基于建筑信息模型技術的鐵路建設管理系統設計

李逸群，祝曉紅，陳云龍

（1.中鐵電氣化（武漢）設計研究院有限公司，湖北武漢 430074；2.中鐵武漢電氣化局集團有限公司，湖北武漢 430074；3.青島大學機電工程學院，山東青島 266071）

1 引言

隨著我國經濟的快速發展、人民群眾交通出行需求的日益增長，鐵路作為重要的現代交通運輸工具，建設規模不斷擴大。與此同時，鐵路建設過程中存在的施工管理混亂、智能化程度不足、各部門專業難以協同等問題，嚴重制約著整個鐵路建設產業的發展進步。如何推進鐵路建設管理的信息化、智能化，以實現鐵路建設工程產業的轉型升級、提質增效，成為目前亟待解決的問題。

建筑信息模型（Building?Information?Modeling，BIM）技術作為新興的建筑工程信息化技術，可將信息融入實體模型之中，通過信息在模型中的集成流轉，將建筑設計、施工及后期運營維護等相關環節聯系起來，實現對各個階段的精細化管理，還能實現項目實施各階段的相關方在一個平臺上協同作業。其具有可視化、協調性、模擬性、優化性、可出圖性等優點，可在提高生產效率、節約成本和縮短工期方面發揮重要作用。

基于此，本研究以集成化管理與協作理念作為主要理論依據，在深入分析系統搭建需求及可行性的基礎上，將BIM技術引入鐵路建設項目管理中，構建基于BIM技術的鐵路建設管理系統，設計各模塊功能，以期使各參建單位清楚了解鐵路建設項目全過程、進行有效的決策支持、開展多目標綜合管理，從而達到提高管理效率、保證施工進度和質量的目的。

2 系統需求及可行性分析

2.1 需求分析

為保證所設計鐵路建設管理系統的可用性、有效性，研究人員在設計之前對鐵路建設管理的實際需求進行了分析，總結出如下具體需求。

（1）完整的系統管理體系。鐵路建設管理系統首先應該是一個完整的體系，除包含用戶登錄、修改密碼等基礎功能之外，還應該具有全面的系統維護、人員調整等設置功能，良好的頁面跳轉反應，以及對用戶命令的及時回應能力。

（2）優秀的數據處理能力。在鐵路建設管理工作中需要處理海量數據，并對不同數據進行分類整理，因此要求鐵路建設管理系統具有強大的信息存儲能力，能夠及時地對數據進行分類，并隨時對相關項目信息進行檢索。

（3）強大的數據展示能力。為提供清晰的項目報表以確保項目管理工作的順利進行，鐵路建設管理系統應能夠將項目名稱、總設計量、剩余量、日期、產值等內容生成清晰的業務報表或者柱狀圖，方便管理人員了解項目內容并做出調整；此外，還應具有模型展示功能，以便為非專業人士直觀地展示項目內容。

2.2 可行性分析

可行性分析是以全面、系統的分析為主要方法，以經濟效益為核心，圍繞影響鐵路建設管理系統構建的各種因素，論證其是否可行。本文將從經濟、技術、操作3方面進行可行性分析。

（1）經濟可行性。經濟可行性是所有其他可行性的基礎。在本設計中所使用的一些開發工具，包括編程語言、數據庫等，全都是免費開源使用的；設計與開發所需參考的大量資料可從互聯網上免費查閱。因此，開發鐵路建設管理系統在經濟性上是可行的。

（2）技術可行性。對于系統的開發，開發語言為Java語言，數據庫采用MySQL數據庫，設計模式為模型-視圖-控制器（MVC）模式，組建模式使用瀏覽器/服務器（B/S）模式；對于3D模型的構建與展示，采用BIM技術建模，并通過three.js平臺實現BIM模型在瀏覽器上的查看。上述涉及的關鍵技術均為應用較成熟的技術，因此具有技術上的可行性。

（3）操作可行性。鐵路建設管理系統設計的最終目標是用戶無需安裝其他軟件，只需要打開瀏覽器就能使用該系統，查看、修改系統內容。該系統的使用簡單明了，具有可操作性。

3 系統設計

3.1 總體設計

基于BIM技術的鐵路建設管理系統的總體設計如圖1所示。

圖1 基于BIM技術的鐵路建設管理系統總體設計

該系統的整體工作流程依次為基礎信息維護、數據采集、數據匯總和模型呈現4部分。該系統通過項目管理、計劃管理、組織機構管理、模型管理、圍巖等級管理、工序模板管理、權限管理、報表管理等，對鐵路建設項目的數據進行統一的采集、整理、分析，并將不同的數據分配給綜合模板、隧道展板、橋梁展板、路基展板、軌道展板等進行展示，最終實現綜合管理。

3.2 模塊設計

根據上一章的系統需求分析，鐵路建設管理系統分為六大模塊，即系統用戶管理模塊、基礎信息模塊、系統設置模塊、計劃進度模塊、業務處理模塊、業務報表模塊，如圖2所示。

圖2 系統模塊設計示意圖

3.3 功能設計

基于BIM技術的鐵路建設管理系統各模塊功能如下。

（1）?系統用戶管理模塊。該模塊包含2個子模塊：管理員用戶子模塊，用于添加管理員信息，包括添加新的用戶名和密碼，只有超級管理員有權限使用此功能；修改密碼子模塊，所有管理員均有權限使用此子模塊。用戶信息已提前存入數據庫中，管理員通過輸入用戶名、密碼、驗證碼登錄，如果信息匹配則正確登錄，并跳轉到首頁。

（2）?基礎信息模塊。基礎信息模塊包括項目維護、組織架構及人員管理3個子模塊。其中，項目維護子模塊包含項目唯一識別碼、項目簡稱、項目簡介、開始及結束時間等項目相關基本信息，支持多項目集中維護，多項目信息既相對獨立又可共享；組織架構子模塊可存儲并維護公司內部所有部門信息，支持從其他業務系統接入以及其他業務系統通過應用程序界面（API）接口共享訪問，為企業后期業務系統集成提供了統一的數據管理模型；人員管理子模塊包括工作人員的個人基礎信息，如序號、姓名、身份證號、所屬單位、職稱等，支持個人修改自己的相關信息。

（3）?系統設置模塊。系統設置模塊包括菜單設置與用戶維護2個子模塊，菜單設置子模塊可以有針對性地對項目信息進行修改、刪除或查詢，項目信息包括項目名稱、所屬系統、頁面跳轉路徑等；用戶維護子模塊可以對用戶信息進行修改、刪除或查詢，用戶信息包括登錄名、名稱、權限類型等。

（4）?計劃進度模塊。計劃進度模塊包含4個子模塊，分別是計劃進度、施工計劃、年度計劃和年度上報。計劃進度子模塊可以實時查詢不同施工項目的工作進度；施工計劃子模塊用于記錄施工計劃的具體細節，包括計劃名稱、計劃天數、開始時間、結束時間、實際天數、實際結束時間等，通過采用主流的編制方式，可以快速地定義任務中的主要參數；年度計劃子模塊能夠以年為單位對各項目的總體計劃進行記錄和查看，其記錄內容與施工計劃子模塊類似；年度上報子模塊是對本年度工作內容的匯總，可直觀地記錄本年度的工作情況。

（5）?業務處理模塊。業務處理模塊包括價格處理、系統設置與模型展示3個子模塊。價格處理子模塊可對施工相關價格進行修改、刪除及查看；系統設置子模塊中，用戶可以自定義工序步驟，并對工序步驟設置權重比例，方便根據實際施工進度和權重比例進行報表統計；模型展示子模塊用于展示和查看BIM模型，該子模塊利用three.js平臺搭建BIM模型瀏覽器，由于three.js平臺是在瀏覽器上運行的，因此無需安裝其他軟件，簡單便于操作。BIM模型展示界面如圖3所示。

圖3 BIM模型展示界面

（6）?業務報表模塊。業務報表模塊包含形象進度、產值分析、產值匯總3個子模塊，可進行多維度統計分析、產值數據柱狀圖分析，用圖表實現分析結果的可視化。其中，柱狀圖展示依賴jfreechart包實現，生成的柱狀圖如圖4所示。

圖4 業務報表模塊生成的柱狀圖

此外，查詢功能是每個模塊具有的基本功能。管理員僅需輸入待查找項目相關的一條信息，點擊查詢按鈕，當前頁面就會顯示查詢結果；管理員可對查詢到的內容進行刪除、修改、查看等，并可選取信息導出excel表格，以便對信息進行存儲和發送。

3.4 數據庫設計

數據庫設計是系統設計的重要環節。好的數據庫設計應該具備以下要素：充分利用內存空間，保護被存儲的數據。

數據庫設計步驟為：先根據需求分析階段做出的用例圖、用例描述、順序圖，對系統數據庫進行概要設計、詳細設計；然后做出數據庫表的詳細信息和數據庫關系圖，分析表與表之間的關系；最后根據不同數據庫表的不同參數，設計對應的數據類型。

基于BIM技術的鐵路建設管理系統的數據庫表包括管理員登錄表、項目維護表、組織架構表、人員管理表、菜單設置表、用戶維護表、計劃進度表、施工計劃表、年度計劃表、年度上報表、系統設置表、模型上傳表、形象進度表、產值分析表等。

表1展示了管理員登錄表相關的參數定義。

表1 管理員登錄表

4 系統測試

測試是系統開發的最后一步，也是關鍵性一步，為系統交付提供重要保障。

4.1 測試設計

基于BIM技術的鐵路建設管理系統測試設計流程如下。

（1）?制定系統的測試計劃，包括緊急情況下的應急策略，以保證整個實驗過程在控制之中。

（2）?圍繞鐵路建設管理這一中心，制定每個功能模塊的測試方案，以輔助后期用例的設計和項目進度的推進。

（3）?為每個功能模塊編寫各自的測試用例，包括登陸測試、修改密碼測試、管理員權限測試、添加照片測試等。

（4）?搭建測試環境，執行測試。

4.2 測試總結

本測試主要針對系統的使用者——管理員展開，分別對系統各個模塊的功能進行測試，內容包括登陸、修改密碼、管理員權限、添加照片、導出列表、照片上傳等功能測試，涉及的文件格式包括.pdf和.docx。經過測試，以上模塊功能均能實現。

5 結語

本研究構建的鐵路建設管理系統以BIM技術作為主要支撐，不僅使用three.js平臺搭建BIM模型瀏覽器，而且覆蓋鐵路建設工程管理的各方面。目前，此系統設計的功能均已基本實現，下一步還將從以下方面對其進行完善：第一，完善模型展示子模塊的功能，在上傳功能的基礎上增加操作功能，并實現在系統中對BIM模型的查看（目前只能在網頁上查看）；第二，提高系統的安全性，如制定代碼編寫安全規范，防止編譯數據庫時的數據錯誤、數據意外丟失等。