基于BIM+GIS的鐵路四電工程智能建造方案研究

趙正路，韓月樓

（1.中鐵電氣化局集團公司 科技創新部，北京 100036；2.中鐵電氣化局集團公司 生產技術管理部，北京 100036）

鐵路四電工程的施工階段存在較多因施工周期縮短、設計圖紙深度不夠、專業交叉復雜而導致的施工質量問題[1]。目前，BIM（Building Information Modeling）技術在鐵路四電項目中的應用還未貫穿于工程項目全過程，其主要原因有：（1）BIM建模過程的專業化導致建模時間較長，特別是在四電項目有效工期較短的情況下，存在建模進度與施工進度脫節的情況；（2）部分設計資料、過程資料、竣工驗收資料、BIM模型等數據統計集成需要大量BIM專業人員實時更新、維護模型數據[2]；（3）鐵路四電工程管理的基礎數據沒有達到BIM要求的精細化程度，缺少設備安裝地理位置信息，造成項目管理數據與BIM之間的數據不互通。目前，國內鮮有具有統一標準體系的鐵路四電工程施工管理平臺，嚴重制約了BIM技術在施工現場的應用推廣[3]。

本文設計基于BIM+GIS（Geographic Information System）的鐵路四電工程智能建造方案，應用BIM族庫構建、參數化建模、輕量化、BIM+GIS等技術，實現了鐵路四電施工項目的數字化交付。

1 方案設計

本文以鐵路四電建造過程為時間橫軸，明確BIM在鐵路四電工程建造過程中的應用時間點與作用，建立BIM構件數據與工程管理數據映射架構，使施工日志與BIM構件之間信息互通，實時將項目管理要素、生產要素信息記錄在BIM構件信息上，設計通過鐵路四電施工項目管理平臺與項目實施過程深度融合，減少對專業BIM技術人員的依賴，最終實現鐵路四電工程項目的數字化交付。整體方案如圖1所示。

圖1 整體方案

（1）施工階段在收到設計階段提供的施工圖后，應用BIM構件族庫與BIM參數化建模技術，實現項目由二維圖紙向三維模型的轉變[4]；

（2）形成的項目三維模型通過應用BIM輕量化及BIM+GIS技術，實現三維模型的輕量化并與實際地理位置相結合，解決項目BIM占用內存大、與實際地理位置有偏差等問題；

（3）將形成的BIM+GIS輕量化模型與建設過程中的生產要素（人員、物料、機械等）和管理要素（進度時間、質量驗收、安全管控、成本等）信息掛接，并接入基于BIM+GIS的鐵路四電項目管理平臺中；

（4）形成包含施工生產管理要素及生產要素的施工全過程數字化模型，交付給運營維護（簡稱：運維）階段使用。

2 技術架構

基于BIM+GIS的鐵路四電工程智能建造技術架構如圖2所示。通過建立四電設備BIM構件族庫，直接調用族庫數據 ，并根據實際情況修改參數；通過參數化建模，將二維的施工圖紙通過參數表快速轉換成項目初期需要的三維模型；通過構建BIM+GIS管理平臺，實現BIM及GIS數據的在線輕量化和可視化。

圖2 基于BIM+GIS的鐵路四電工程智能建造技術架構

2.1 鐵路四電BIM族庫構建

鐵路四電工程項目構件具有分類冗雜和數量龐大等特點，且BIM模型搭建過程有資源共享和大數據管理的實際需求，在建施工項目竣工移交的模型精細度等級不宜低于LOD 3.0[5]。統一的鐵路四電BIM構件族庫的建立，是將所有鐵路四電工程項目涉及到的實物構件進行建模，并根據IFC標準進行分類。項目的三維模型搭建即基于各類構件的組合，將各類構件載入到三維繪圖平臺環境中進行布局、放置及修改屬性等操作，實現二維圖紙向三維模型的快速轉變。BIM族庫可顯著提高模型的統一性和完整性，為后期模型維護及下階段使用提供保障。技術架構如圖3所示。

圖3 鐵路四電BIM構件族庫技術架構

（1）基礎數據層將以施工圖構件模型為單元的施工圖工序分解為數據基礎，利用私有云服務器、BIM族數據庫及PC端存儲數據；

（2）系統管理層設置了用戶、權限、加密及專業管理，以保證族庫的安全性、便捷性；

（3）功能應用層具有常規上傳、下載、分類、數據統計與檢索、調用，以及構件模型的審核與加密、云端存儲、本地備份等功能；

（4）外部融合層負責與多種BIM軟件兼容，構件可提供給目前主流的BIM軟件調用，使族庫更具有通用性。

2.2 BIM參數化建模

參數化建模是將同一類構件的參數信息，通過表格的方式實現批量建模。BIM參數化建模不僅可以通過創建和修改構件的幾何、材質、通用信息等參數，獲得精準的模型，將建筑物直觀展現出來；還能對碰撞檢測、空間、結構靜力、動力等數據進行分析。

本文采用BIM參數化建模技術將族庫中相同的BIM構件，按照可以量化描述的路徑或位置參數擺放，實現BIM模型的批量、快速生成。

2.3 BIM+GIS管理平臺

BIM的建模和加載通常需要Revit等專業軟件來實現，存在服務器資源占用大且加載速度慢等問題。為提高加載和響應速度，可通過輕量化技術實現BIM模型在瀏覽器端的加載[6-7]。BIM輕量化技術是在不改變模型和數據文件結構屬性的基礎上，通過算法將模型數據重構，縮小BIM模型體量，使模型數據便于提取使用。

本文設計基于模型輕量化技術的BIM+GIS管理平臺（簡稱：平臺），通過大體量BIM模型輕量化引擎、海量數據分析處理、參數化驅動等關鍵技術，實現BIM、GIS、傾斜攝影模型、視頻源和工程建設等海量多源、多主題、異構時空數據融合的集成展示，從而滿足不同管理部門、不同層級用戶的三維可視化、數字化、全要素信息精益化管理需求。

3 平臺功能

3.1 模型快速生成

根據IFC分類標準，對鐵路四電工程設施結構進行逐級拆分，對拆分后的最小構件單元進行參數化建模，建模參數包含構件材料、尺寸及安裝位置信息。通過平臺將施工圖的平面布置圖信息參數化，形成Excel表格，表中數據由項目技術人員直接填報。參數表導入平臺后，平臺可自動生成對應圖紙的三維模型，具體包括：根據KML地理信息數據和站前單位路基、橋梁、隧道的里程坐標進行路橋隧的快速生成，快速搭建鐵路線路模型；根據設計安裝圖快速識別BIM構件的類型型號，結合平面布置圖紙相對應的坐標信息、安裝圖號，調用BIM構件圖元庫中的圖元，依據參數化生成算法快速生成BIM+GIS模型。

模型生成后，平臺通過土建單位的接口進行碰撞檢查，規避設計、施工失誤造成的誤差，實現接口可視化管理、快速定位、缺陷整改管理和數據綜合集成展示。

3.2 施工生產要素管理

施工生產要素主要包括人、機、料等信息，在項目建造過程中通過與BIM模型構件間的數字互通，將所有生產要素的活動記錄在BIM構件信息上[8]。

以物料信息為例，在結合BIM構件模型提料時，平臺可生成物料二維碼，物料出廠時帶有獨立二維碼，由生產者將物料生產信息錄入二維碼中，連同生產運輸、驗收入庫、物料提料等信息掛接到平臺BIM模型構件上。現場安裝時，工作人員通過掃描二維碼，填寫實體構件的安裝、檢測、驗收等信息，并將信息同步到平臺上。

此外，施工測量、工程計算、仿真模擬、智能預配等信息均可通過設備或人員與平臺進行互通。

3.3 BIM插件化應用

將BIM應用按主要和輔助對平臺功能進行劃分，主要功能是實現項目三維建模的必要功能，包括BIM族庫構建、參數化建模、BIM+GIS輕量化等；輔助功能是用于項目優化的可選擇性功能，包括碰撞檢查、預配數據互聯、模擬施工、裝備數據互聯、電子圍欄等，通過插件的形式，實現平臺的可靈活拓展，如圖4所示。

圖4 BIM插件功能示意

4 方案應用

基于BIM+GIS的鐵路四電工程智能建造方案已在集通（集寧—通遼）、貴南（貴陽—南寧）、天津—大興等鐵路四電工程項目建設過程中得到應用，實現了建造過程中生產要素及管理要素實時數據與BIM構件數據的對接，形成了BIM+GIS數字化交付模型。應用示意如圖5所示。

圖5 BIM+GIS智能建造方案應用示意

5 結束語

本文設計鐵路四電工程智能建造方案，將鐵路四電BIM族庫構建、參數化建模、BIM+GIS模型輕量化等技術應用于項目實施過程中，實現鐵路四電工程項目的數字化交付。通過設計BIM+GIS管理平臺，實現了項目生產要素信息、管理要素信息與模型間的信息交互，為鐵路四電工程智能建造及精細化管理提供技術支撐。后續將繼續豐富BIM插件化功能，推進機械化施工與機械數據的自動收集、傳輸，以降低人力成本、提高工作效率。