楊海貝
(浙江杭海城際鐵路有限公司,浙江 海寧 314400)
BIM(Building Information Modeling)為建筑信息模型[1-2],定義由3 部分組成:(1)BIM 是設(shè)施(建設(shè)項(xiàng)目)物理和功能特性的數(shù)字表達(dá);(2)BIM 是共享的知識(shí)資源,是分享有關(guān)這個(gè)設(shè)施的信息,為該設(shè)施從建設(shè)到拆除的全生命周期中的所有決策提供可靠依據(jù)的過(guò)程;(3)在項(xiàng)目的不同階段,不同利益相關(guān)方通過(guò)在BIM 中插入、提取、更新和修改信息,以支持和反映其各自職責(zé)的協(xié)同作業(yè)。目前,很多科研機(jī)構(gòu)和院所學(xué)者對(duì)BIM 進(jìn)行了大量的探索和應(yīng)用發(fā)展,主要包括:斯坦福大學(xué)首次提出用于施工管理的4D 模型,開(kāi)發(fā)了可借助于4D 功能直觀顯示工程潛在問(wèn)題的CIFE4D-CAD 系統(tǒng)[3];Rad 提出了建筑物在時(shí)間維度上發(fā)生屬性變化的BIM 維護(hù)模型[4];Bensalah 等從定性的角度總結(jié)了BIM 技術(shù)在鐵路建設(shè)中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì),如決策支持、施工進(jìn)度監(jiān)控、輔助管理與運(yùn)維等[5];Salman 從定量的角度論述了使用BIM 技術(shù)帶來(lái)的效益,如減少7%的工期等[6];Smith 表示BIM 技術(shù)在鐵路建設(shè)中的應(yīng)用是長(zhǎng)期過(guò)程[7]。相比于國(guó)外,我國(guó)的BIM 技術(shù)研究起步較晚。張建平等人開(kāi)發(fā)了4D-GCPSU 系統(tǒng),該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了施工場(chǎng)地和可視化管理、施工資源管理、進(jìn)度管理和可視化模擬等功能[8];陸寧等人通過(guò)對(duì)施工企業(yè)信息資源識(shí)別、提取、加工、管理、利用,分析構(gòu)建了基于BIM 技術(shù)的信息資源利用系統(tǒng)[9];2014-2017年,中國(guó)鐵路BIM 聯(lián)盟相繼組織編寫和發(fā)布的《鐵路工程信息模型分類和編碼標(biāo)準(zhǔn)》(鐵路IFD)[10]和《鐵路工程信息模型數(shù)據(jù)存儲(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)》(鐵路IFC)[11]初步形成國(guó)內(nèi)鐵路工程建設(shè)BIM 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系。
本文依托杭州至海寧城際鐵路(簡(jiǎn)稱杭海城際鐵路),從工程實(shí)踐應(yīng)用BIM 出發(fā),建立基于BIM 建設(shè)管理平臺(tái)總體框架,對(duì)BIM 技術(shù)在數(shù)字鐵路建設(shè)中的困難和挑戰(zhàn)進(jìn)行了系統(tǒng)的研究,并提出建議。
杭海城際鐵路是全國(guó)首條采用直流120 km/h開(kāi)行大站快車、站站停兩種運(yùn)行組織模式的、跨不同地級(jí)行政區(qū)的都市圈城際軌道交通線路。線路全長(zhǎng)46.38 km,設(shè)有12 座車站。
杭海城際BIM 應(yīng)用以“數(shù)字建造,智慧管理”為目標(biāo),對(duì)BIM 管理流程,模型技術(shù),資產(chǎn)及交付制定統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn);搭建包含二、三維設(shè)計(jì),多維度協(xié)同參與的建設(shè)管理平臺(tái);組建專業(yè)的數(shù)字化團(tuán)隊(duì),通過(guò)信息的智能采集、大數(shù)據(jù)分析和自動(dòng)化應(yīng)用,實(shí)現(xiàn)對(duì)項(xiàng)目的科學(xué)設(shè)計(jì)、智慧建造。
杭海城際鐵路BIM 標(biāo)準(zhǔn)體系由4 個(gè)層次組成,如圖1所示。除行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)外,杭海城際鐵路在BIM應(yīng)用中編制了企業(yè)標(biāo)準(zhǔn),分別是杭海城際鐵路BIM模型交付標(biāo)準(zhǔn)、杭海城際鐵路BIM 應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)和杭海城際鐵路項(xiàng)目智慧建造管理平臺(tái)管理辦法。

圖1 杭海城際鐵路BIM 標(biāo)準(zhǔn)體系圖
OA 是面向組織的日常運(yùn)作和管理、員工及管理者使用頻率最高的應(yīng)用系統(tǒng)。自1985年國(guó)內(nèi)召開(kāi)第一次辦公自動(dòng)化規(guī)劃會(huì)議以來(lái),OA 在應(yīng)用內(nèi)容的深度與廣度、IT 技術(shù)運(yùn)用等方面都有了新的變化和發(fā)展,現(xiàn)已成為組織不可缺的核心應(yīng)用系統(tǒng)。SOA 是一種組件模型,它的接口是中立的、松耦合的,既保證了系統(tǒng)靈活性,還可以保證“服務(wù)”的重復(fù)利用。SOA 從本質(zhì)上改變了OA 的應(yīng)用模式,即從單一應(yīng)用轉(zhuǎn)變?yōu)榫C合應(yīng)用,從軟件系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)檐浖脚_(tái),讓OA 煥發(fā)了全新的生命力,成為企業(yè)的信息化神經(jīng)中樞和指揮平臺(tái)。
利用BIM、GIS 與OA、SOA 融合的多層架構(gòu),采用C/S和B/S混合模式,以BIM數(shù)據(jù)模型為信息中樞,SOA 為服務(wù)主線,建立多層次服務(wù)組合的杭海城際鐵路建設(shè)管理系統(tǒng),如圖2所示。建設(shè)管理系統(tǒng)依次分為用戶層、業(yè)務(wù)層、應(yīng)用層、數(shù)據(jù)層。

圖2 杭海城際鐵路建設(shè)管理總體框架圖
用戶層是用戶可以通過(guò)移動(dòng)端平臺(tái)(PAD、手機(jī))、Web 或虛擬網(wǎng)絡(luò)等方式對(duì)基于BIM 的杭海城際鐵路建設(shè)管理平臺(tái)進(jìn)行訪問(wèn),實(shí)現(xiàn)基于智能終端、瀏覽器、調(diào)度指揮大屏的協(xié)同管理,并且滿足鐵路辦、集團(tuán)/公司、設(shè)計(jì)單位、施工單位、監(jiān)理單位、設(shè)備單位、運(yùn)維單位(軌運(yùn)集團(tuán))等多用戶的業(yè)務(wù)服務(wù)需求。
業(yè)務(wù)層是用戶通過(guò)SOAP 協(xié)議發(fā)出服務(wù)請(qǐng)求,通過(guò)Web 服務(wù)接口在注冊(cè)中心查找定位相應(yīng)的服務(wù),調(diào)取服務(wù)并對(duì)服務(wù)執(zhí)行處理,將執(zhí)行結(jié)果反饋給用戶,實(shí)現(xiàn)用戶層的交互業(yè)務(wù)。通過(guò)OA 系統(tǒng),將業(yè)務(wù)目標(biāo)轉(zhuǎn)換為業(yè)務(wù)模型,完成各種業(yè)務(wù)交互服務(wù),實(shí)現(xiàn)杭海城際鐵路工程建設(shè)業(yè)務(wù)集成融合管理和協(xié)同管理。
應(yīng)用層是以服務(wù)總線的方式,為基于BIM 的杭海城際鐵路建設(shè)中各種異構(gòu)信息系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)可靠、穩(wěn)定的共享服務(wù)和應(yīng)用服務(wù)。應(yīng)用層主要包括:WebGL、HTML5、ActiveX、HOOPS/3DAF、OA 辦公系統(tǒng)、認(rèn)證授權(quán)、GIS 服務(wù)、短信服務(wù)、接口服務(wù)、知識(shí)庫(kù)等。
數(shù)據(jù)層是建設(shè)管理過(guò)程中采集、存儲(chǔ)和處理各類數(shù)據(jù)資源及公用基礎(chǔ)編碼體系,實(shí)現(xiàn)對(duì)杭海城際鐵路工程建設(shè)中基礎(chǔ)公共信息、模型數(shù)據(jù)信息和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)信息的綜合管理。通過(guò)對(duì)各階段離散的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信息采集,基于編碼技術(shù)將數(shù)據(jù)進(jìn)行抽象提取、清洗整合,形成規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的公用基礎(chǔ)數(shù)據(jù),建立BIM 數(shù)據(jù)庫(kù)、GIS 數(shù)據(jù)庫(kù)、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫(kù)等,實(shí)現(xiàn)工程建設(shè)集中化、規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化管理。
自2017年以來(lái),杭海城際鐵路搭建了基于BIM數(shù)據(jù)全生命周期的“平臺(tái)+模型+數(shù)據(jù)庫(kù)”的系統(tǒng)架構(gòu)。通過(guò)將設(shè)計(jì)階段BIM 模型輸出的文件格式進(jìn)行轉(zhuǎn)換,該系統(tǒng)架構(gòu)可實(shí)現(xiàn)模型與屬性數(shù)據(jù)分離儲(chǔ)存,對(duì)模型賦予全壽命周期唯一性識(shí)別碼,將唯一性識(shí)別碼與屬性數(shù)據(jù)唯一映射。此外,該架構(gòu)還遵從設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)維各個(gè)階段的數(shù)據(jù)編碼習(xí)慣,將施工和運(yùn)維階段采集數(shù)據(jù)與相應(yīng)階段編碼進(jìn)行關(guān)聯(lián),只需將各階段的數(shù)據(jù)編碼體系與上述的全壽命周期唯一性識(shí)別碼進(jìn)行映射關(guān)系處理,便可實(shí)現(xiàn)BIM 數(shù)據(jù)在全壽命周期的無(wú)損傳遞和可視化溯源。
杭海城際鐵路通過(guò)傾斜攝影形成全線GIS 模型,并采用InfraWorks 對(duì)航測(cè)模型進(jìn)行精細(xì)化加工,生成周圍三維環(huán)境模型。三維環(huán)境模型帶寬為線路中心線兩側(cè)300 m,以期為場(chǎng)地研究提供詳實(shí)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。通過(guò)輕量化技術(shù)將傾斜攝影與BIM 模型進(jìn)行融合,得到BIM 模型在三維環(huán)境中的關(guān)系,對(duì)場(chǎng)地進(jìn)行研究比較,得到最佳場(chǎng)地方案設(shè)計(jì)。
杭海城際鐵路車站BIM 設(shè)計(jì)堅(jiān)持施工圖設(shè)計(jì)與建模同步實(shí)施,積極探索多專業(yè)高效協(xié)同設(shè)計(jì)技術(shù),全面應(yīng)用IFD、IFC 等標(biāo)準(zhǔn),完成了涵蓋土建、機(jī)電管綜等多專業(yè)的車站綜合模型。模型精度均不低于LOD300,滿足了施工階段的要求。依據(jù)土建模型深化優(yōu)化的機(jī)電管綜模型,經(jīng)完成施工專業(yè)拆分工作后,將BIM 模型輕量化后上傳至建設(shè)管理平臺(tái),從而為杭海城際鐵路建設(shè)管理平臺(tái)施工階段應(yīng)用提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。
通過(guò)漫游視頻與三維模型的形式查看各專業(yè)的碰撞、設(shè)備附件的安裝位置,以及構(gòu)件的屬性信息。利用該設(shè)計(jì)模型,發(fā)現(xiàn)并解決了12 個(gè)車站施工前的1 880 處碰撞問(wèn)題,減少在建筑施工階段可能存在的錯(cuò)誤損失和返工的可能性,并且優(yōu)化凈空,優(yōu)化管線排布方案。
“杭海城際鐵路建設(shè)管理平臺(tái)”是杭海公司精細(xì)化管理的抓手,其核心是工程數(shù)據(jù)的采集、共享、協(xié)同。平臺(tái)以BIM 信息為載體,結(jié)合輕量化、移動(dòng)互聯(lián)、云計(jì)算等技術(shù),將BIM 與管理業(yè)務(wù)相結(jié)合,打通項(xiàng)目參與方在建設(shè)階段的信息孤島,為各方共享信息,協(xié)同工作提供便利。同時(shí),該平臺(tái)結(jié)合移動(dòng)互聯(lián)技術(shù),令工程管理觸手可及。杭海公司統(tǒng)籌管控工程進(jìn)度、投資、質(zhì)量、安全、文明施工、信息數(shù)據(jù),做到“五控一管”,使得項(xiàng)目建設(shè)可控制、可預(yù)知、可溯源。平臺(tái)包括3 個(gè)應(yīng)用系統(tǒng):企業(yè)總控管理系統(tǒng)、工程協(xié)同管理系統(tǒng)、監(jiān)測(cè)信息管理系統(tǒng),應(yīng)用系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)能夠相互傳遞及共享。
傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)資料交付采用紙質(zhì)文檔和光盤結(jié)合的線下交付模式,文件交付后歸檔困難,設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)信息利用率低[12]。杭海城際鐵路在BIM 模型設(shè)計(jì)中,遵循全壽命周期管理理念,建立超高模擬度模型,將施工過(guò)程、周圍環(huán)境等全要素進(jìn)行融合,采用松耦合Web 技術(shù),實(shí)現(xiàn)基于BIM+為協(xié)同設(shè)計(jì)源頭的二、三維一體化設(shè)計(jì)交付到數(shù)字化施工,達(dá)到建設(shè)全過(guò)程持續(xù)迭代優(yōu)化。
通過(guò)接口開(kāi)發(fā),實(shí)現(xiàn)對(duì)原有項(xiàng)目中設(shè)施設(shè)備的數(shù)據(jù)聯(lián)通,達(dá)到智能預(yù)警、三維聯(lián)動(dòng)和數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)控的效果,全面提高安防等級(jí),加強(qiáng)應(yīng)急能力。借助國(guó)際前沿的FM 管理理念,將線下工作數(shù)字化、流程化,通過(guò)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)工單的自動(dòng)派發(fā),對(duì)任務(wù)和人員實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一高效的管理。杭海城際鐵路建設(shè)的BIM 運(yùn)維平臺(tái)將實(shí)現(xiàn)BIM 運(yùn)維管理的移動(dòng)化、可視化和智能化,可以在Web 瀏覽器、PAD 和手機(jī)上進(jìn)行快速查看和任務(wù)處理,真正實(shí)現(xiàn)了移動(dòng)辦公、輕松辦公、智能辦公。
鐵路建設(shè)具有體量大、周期長(zhǎng)等特點(diǎn),導(dǎo)致在項(xiàng)目建設(shè)期間出現(xiàn)人員流動(dòng)性較大、崗位調(diào)整頻繁等問(wèn)題。因此,在項(xiàng)目建設(shè)期間會(huì)多次培訓(xùn)、返工、核查,即使BIM 團(tuán)隊(duì)及時(shí)發(fā)現(xiàn)并整改培訓(xùn),積極跟進(jìn)BIM 技術(shù)的應(yīng)用,但仍會(huì)出現(xiàn)人員BIM 技術(shù)水平參差不齊的情況,致使BIM 技術(shù)在項(xiàng)目中推廣難以達(dá)到預(yù)期效果。當(dāng)前BIM 應(yīng)用中存在的問(wèn)題主要包括:
(1)參建單位多,BIM 管理難度高
杭海城際鐵路BIM 實(shí)施價(jià)值的充分發(fā)揮,需包括建設(shè)單位在內(nèi)的設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)理、供應(yīng)商等多方共同協(xié)作完成各自BIM 實(shí)施工作。但各參與方BIM 水平參差不齊,使得保證參與方BIM 水平都能滿足技術(shù)要求的管理難度較大。
(2)推進(jìn)過(guò)程中圖模不一致
各參與方不能很好地配合及缺乏標(biāo)準(zhǔn)化管理體系導(dǎo)致BIM 價(jià)值無(wú)法充分發(fā)揮。設(shè)計(jì)階段BIM 模型和設(shè)計(jì)圖紙不一致現(xiàn)象嚴(yán)重,錯(cuò)誤的BIM 模型帶來(lái)很多負(fù)面效益,形成惡性循環(huán);施工階段不能有效依托BIM 模型管理現(xiàn)場(chǎng)施工,造成BIM 模型和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際不一致,極大弱化了BIM 工作的意義。
(3)推進(jìn)過(guò)程中BIM 標(biāo)準(zhǔn)不易落地
實(shí)際運(yùn)用中BIM 團(tuán)隊(duì)制定了相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),但建模人員卻不一定能夠根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)建模運(yùn)用,比如構(gòu)件命名、設(shè)備編號(hào)、坐標(biāo)設(shè)置、圖紙表達(dá)等。前期基礎(chǔ)工作沒(méi)有按照既有規(guī)則設(shè)置,導(dǎo)致后期數(shù)據(jù)處理、指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工、各單位協(xié)同工作時(shí)出現(xiàn)各種問(wèn)題。
(4)推進(jìn)過(guò)程中協(xié)同效率低,時(shí)間成本高
杭海城際鐵路項(xiàng)目專業(yè)繁多,接口復(fù)雜,加之在BIM 技術(shù)推進(jìn)的初級(jí)階段,設(shè)計(jì)工作三維化,工作任務(wù)的繁重與城際鐵路嚴(yán)格的進(jìn)度要求存在著客觀矛盾,協(xié)作已然成為工程建設(shè)最關(guān)鍵的掣肘,工程建設(shè)中由于協(xié)作不便造成了返工、錯(cuò)誤、窩工。降低協(xié)同成本,提高協(xié)同效率勢(shì)在必行。
BIM 的理念和技術(shù)雖已在國(guó)內(nèi)外得到實(shí)踐應(yīng)用,但仍面臨諸多困難和挑戰(zhàn)。從整體趨勢(shì)而言,BIM 必將經(jīng)歷一個(gè)不斷進(jìn)步持續(xù)發(fā)展的過(guò)程。BIM 應(yīng)用推廣過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題,正是行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)不完善、缺乏協(xié)同管理、建設(shè)期內(nèi)數(shù)據(jù)斷層所造成的。基于以上問(wèn)題,本文給出了BIM 應(yīng)用中的一些建議,主要包括:
(1)多方多專業(yè)協(xié)同,增強(qiáng)各階段協(xié)作
BIM 能成為資源共享庫(kù),不是一個(gè)企業(yè)、一個(gè)軟件或平臺(tái)所能實(shí)現(xiàn)的,應(yīng)在多方多專業(yè)協(xié)同,積極響應(yīng)國(guó)家號(hào)召,在相關(guān)法律法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)政策的引導(dǎo)下,加快企業(yè)內(nèi)部轉(zhuǎn)型建設(shè)而完成的。同時(shí),建設(shè)單位可聯(lián)合設(shè)計(jì)單位、施工單位、運(yùn)維單位以及軟件開(kāi)發(fā)商成立專業(yè)BIM 項(xiàng)目管理團(tuán)隊(duì),制定內(nèi)部BIM 數(shù)據(jù)共享標(biāo)準(zhǔn)、研發(fā)集成管理平臺(tái),逐漸實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目各參與方之間的數(shù)據(jù)共享。良好的管理模式是實(shí)現(xiàn)BIM 數(shù)據(jù)共享的前提,讓設(shè)計(jì)單位、施工單位、運(yùn)維單位等基于相互信任的基礎(chǔ),實(shí)現(xiàn)共贏,達(dá)成共享意識(shí)。
(2)完善BIM 技術(shù)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)
新技術(shù)的發(fā)展需通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化制度化的管理和約束,缺乏強(qiáng)有力的標(biāo)準(zhǔn)體系的規(guī)范與協(xié)調(diào)是BIM 技術(shù)發(fā)展良莠不齊、各公司協(xié)同合作困難和影響B(tài)IM 技術(shù)深入應(yīng)用的癥結(jié)所在。標(biāo)準(zhǔn)體系與BIM 呈現(xiàn)制度與技術(shù)的關(guān)系,BIM 的技術(shù)性因素必須通過(guò)制度性因素產(chǎn)生作用,制度性因素反過(guò)來(lái)引導(dǎo)和制約技術(shù)性因素。
(3)發(fā)揮BIM 在全生命周期中的應(yīng)用價(jià)值
目前,BIM 主要工作在設(shè)計(jì)階段,若只是簡(jiǎn)單的三維模型,BIM 將失去其本身的價(jià)值意義。如要實(shí)現(xiàn)BIM 價(jià)值的最大化,就必須讓BIM 向施工、運(yùn)維階段推進(jìn),將BIM 模型數(shù)據(jù)信息向數(shù)字化施工、智能化運(yùn)維及標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)裝備延伸,促進(jìn)鐵路工程全生命周期BIM 技術(shù)應(yīng)用快速進(jìn)步,進(jìn)而發(fā)揮更大價(jià)值。BIM 技術(shù)在施工階段,精細(xì)化的BIM 數(shù)據(jù)信息模型設(shè)計(jì)成果對(duì)減少返工、錯(cuò)誤、窩工及保證工期等方面價(jià)值突出,且降低協(xié)同成本,提高協(xié)同效率。BIM 技術(shù)的成功實(shí)施使得設(shè)計(jì)和建設(shè)階段的信息在長(zhǎng)期的運(yùn)維過(guò)程中收益疊加,價(jià)值顯著。
本文首先構(gòu)建了基于BIM 技術(shù)的建設(shè)管理總體框架,在此基礎(chǔ)上,搭建基于BIM 數(shù)據(jù)全生命周期的“平臺(tái)+模型+數(shù)據(jù)庫(kù)”的系統(tǒng)架構(gòu),將各階段的數(shù)據(jù)編碼體系與全壽命周期唯一性識(shí)別碼進(jìn)行映射關(guān)系處理,實(shí)現(xiàn)了BIM 數(shù)據(jù)在全壽命周期的無(wú)損傳遞和可視化溯源,也成功實(shí)現(xiàn)BIM 建設(shè)從設(shè)計(jì)-施工-運(yùn)維交付。
利用BIM 技術(shù)對(duì)工程實(shí)體信息多層次表達(dá)和集成優(yōu)勢(shì),在工程建設(shè)中各階段分別疊加對(duì)應(yīng)工程信息,通過(guò)一體化平臺(tái)承載鐵路工程建設(shè)管理全生命周期信息模型,實(shí)現(xiàn)對(duì)客觀世界的數(shù)字化直觀表達(dá)。BIM 技術(shù)的鐵路工程建設(shè)管理體系在技術(shù)中的應(yīng)用必將向鐵路縱深發(fā)展,覆蓋勘察、設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維全過(guò)程,引發(fā)鐵路工程數(shù)字化建設(shè)革命。有力推動(dòng)BIM技術(shù)在鐵路行業(yè)高速發(fā)展可更好的助力鐵路網(wǎng)絡(luò)化、一體化、智能化、綠色化發(fā)展。