基于BIM的建設項目全生命周期工程管理系統設計與應用

李敬中，李勁松，雷海燕，喬 樁，鄭云水

（1. 中國鐵路北京局集團有限公司 站房工程項目管理部，北京 100071；2. 中國鐵路北京局集團有限公司 建設部，北京 100089；3. 蘭州交通大學 自動化與電氣工程學院，蘭州 730070）

隨著全國鐵路建筑工區數量和建筑規模的不斷擴大，工程項目也朝著大型化、復雜化的方向發展。全生命周期數據集成管理的理念被引入建設工程項目管理中，并取得了一定成效。但是，這種管理模式需要應用先進的計算機技術，完成建設工程項目過程信息的數字化表達，支撐建設過程及運維過程所產生的大量的記錄、存儲、共享管理工作等數據。建筑信息模型（BIM，Building Information Modeling）技術借助特定軟件，不僅可以創建工程信息三維模型，而且可以應用于整個項目的全生命周期管理中。

近年來，BIM技術越來越多地進入土建工程領域，在建筑市場的使用率從2007年的28%提高到71%[1]。Iyer-Raniga等人[2]采用建筑節能建模軟件，開發出用于澳大利亞地區住宅建筑的全生命周期管理框架。Hoeber等人[3]提出一種開放標準的工程項目設施的全生命周期管理方法，該方法通過采用BIM技術、對象類型庫等手段，并通過荷蘭基礎設施項目實踐證明了其可行性。在國內鐵路建設項目中，BIM技術得到了廣泛應用。張建平等人[4]分析我國工程施工現場的特點，設計了建筑施工使用的BIM建模系統和四維項目管理軟件。高永剛等人[5]將BIM技術應用在杭州東站站房建設工程項目中，設計的BIM很好地反映了站房工程結構復雜的空間關系，提高了施工方案的制訂效率。曾紹武等人[6]在研發地鐵四維管理系統時，通過BIM技術實現了地鐵車站的三維可視化建模、施工過程模擬、施工動態監測、四維動態基面沉降監測等功能。歐陽業偉等人[7]研究了BIM技術在地鐵工程中應用，如施工過程模擬、虛擬建造技術、施工進度管理等；并結合具體應用，驗證了該方法的可行性。

上述研究都提出了針對鐵路工程項目中施工管理階段的解決方案，但對鐵路工程項目從可行性報告、初步設計，到竣工完成、設備運維管理等過程，并未提出一個完備的總體解決方案，因此，鐵路工程項目的全生命周期管理研究還有很大的探索空間。基于以上分析，本文提出了一種基于BIM的建設項目全生命周期工程管理系統，并通過具體的工程實例來驗證該系統的實用價值。

1 基礎模型管理

工程項目生命周期管理（PLM，Product Life-Cycle Management）指從工程項目的需求開始，到工程項目淘汰報廢的全部生命歷程。而整個工程又可以拆解成獨立的設備，工程的健康狀態取決于各類設備的健康狀態。待各類設備投入運營后，設備的工作狀態與設備基礎模型創建鏈接，實時更新設備模型的健康狀態，從而實現對工程項目的健康狀態監測。在工程項目的全生命周期管理中，獨立設備的基礎模型為工程項目的全生命周期管理提供基礎數據來源。基礎模型管理將歷經建立模型、模型審查及深化改建這3個階段。

本文以北京局集團公司豐臺站工程站房改建項目為例，分析基于BIM技術的基礎模型管理（簡稱：基礎模型管理）的可行性。該項目具有工程建設體量龐大、涉及專業繁多、大跨度大截面預應力梁施工等難點，因此，模型的準確性、可修改性及聯動性是該項目至關重要的需求。本文將從基礎模型管理的3個階段進行說明。

1.1 模型建立

基礎模型管理采用Rhino+Grasshopper和Revit+Dynamo進行模型參數化節點編程，其結果如圖1所示。北京豐臺站工程站房改建項目共開發了11個參數化程序包，實現了模型的參數化輔助正向設計。基礎模型管理節省了大量的重復工作，提高了模型的準確度和時效性。北京豐臺站的基礎模型主要有站房模型和信號設備模型，這些模型的結構信息將根據實際應用進行組合或分解。基礎模型管理對這些模型采用模塊化的方式進行存儲。另外，對于一些模型無法表達的信息，基礎模型管理采用平面圖形、附件、影像等形式，作為附加信息補充到模型數據庫。

圖1 部分站房設施模型

（1）站房建筑模型

站房建筑必須標記出設備相關機房、道岔、軌道等名稱；房屋模型的外觀、尺寸及布局要與實際情況保持一致，且標記房間、信號設備室、設備電源室等名稱，其空間位置與實際情況保持一致。站場模型必須與實際站場或設計圖紙保持一致，道岔的類型、數量、位置、連接關系也要與實際站場或設計圖紙保持一致。部分站房設施模型，如圖1所示。

（2） 信號設備模型

信號設備模型必須包含但不限于空間位置、連接關系、組成、配線等基本數據。信號設備模型可根據專業設備的功能及其不同用途，增加工程空間屬性數據、設備安裝說明與規范文件等非幾何信息，但要求增加的信息必須符合系統數據結構或接口規則的要求。已建立部分信號設備模型，如圖2所示。

圖2 信號設備模型

1.2 模型審查

對模型進行渲染著色可以更直觀地顯示站房建筑、信號設備等設施的布局結構，使相關人員能夠方便地進行模型審查。與此同時，相關人員還可以利用各類審圖軟件輔助進行模型審查，以查驗站房建筑、信號設備等模型是否滿足BIM技術的幾何數據要求。

1.3 模型深化改建

在施工過程中，如果相關部門對模型功能或空間結構提出調整要求，那么BIM技術的聯動性能夠快速地進行模型的調整和更新，實現了模型的相關數據“一動而全動”，即整體調整和更新。

2 全生命周期工程管理系統

建筑項目全生命周期管理的核心在于工程項目的設備所產生的有效信息能夠為項目自身的建設和管理提供數據支持。基于BIM的建設項目全生命周期工程管理系統（簡稱：工程管理系統）的結構如圖3所示。

圖3 基于BIM技術的全生命周期工程管理系統結構

2.1 標準制訂

北京局集團公司豐臺站改建項目覆蓋多個領域，不同領域之間又存在信息交互，因此，標準規范化技術的制訂能夠避免數據集成時出現歧義。本文參照已有建筑的相關標準和規范，制訂了《北京豐臺站鐵路站房信息模型設計標準》《鐵路站房信息模型建設技術標準》《施工階段BIM標準》《鐵路站房信息模型深化應用標準實施方案》等4套標準。

2.2 協同共享機制

為了實現各軟件之間數據的統一交流轉換，工程管理系統采用3種共享平臺進行模型處理，為幾何模型與非幾何信息的讀取和傳輸提供支持，實現數據的協同共享。

（1）Cars BIM

Cars BIM可對模型進行輕量化處理，并在處理過程中分析模型數據，從而提高模型的加載和運行速率。Cars BIM將不同模型形成統一格式的輕量化模型文件。

（2）移動端App

移動端App支持38種軟件格式，可以實現進度管理可視化、施工分區管理、工程量快速統計、二維模型和三維模型聯動、圖紙–模型對比、模型集成等功能。

（3）共有云

共有云作為全生命周期工程管理系統的子系統之一，為工程項目的建設和管理提供一個數據共享平臺，可用于數據的上傳、讀取等功能。共有云常用于工地自建信息化系統，實現現場人員配置、施工設施狀態、工程進度等精細化管理，并與建設單位監測系統、管理及運維系統無縫集成。

2.3 建設管理系統

2.3.1 工程組織管理

在工程建設期間，工程組織管理分為進度管理和安全風險管理兩大類。

（1）進度管理：施工組織進度管理的核心是要抓住工程建設的關鍵路線及關鍵任務，對重難點項目開展施工組織預警，增強施工組織“紅線”分級管控。同時，施工組織進度管理按照日、周、月、年等時間單位填寫電子施工日志，并以此為依據進行工程項目進度追蹤和預警，以及進度實時對比分析和動態調整。

（2）安全風險管理：通過無人機在鐵路沿線飛行拍攝，采集沿線違章建筑物、工程進度等施工現場信息，并與進度計劃進行對比。安全風險管理通過對工程特殊部位（深基坑、高支模、鋼結構吊裝等）關鍵風險點進行實時監控量測，實現智能三維可視化預警預報。

工程組織管理以施工組織管理和關鍵線路節點控制為主要目標，將整個工程逐層按照工程實體和工作任務進行分解，同時結合工程特點和應用需求編制科學的施工組織計劃；以安全管理紅線和管理規定的內容為依據，重點圍繞危大風險源識別、過程管控進行全方位管理，對重大風險源、設備、環境設施進行實時動態監控，實現三維可視化的自動預警預報。

2.3.2 施工數據采集

建筑垃圾的再生利用已成為全世界共同關心的課題，也是工程界研究的熱點問題之一。發達國家尋求環境保護和可持續發展的重要途徑是建筑垃圾的資源化，不少國家通過立法來保證建筑垃圾的回收再利用。日本、美國以及歐洲各國在政策、技術和應用等方面起步較早，且比較成熟。目前我國在此方面與發達國家相比滯后，其中對再生混凝土有了一定的研究[1-4]，但對于再生細骨料的應用研究很少，大多還處于探索研究階段，且利用率很低。

施工現場將設置以下子系統，實現施工數據的實時采集，并將數據傳輸至工程信息管理平臺進行集成。

（1）視頻動態監控子系統：施工場區分別在出入口、辦公區、主體施工作業區、隱蔽工程區等重點區域部署監控設施，以實現對施工現場的全方位監控。

（2）人員勞務實名制子系統：通過“人臉識別+指紋識別”的方式，對出入施工現場的人員進行實名認證，并準確記錄是其出入時間。

（3）綠色施工子系統：主要依托自動化監測設備，對施工區域的風向、溫度、濕度、顆粒物濃度（PM2.5、PM10）等環境參數進行全天侯測量并記錄相關數據。同時，綠色施工系統還能夠聯動霧炮噴淋系統，對施工現場進行有效的降塵處理，提高施工人員的施工環境。

（4）塔吊防碰撞子系統：實時監控塔機吊重、起重力矩、變幅、工作轉角、吊鉤位置、作業風速等參數，并對塔機的自身限位、干涉碰撞、禁行區域進行全面監控，實現塔機行或多塔單機運作業防碰撞的實時監控與聲光預警，為操作員及時采取正確的處理操作給予正確提示。

（5）施工場地動態管理子系統：建立五維施工資源模型，對施工現場的施工資源實現實時監控和動態管理，對施工進度相對工程量和施工資源進行成本的動態查詢和統計分析，提高施工項目管理水平和成本控制能力。

（6）疫情監測子系統：新冠肺炎疫情防控不僅需要全民參與，更需要數據支撐。疫情檢測系統通過大數據及體溫自動測量設備，對施工人員進行體溫檢測。

2.4 數字運維系統

建筑運維管理是對建筑相關設備的運營過程進行維護。結合實際應用，數字運維系統分為3個層級：可視化平臺、功能模塊、數據庫。功能模塊包括設備巡檢、設備故障預警和設備故障診斷，其中，設備故障預警和設備故障診斷對基層數據庫調用的數據進行分析，其分析結果在可視化平臺中展示。數字運維系統的結構如圖4所示。

圖4 數字運維系統結構

（1）設備巡檢

（2）設備故障預警

依據模型的設備信息及地理信息系統（GIS，Geographic Information System）的定位信息，設備故障預警功能實現了對運維階段設備健康狀況的持續跟蹤，并對可能出現的故障類型提前預警。

（3）設備故障診斷

設備故障診斷與設備故障預警功能相似，所不同的是，設備故障診斷針對故障發生后的情況。系統能夠快速地分析數據庫中數據，及時準確地對設備的故障類型、影響范圍、維修方案等做出判斷。

2.5 運維模型轉換

當工程竣工交付時，相關人員會進行虛擬模型信息的核對，保證虛擬模型與現場實際的施工內容一致，并確保模型所提供信息的準確性。施工單位根據虛擬模型完成施工模型，經過一系列的模型轉換，最后生成運維模型。

交付模型包含方案設計、造價、建設過程等與運維系統無關的數據。這些數據增加了模型的數據量，因此在轉入運維系統前，模型數據需要進行篩選和錄入，并轉化為運維模型。依據運維模型的相關數據，數字運維系統中實現了對工程設備的健康狀態進行實時監控。運維模型轉換過程如圖5所示，由模型重組、創建視點、系統分類和屬性優化4個部分組成。

圖5 運維模型轉換過程

（1）模型重組：對竣工模型的組織結構、歸屬劃分等信息進行重新編輯和整理，以便與相應的管理軟件進行數據共享的有效對接。

（2）創建視點：根據運維管理系統可視化的需求，在站房模型中建立了合理數量的視點。

（3）系統分類：在Revit竣工模型導入模型文件時，幕墻、噴淋口等構件容易產生分類不正確的問題。因此，在運維模型導入前，技術人員對模型逐一進行標識。導入后，模型信息分類的準確性可以通過搜索功能進行檢查。

（4）屬性優化：從Revit竣工模型導入模型文件后，模型屬性需要重新編輯和校對，以達到優化的目的。

3 系統應用

以北京局集團公司豐臺站工程站房改建項目為例，該工程項目總建筑占地面積約為47.52萬m2，站場總規模為11臺19線，包括建筑、給排水、電氣、信號等專業設備。應用本文設計的系統，實現了以下目標[8]。

（1）工程項目可視化管理

BIM不僅能夠將傳統二維圖紙信息轉化為三維模型信息，而且能夠將二維圖紙中表達的信息在三維模型中真實展示。這彌補了二維圖紙信息在空間定位方面的欠缺，實現了數據的三維直觀可視化效果，進而為虛擬建造與運維提供信息化的產品與服務。

（2）設備狀態實時監測

通過讀取設備安裝的傳感器，設備運行狀態數據可以通過數據共享平臺實時傳輸至BIM數據庫中，并利用可視化工具實現設備運行及監控狀態的實時監控。

（3）巡檢任務跟蹤管理

運維人員使用移動端或服務器進行數據同步，對發現異常的設備進行記錄并采集圖像，填寫巡檢記錄，最終完成巡檢任務的兌現。技術人員通過對比設備的三維模型、原始圖像與現場提供的巡檢圖像和報告，進行故障原因分析并維修。

4 結束語

本文研究了BIM在鐵路工程項目的應用，提出基于BIM的建設項目全生命周期工程管理系統設計與應用方案，滿足鐵路行業的信息化、智能化發展需求，解決了工程項目在建設及運維時期的可視化、信息集成、協同化等方面存在的問題，為實現安全、高效、經濟的項目管理方式提供了新思路。但是，BIM技術在工程項目的應用還需解決宏觀到微觀多層次統一協調、長達10年的項目時間內持續準確地采集與存儲自動化信息等難題，這將是本文接下來的研究重點。