(shù)據(jù)、施工過(guò)程管理數(shù)據(jù)兩類(lèi)。

（5）通過(guò)核心技術(shù)BIM+GIS實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的可視化展示。

2.2 平臺(tái)技術(shù)架構(gòu)

2.2.1 技術(shù)架構(gòu)

從技術(shù)角度出發(fā)，施工管理平臺(tái)分為4層，如圖2所示，分別為感知層、網(wǎng)絡(luò)層、平臺(tái)層和應(yīng)用層。

圖2 平臺(tái)技術(shù)架構(gòu)

（1）感知層：運(yùn)用RFID技術(shù)、視頻監(jiān)控技術(shù)、傳感器技術(shù)，收集施工現(xiàn)場(chǎng)的信息，為平臺(tái)提供數(shù)據(jù)。

（2）網(wǎng)絡(luò)層：是系統(tǒng)內(nèi)部各子系統(tǒng)之間信息交換的載體，將感知數(shù)據(jù)傳輸至各子系統(tǒng)進(jìn)行歸類(lèi)、存儲(chǔ)、分析。

（3）平臺(tái)層：通過(guò)運(yùn)用云計(jì)算、云存儲(chǔ)、云渲染、網(wǎng)絡(luò)安全等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)鐵路工程建設(shè)過(guò)程中的安全質(zhì)量、施工進(jìn)度、施工過(guò)程、成本等方面的管理。

（4）應(yīng)用層：利用Web圖形展示技術(shù)、多客戶端適應(yīng)技術(shù)、組件化技術(shù)、內(nèi)容管理技術(shù)等形成系統(tǒng)應(yīng)用，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)工程的可視化、流程化管控，提高工程建設(shè)質(zhì)量，保障工程建設(shè)進(jìn)度，降低安全風(fēng)險(xiǎn)，節(jié)約建設(shè)成本。

平臺(tái)采用基于.Net框架的結(jié)構(gòu)形式，根據(jù)用戶已有服務(wù)器所運(yùn)行的操作系統(tǒng)和工作環(huán)境，采用Microsoft.net或Mono.net運(yùn)行庫(kù)。系統(tǒng)的三維場(chǎng)景瀏覽、交互及功能發(fā)布采用3D虛擬現(xiàn)實(shí)引擎——Unity3D 5.5.0f3 進(jìn)行開(kāi)發(fā)。

2.2.2 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換與通信主要針對(duì)各類(lèi)數(shù)據(jù)交換接口進(jìn)行設(shè)計(jì)。

（1）客戶端與服務(wù)器之間的通信

客戶端與服務(wù)器端的通信方式有2種，如圖3所示：（1）用于網(wǎng)絡(luò)同步而進(jìn)行的3D場(chǎng)景數(shù)據(jù)的交換；（2）用于支持仿真系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)和保證仿真正常進(jìn)行的數(shù)據(jù)交換。具體形式，如圖3所示。

圖3 客戶端與服務(wù)器端通信

（2）服務(wù)器端與數(shù)據(jù)庫(kù)、文件系統(tǒng)之間的通信

數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)中保存著系統(tǒng)運(yùn)行所需的各類(lèi)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，服務(wù)器利用系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)接口對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行操作，如圖4所示。資源文件以文件系統(tǒng)的形式保存在服務(wù)器計(jì)算機(jī)的磁盤(pán)中，服務(wù)器通過(guò)自身的文件讀寫(xiě)系統(tǒng)與這些資源文件進(jìn)行交互與通信。此外，為保證對(duì)各類(lèi)資源文件的協(xié)調(diào)、統(tǒng)一管理，在數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)中以元數(shù)據(jù)的形式，對(duì)磁盤(pán)上的資源文件進(jìn)行統(tǒng)一管理與分類(lèi)。

圖4 服務(wù)器與數(shù)據(jù)庫(kù)、文件系統(tǒng)的通信關(guān)系

2.2.3 客戶端系統(tǒng)執(zhí)行流程

客戶端是用戶與系統(tǒng)交互的主要人機(jī)界面，其系統(tǒng)操作流程，如圖5所示。

圖5 客戶端執(zhí)行流程

3 系統(tǒng)功能

平臺(tái)對(duì)工程項(xiàng)目計(jì)劃、進(jìn)度、3D可視化、圖紙發(fā)放、變更設(shè)計(jì)、勞務(wù)用工、施工對(duì)接、登記、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范等進(jìn)行全面綜合管理；縱向貫穿學(xué)習(xí)、娛樂(lè)、分派、施工、竣工等方面控制，以及3D可視化、沉浸式交互、虛擬仿真等要素。

施工管理平臺(tái)針對(duì)鐵路施工建設(shè)實(shí)際需求，搭建13個(gè)模塊，具體情況，如圖6所示。

（1）電子沙盤(pán)

融合BIM和傾斜攝影模型，實(shí)現(xiàn)真實(shí)場(chǎng)景展示瀏覽，如圖7所示；實(shí)現(xiàn)構(gòu)筑物基本信息查詢(xún)和快速定位、屬性關(guān)聯(lián)（包括幾何屬性和非幾何屬性、檢驗(yàn)批、日志、工程影像、工程量等信息）、項(xiàng)目進(jìn)度查看、光照分析、具體構(gòu)件的工藝工法查看等功能。

（2）碰撞檢測(cè)

對(duì)重難點(diǎn)工程或關(guān)鍵部位模型進(jìn)行碰撞檢測(cè)，預(yù)先排查出相關(guān)碰撞，提高圖紙審核質(zhì)量，避免因圖紙問(wèn)題影響施工。

（3）3D技術(shù)交底

圖6 施工管理平臺(tái)模塊列表

圖7 電子沙盤(pán)頁(yè)面

利用3D可視化技術(shù)協(xié)助施工現(xiàn)場(chǎng)管理人員實(shí)現(xiàn)技術(shù)交底，實(shí)現(xiàn)技術(shù)交底由2D向3D的轉(zhuǎn)換，能夠消除接受交底人員對(duì)交底內(nèi)容理解的偏差。以更加直觀的方式展示施工方法和施工順序，減少信息傳遞過(guò)程的丟失，保障施工質(zhì)量。

（4）4D施工模擬

通過(guò)錄入的施工計(jì)劃，通過(guò)與模型的關(guān)聯(lián)，進(jìn)行重難點(diǎn)施工的模擬和優(yōu)化，解決施工難點(diǎn)，驗(yàn)證施工計(jì)劃編制的合理性，確保安全合理進(jìn)行施工。

（5）虛擬樣板

對(duì)重要施工節(jié)點(diǎn)進(jìn)行施工交底時(shí)，通過(guò)高精度的3D BIM模型更加形象化的對(duì)細(xì)節(jié)進(jìn)行展示，同時(shí)取代施工現(xiàn)場(chǎng)搭建樣板的工作，起到占用空間小、節(jié)約施工場(chǎng)地、節(jié)省材料和人工、可重復(fù)利用、減少成本的目的。

（6）工藝工法

對(duì)鐵路各專(zhuān)業(yè)工藝工法進(jìn)行形象、可視化展示，指導(dǎo)施工人員對(duì)于施工重點(diǎn)難點(diǎn)快速了解和熟悉，解決施工進(jìn)度問(wèn)題，同時(shí)規(guī)范化施工流程和施工安全。在工藝工法上，添加每個(gè)施工項(xiàng)目的視頻，以動(dòng)畫(huà)模擬方式具體描述施工內(nèi)容。詳細(xì)介紹每個(gè)施工環(huán)節(jié)的注意事項(xiàng)。

（7）施工過(guò)程管理

對(duì)施工過(guò)程中的施工方案、人員變更、設(shè)計(jì)變更等進(jìn)行規(guī)范，做到可追溯。

（8）施工臺(tái)賬

對(duì)施工過(guò)程中的施工臺(tái)帳，自動(dòng)生成日、月、年進(jìn)度，對(duì)工程進(jìn)度進(jìn)行管理，實(shí)現(xiàn)可控管理。

（9）圖紙管理

對(duì)圖紙進(jìn)行臺(tái)賬管理，隨時(shí)更新圖紙信息，替換已作廢的圖紙，同時(shí)記錄變更的詳細(xì)信息，實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目全生命周期的圖紙有序可追溯管理。

（10）無(wú)人機(jī)巡檢

在電子沙盤(pán)頁(yè)面中設(shè)計(jì)無(wú)人機(jī)飛行路線和飛行時(shí)間，實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)對(duì)工地進(jìn)行日常拍照檢查，對(duì)施工進(jìn)度、施工質(zhì)量和安全進(jìn)行日常抽查管控。

（11）隱患排查

實(shí)現(xiàn)安全質(zhì)量管理，通過(guò)Web端和App端對(duì)施工過(guò)程存在的安全隱患進(jìn)行排查和處理。根據(jù)隱患類(lèi)別及危害程度，對(duì)不同級(jí)別的隱患進(jìn)行管理和響應(yīng)[8]。各項(xiàng)隱患的排查、響應(yīng)、整改、消除，各環(huán)節(jié)形成閉環(huán)，實(shí)現(xiàn)質(zhì)量安全隱患全面徹底排查、及時(shí)治理消除，預(yù)防可能導(dǎo)致質(zhì)量安全事故或者工程重要使用功能受損發(fā)生的人的不安全行為、物的危險(xiǎn)狀態(tài)、環(huán)境影響因素、質(zhì)量和管理上的缺陷。

（12）施工進(jìn)度管理

實(shí)現(xiàn)施工進(jìn)度協(xié)同管理，根據(jù)填報(bào)的計(jì)劃進(jìn)度，自動(dòng)生成甘特圖，并與模型相關(guān)聯(lián)，進(jìn)行任務(wù)包分派和任務(wù)閉環(huán)，實(shí)時(shí)、系統(tǒng)地解決施工進(jìn)度管理問(wèn)題[9-10]。

（13）工程量統(tǒng)計(jì)

即成本管理，實(shí)現(xiàn)工程量與模型的掛件和統(tǒng)計(jì)，通過(guò)BIM信息，進(jìn)行成本預(yù)算、管理和核算，高效有序進(jìn)行數(shù)據(jù)多方比對(duì)管理，提高項(xiàng)目效益。

4 結(jié)束語(yǔ)

基于BIM的施工管理平臺(tái)已在多個(gè)工程項(xiàng)目上應(yīng)用，以BIM+GIS的手段實(shí)現(xiàn)了施工建設(shè)項(xiàng)目的可視化效果，為管理人員提供了直觀的項(xiàng)目信息查看；通過(guò)信息化的手段對(duì)施工過(guò)程進(jìn)行管理，規(guī)范了管理方法，細(xì)化了管理力度，減少了信息在各單位、各部門(mén)之間傳遞過(guò)程中產(chǎn)生的偏差。提高施工建設(shè)管理效率約30%，為鐵路工程施工建設(shè)提供了有效的管理工具。

依托具體項(xiàng)目對(duì)施工管理平臺(tái)的應(yīng)用，通過(guò)電子沙盤(pán)可視化的展示了工程的建設(shè)特點(diǎn)，如圖8所示，為管理者的決策提供了更有效的支撐。

圖8 施工進(jìn)度在沙盤(pán)中展示效果

通過(guò)對(duì)施工過(guò)程全過(guò)程、全方位的管理，實(shí)現(xiàn)了鐵路工程建設(shè)由傳統(tǒng)的管理向信息化管理的轉(zhuǎn)化，由2D圖紙向3D BIM的轉(zhuǎn)變。為鐵路工程信息化建設(shè)積累了經(jīng)驗(yàn)，驗(yàn)證了信息化在鐵路工程的實(shí)用性、有效性，見(jiàn)證了對(duì)質(zhì)量、安全、進(jìn)度管理的精細(xì)化和高效化。