智能建造下鐵路施工技術的應用

譚希學 裴雪雯

北京建筑大學，中國·北京 102600

1 引言

隨著現(xiàn)代鐵路運輸業(yè)的蓬勃發(fā)展，傳統(tǒng)的鐵路施工技術已無法滿足建造的需要，在信息與科技的推動下，智能建造已成為全球鐵路建設的主流方向。智能建造是集智能化、信息化為一體的新型鐵路建造模式，其全面涉及鐵路施工建設的全過程，是鐵路單位實現(xiàn)轉(zhuǎn)型升級的關鍵措施[1]。因中國智能建造起步較晚，故當前智能建造領域仍處于探索階段，缺乏系統(tǒng)性的技術創(chuàng)新。鐵路企業(yè)的技術創(chuàng)新多存在于建設項目中，由于建設項目與建材生產(chǎn)區(qū)域存在離散性，導致技術創(chuàng)新率較低、技術人員對鐵路施工項目創(chuàng)新的關注度較低，此外智能建造的社會推行方面存在“標簽化”現(xiàn)象，導致人們將智能建造單純地理解為走捷徑、抄襲；項目管理者在自我主觀意識上缺少精益求精的工作精神，未能真正用發(fā)展的思維去正確看待智能建造問題，在整體策劃方面，缺乏對其技術的頂層規(guī)劃與統(tǒng)籌，科研經(jīng)費投入量較少，未能將技術與產(chǎn)業(yè)實現(xiàn)有機融合[2]。在具體的技術研發(fā)上，當前智能建造在實現(xiàn)網(wǎng)絡系統(tǒng)控制與工序自動化方面還存在諸多不足。針對智能建造在發(fā)展中所存在的不足，鐵路相關管理部門將打破傳統(tǒng)的發(fā)展模式，針對智能建造在鐵路施工中所遇到的壁壘，提出解決措施，為鐵路建造的智能化發(fā)展提供支持與幫助。

2 中國和其他國家在智能建造領域的發(fā)展及研究現(xiàn)狀

智能建造領域在鐵路工程建設方面的應用在全球范圍內(nèi)已開啟，其他國家高速鐵路運行逐漸形成了以日本（新干線）、法國（TGV）及德國（ICE）為模式的智能鐵路建設運營系統(tǒng)。中國雖在智能領域起步較晚，但隨著近幾年信息技術的不斷提高，逐漸形成了具有中國特色的智能建造應用體系。

2.1 其他國家智能鐵路建造發(fā)展現(xiàn)狀分析

基于20世紀德國鋼鐵行業(yè)與采礦業(yè)的飛速發(fā)展，帶動鐵路運輸業(yè)邁向了更高臺階，鐵路的發(fā)展對交通起著重要作用，促進了科學技術、采礦、機械制造等重工業(yè)的發(fā)展，利于國防的建設及中國經(jīng)濟的發(fā)展[3]。當前德國已逐步實現(xiàn)BIM鐵路規(guī)劃戰(zhàn)略。2014年，德國鐵路建設工程發(fā)起了向全歐國家針對新建造項目管理的招標，決定將5D BIM新型技術應用于鐵路建設項目的設計、規(guī)劃與虛擬過程中，正式開啟了應用5D BIM智能化數(shù)字管理平臺的全新之路。在后期諸多項目的建設與擴建中應用了該項技術。例如，F(xiàn)ilstai大橋、德國城際高鐵等。法國作為西歐老牌鐵路運行強國，尤為重視軌道建設與相關設備的科技化、信息化應用。2015年，法國鐵路管理部門率先提出了數(shù)字化法鐵實施戰(zhàn)略，著重發(fā)展路網(wǎng)、列車、站點的信息化建設。預計將在2040年為客戶建造一個具有發(fā)展?jié)摿Γ瑫r具備便捷及競爭力的鐵路項目，且與運輸相結(jié)合的智能化鐵路運輸系統(tǒng)。日本是第一個在全國范圍內(nèi)推行鐵路智能建造的國家，在2011年均已實現(xiàn)鐵路公共工程的信息化及智能化管理，以鐵路建設項目的全過程為依托，以鐵路建設質(zhì)量為核心，實現(xiàn)所有信息的無紙化及線上網(wǎng)絡信息的傳遞，提高當前的生產(chǎn)效率，壓縮建造成本，實現(xiàn)收益的最大化[4]。JR東日本鐵路建設單位提出“智能技術制造長期發(fā)展計劃”，其目的是實現(xiàn)營銷、強化服務、降低養(yǎng)護成本等方面的目標，最終實現(xiàn)國家鐵路的智能化運行。

2.2 中國鐵路智能建造發(fā)展現(xiàn)狀

隨著國際上發(fā)達國家鐵路智能建造戰(zhàn)略的實施與推行，中國也相繼頒布了“互聯(lián)網(wǎng)+”“人工智能”等一系列實質(zhì)性的發(fā)展規(guī)劃與政策，在當下需求與政策的大力推動下，智能化信息技術被逐步引入工業(yè)制造與生產(chǎn)的各個環(huán)節(jié)，全面引領智能建造技術在鐵路工程建造業(yè)中的廣泛應用。智能化建造技術為未來鐵路部門建造的轉(zhuǎn)型升級提供了新方向，并在工程的設計、結(jié)構及建造管理等領域取得了良好的社會效益與經(jīng)濟效益。隨著中國鐵路運輸行業(yè)的快速發(fā)展，中國高速鐵路已邁入一個全新發(fā)展的黃金時代，在鐵路軌道建設方面取得了傲人的成績，已進入世界鐵路先進行列，其中一部分技術已領先世界水平，逐漸形成了擁有自主知識產(chǎn)權及特色的高鐵智能化管理體系。中國高鐵運行部門大力推進鐵路建設的系統(tǒng)化升級，將新一代的人工智能引進軌道建設領域，強調(diào)與明確了鐵路局與國家鐵路建設單位及運行單位的關系，對工程監(jiān)督機構進行重新調(diào)整與優(yōu)化，堅決落實軌道交通建造的主體責任[5]。2013年，在充分分析與實地調(diào)研其他國家相關鐵路建造先進管理理念與技術后，重新確立了中國鐵路建設的智能化建設總方針，即以當代鐵路施工項目的總體設計、建造及維護為管理目標，以標準化的平臺管理為抓手，以實行BIM為整體工程的建設核心，建立全面、開放的鐵路智能化運行平臺。當前，“智能京張”鐵路建設項目已竣工，川藏鐵路建設項目勢在必行，中老等鐵路項目的成功建造讓“中國制造”更好地走向世界舞臺，充分展示著中國鐵路的驕傲。隨著智能化建造技術在鐵路建設與運行領域的不斷應用與推廣，智能技術將推動高鐵建造的升級換代，不斷提高建設施工的智能化水平與工程質(zhì)量。未來將推動智能化技術在其他工業(yè)制造領域的發(fā)展，使之融合CIM等現(xiàn)代化技術，從而打破傳統(tǒng)鐵路設計、施工建設及管理領域的溝通屏障，構建一體化高鐵建設新征程，最終實現(xiàn)鐵路運行數(shù)據(jù)的共享及智能化服務管理，為推動鐵路運輸行業(yè)的發(fā)展奠定堅實基礎。

3 智能建造下鐵路施工技術應用思路探究

3.1 鐵路施工項目建設特點

鐵路項目工程的建設是一項龐大、系統(tǒng)性的工程，具有以下特點：

①項目建設時間長、參建單位多，因此在組織協(xié)同工作上存在一定難度；

②對建造設備、技術、檔案管理等要求較高，接口較多，造成在實際的技術管理中存在困難；

③現(xiàn)場施工環(huán)境復雜，工程質(zhì)量風險責任重大；

④項目建設期投資、質(zhì)量、外部協(xié)調(diào)的控制水平，與工程建設的順利推進存在密切聯(lián)系[6]。

基于上述鐵路建設特點，相關部門亟需打通傳統(tǒng)建設與智能化建設的窗口。

3.2 管理體系的構建

以中國上海鐵路局集團為例，該單位在鐵路項目施工建設中，存在參建與監(jiān)管單位多等特點，并根據(jù)此建立了項目建設單位為主、層次分明的鐵路項目施工管理制度：

①應用與研究管理小組，討論并分析出鐵路項目施工建造的總體實施計劃。明確了在項目建設過程中的工作范圍、工作重點；

②項目施工研究應用小組，制定并推動智能化建造方案；

③建設生產(chǎn)小組，整個項目建設的技術、設計、檢測、監(jiān)督等現(xiàn)場智能建造的具體落實及應用。

3.3 施工技術管理體系的構建

針對鐵路施工建設難度大、風險點多等特點，將鐵路項目工程的建設具體細分為建設規(guī)范、施工設計、鐵路運行及養(yǎng)護管理等4個不同階段。針對不同建造階段中的不同施工環(huán)節(jié)，以BIM為建設基礎，利用智能建造的知、感、傳及控，不斷優(yōu)化人與物之間的聯(lián)系，實現(xiàn)對建設項目的智能化控制，確保鐵路建設工程能夠在安全的基礎上實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)推進，顯著提升鐵路施工的建設水平（見圖1）。

圖1 智能化鐵路建設管理系統(tǒng)

3.4 智能建造下鐵路施工的實施路徑

通過對項目的工期、效益、安全及質(zhì)量等數(shù)據(jù)資料的模擬分析及虛擬建造，以實現(xiàn)鐵路工程的信息共享及協(xié)同管理為目標，最終實現(xiàn)對整個項目的精益化管理，為儲備專業(yè)性技術人才奠定基礎。

4 關鍵技術的預測

智能信息化技術在鐵路項目的建造中全面依托雷達、衛(wèi)星等載體，并在圖紙的設計過程中借助物聯(lián)網(wǎng)技術及3D虛擬技術，對現(xiàn)使用的技術進行深化與創(chuàng)新，不斷突破傳統(tǒng)技術的壁壘，優(yōu)化當前的作業(yè)方式，努力實現(xiàn)項目建造信息資源的共享與服務，未來鐵路項目施工預測如下：

4.1 遙感大數(shù)據(jù)

基于海、陸、空為一體的信息網(wǎng)絡建設工程，對大量、異構數(shù)據(jù)進行智能化分析。通過掌握更多地遙感觀測原始數(shù)據(jù)，并融合先進的大數(shù)據(jù)智能化解析系統(tǒng)，幫助工作人員在大量的數(shù)據(jù)中能夠準確、快速地提取到相關地質(zhì)、水文信息，為鐵路施工的前期勘察提供更準確的客觀數(shù)據(jù)，推動工程項目的實施。

4.2 基于BIM協(xié)同設計

依托當前的智能化信息技術，實現(xiàn)鐵路施工建設的多方面協(xié)同設計，實現(xiàn)對施工過程的模擬建造，使得項目設計過程更加形象化，更好的發(fā)現(xiàn)鐵路施工過程中各個環(huán)節(jié)所存在的問題及安全隱患，對工藝布置實施升級與優(yōu)化，可極大提升項目的整體設計水平與質(zhì)量，減少建設成本，提升工程質(zhì)量。

4.3 信息智能化設計數(shù)據(jù)庫

通過建立與完善“鐵路項目工程智能化設計數(shù)據(jù)庫”，完善鐵路施工項目的設計朝著“智能化”“一體化”方向發(fā)展，將實地勘察的成果進行數(shù)字化共享，并建立和完善專家經(jīng)驗數(shù)據(jù)庫及分析中心等，根據(jù)鐵路施工項目的具體情況，并結(jié)合專家經(jīng)驗與共識，為項目的設計提供精準的數(shù)據(jù)支撐，減少物力及人力成本，降低施工勘探的風險[7]。

5 智能建造實施過程的技術支撐

5.1 建立與完善鐵路施工項目的信息化管理平臺

以當前中國鐵路總公司的項目管理系統(tǒng)為基礎，設置施工項目管理機構、參建單位為一體的綜合管理平臺，實現(xiàn)對鐵路施工項目的數(shù)據(jù)挖掘、收集、分析，同時開展對易出現(xiàn)安全隱患環(huán)節(jié)的嚴格管控，強化項目的整體管理水平，統(tǒng)籌現(xiàn)有資源，提升項目管理的綜合使用效率。

5.2 以信息化技術為依托實現(xiàn)對項目建設的過程化管理

5.2.1 采用BIM技術優(yōu)化整體規(guī)劃布局

在鐵路項目建設的初級階段，充分采用BIM技術對輔助生產(chǎn)區(qū)域、生活區(qū)域進行嚴格的實地勘察分析，依據(jù)“永臨結(jié)合”的原則，對所規(guī)劃布局進行優(yōu)化，同時在項目建設的過程中要做好對施工環(huán)節(jié)的動態(tài)調(diào)整，滿足項目施工的需要。在中國城際鐵路建設項目過程中，將谷歌地圖與BIM技術相融合，建立模擬梁場的模型，通過不斷整合最終實現(xiàn)對相關設備的合理化布局（見圖2）。

圖2 中國徐宿淮鹽城際鐵路

5.2.2 采用物聯(lián)網(wǎng)技術加強對質(zhì)量源頭的控制

物聯(lián)網(wǎng)起源于傳媒領域，是信息科技產(chǎn)業(yè)的第三次革命，是指通過信息傳感設備，按約定的協(xié)議，將制定的物體與信息網(wǎng)絡相結(jié)合，物體通過信息媒介的傳遞與交換，實現(xiàn)智能化的定位、跟蹤功能。鐵路施工中采用物聯(lián)網(wǎng)技術能夠?qū)崿F(xiàn)對建造構件與原材料的生產(chǎn)、發(fā)貨、庫存、物流跟蹤等全過程的智能化管控。信息化在鐵路施工相關管理中遵循憑證化與標識化原則，能夠?qū)崿F(xiàn)對項目施工建設全過程的追蹤，從源頭實施對產(chǎn)品質(zhì)量的控制。在中國徐鹽鐵路項目中，實驗室、物料倉信息化管理平臺，可實現(xiàn)對拌合站試驗檢測等關鍵環(huán)節(jié)的全程監(jiān)控，實現(xiàn)危險源的遠程預警，確保項目建設工程所使用的混凝土滿足項目建設的需要[8]。

5.2.3 采用智能化技術加強對施工技術的管理

堅持“分級驗收、試驗現(xiàn)行”的工藝實施原則及“以點帶段、亮點輻射”的工藝方法，對鐵路施工項目中的難點開展工序模擬建造。在鐵路隧道工程建設中使用激光點云技術，自動生成三維建模，通過對其尺寸差異進行分析，不斷優(yōu)化建設施工工藝，打造高品質(zhì)項目工程（見圖3）。

圖3 鐵路隧道施工現(xiàn)場

5.2.4 基于BIM鐵路施工建造技術的深化運用

以中國正盤臺、八達嶺鐵路隧道工程為依托，對建設工程BIM的施工與建設平臺進行綜合開發(fā)與利用，使得項目施工進度、質(zhì)量及安全等信息共享化、可視化，實現(xiàn)項目管理者對其施工全過程的精細化智能管理。中國清華園隧道使用BIM技術，實現(xiàn)了對鐵路隧道鋪設的遠程控制，大大降低財力、物力的投入，降低建造成本[9,10]。

6 結(jié)語

在中國鐵路管理相關單位的積極參與下，智能施工建造技術被逐步引入鐵路項目的建設中，通過對該項技術的不斷深入挖掘與探索，實現(xiàn)了對鐵路全過程的資源共享與整合，成為鐵路施工與運行的重要基礎。未來隨著科技的不斷變革，智能建造技術將會在現(xiàn)有的基礎上不斷深化與進步，推動該項技術向著縱深方向發(fā)展，在深入了解新時期智能建造的發(fā)展走向后，緊緊圍繞當下鐵路建設的需要，努力實現(xiàn)在鐵路施工智能設計、工具、平臺等方面的創(chuàng)新，使中國鐵路運輸行業(yè)領先世界。