基于BIM技術(shù)的城市軌道交通建設(shè)工程質(zhì)量與安全管理實(shí)踐

江中勇 龍 蛟 王春霖

中鐵二十二局集團(tuán)第五工程有限公司 重慶 400700

近幾年，我國(guó)掀起城市軌道交通建設(shè)計(jì)劃擴(kuò)建的熱潮。有關(guān)部門提出，發(fā)展交通運(yùn)輸，基本要求建立安全、便捷、高效、綠色的現(xiàn)代綜合交通運(yùn)輸體系，一些地區(qū)率先實(shí)現(xiàn)交通現(xiàn)代化。由于城軌項(xiàng)目涉及多個(gè)建設(shè)單元，施工過程存在詳細(xì)的建設(shè)要求。針對(duì)當(dāng)前情況，需要采取合理的措施和技術(shù)，對(duì)城市軌道交通工程建設(shè)進(jìn)行全面監(jiān)理，確保工程施工過程能夠按照規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)要求實(shí)施施工工藝和施工工藝，并達(dá)到提高施工質(zhì)量的目的。

1 BIM技術(shù)概述

BIM技術(shù)是基于3D數(shù)字技術(shù)，匯集建設(shè)項(xiàng)目的所有相關(guān)信息，一般來說，BIM是一種建筑信息模型，它以大量建設(shè)項(xiàng)目相關(guān)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過數(shù)字信息準(zhǔn)確模擬建筑物的真實(shí)信息和特性。對(duì)于建筑行業(yè)來說，BIM的誕生解決燃眉之急。BIM技術(shù)最顯著的特點(diǎn)是3D可視化，可以使用數(shù)字技術(shù)來創(chuàng)建一個(gè)或多個(gè)精確的、基于參數(shù)的虛擬建筑模型，這些模型能夠進(jìn)行更精確的分析，BIM數(shù)據(jù)生成通過建立5D與數(shù)據(jù)庫的連接，實(shí)現(xiàn)工作量的精確快速計(jì)算，有效提高準(zhǔn)確性和效率。BIM技術(shù)在中國(guó)被廣泛用于工作量計(jì)算[1]。

2 城市軌道交通建設(shè)工程安全管理現(xiàn)狀

城市軌道交通是基礎(chǔ)設(shè)施。相關(guān)項(xiàng)目建設(shè)一般由政府主導(dǎo)，相關(guān)法律法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范較為嚴(yán)格，因此項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)很少引進(jìn)新技術(shù)。然而，在開始生產(chǎn)時(shí)，必須繪制2D地圖，然后將其轉(zhuǎn)換為3D模型。但是，如果設(shè)計(jì)經(jīng)過多次修改，2D圖紙和3D模型就很難完全協(xié)調(diào)，而且根據(jù)現(xiàn)行法律，3D模型不具有法律效力。因此，無論是從避免責(zé)任的角度，還是從穩(wěn)定工期的角度，二維地圖作為施工依據(jù)都是最重要的選擇。目前，城軌項(xiàng)目參與方普遍缺乏BIM技術(shù)，例如，某咨詢公司在進(jìn)行管道綜合時(shí)，只能根據(jù)優(yōu)先級(jí)機(jī)械地解決碰撞問題，而沒有考慮現(xiàn)場(chǎng)的施工條件，最終導(dǎo)致管道形狀極其復(fù)雜，優(yōu)先級(jí)低，甚至無法應(yīng)用。在項(xiàng)目竣工階段，由于竣工模型往往不符合實(shí)際情況，無法與很多設(shè)備制造商就每臺(tái)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)達(dá)成一致，竣工模型往往不能真正發(fā)揮運(yùn)維作用，只能作為宣傳工具的輔助[2]。

3 基于BIM技術(shù)的城市軌道交通建設(shè)工程管理系統(tǒng)

3.1 系統(tǒng)核心

參考城市軌道交通全生命周期管理項(xiàng)目參與方的業(yè)務(wù)需求，初步提出軌道交通項(xiàng)目建設(shè)管理平臺(tái)。從模型的初步建立到模型的深化，再到整體管理，為未來的發(fā)展指明方向。軌道交通建設(shè)管理平臺(tái)秉承全生命周期管理理念，按照各單位勘探、設(shè)計(jì)、施工全過程整合信息。在信息傳輸和應(yīng)用過程中，所有專業(yè)人員都可以隨時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并采取適當(dāng)?shù)拇胧皶r(shí)解決出現(xiàn)的問題。管理平臺(tái)為管理人員提供各類信息數(shù)據(jù)接入，并進(jìn)行在線監(jiān)控，確保測(cè)試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

3.2 系統(tǒng)功能

在設(shè)計(jì)階段，完成初步設(shè)計(jì)的預(yù)演，及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)缺陷，完善設(shè)計(jì)方案。在勘測(cè)階段，由于軌道交通設(shè)施的建設(shè)一般都在地下，無法通過鉆探直觀地表達(dá)地下地質(zhì)情況。使用3D模型模擬盾牌場(chǎng)景可以消除以上狀況。在施工過程中，對(duì)施工模型進(jìn)行分析，系統(tǒng)直觀地表達(dá)施工的每一個(gè)細(xì)節(jié)和過程，提高安全性，既保證施工質(zhì)量，又大大提高施工人員的工作效率。在運(yùn)營(yíng)的最后階段，將現(xiàn)狀與最初的設(shè)計(jì)規(guī)劃進(jìn)行對(duì)比，會(huì)非常直觀地對(duì)比優(yōu)劣勢(shì)，讓未來的項(xiàng)目和地鐵建設(shè)少走彎路[3]。

3.3 模擬施工系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于BIM技術(shù)的模擬施工系統(tǒng)，可以在施工準(zhǔn)備階段對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行虛擬施工可視化，提前考慮施工過程中可能出現(xiàn)的問題，修改和優(yōu)化施工方案。

數(shù)據(jù)層面。收集、編碼和記錄設(shè)計(jì)者、供應(yīng)商等項(xiàng)目參與方的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信息，如三維空間信息（包括構(gòu)件尺寸、位置比例）、進(jìn)度信息（包括總體進(jìn)度、月度進(jìn)度、周度進(jìn)度和日常工作）計(jì)劃）和資源信息（包括人力、物力、機(jī)具信息），建立基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，并導(dǎo)入進(jìn)度計(jì)劃（如圖1所示）。

圖1 導(dǎo)入進(jìn)度計(jì)劃

應(yīng)用層面。主要工作是將數(shù)據(jù)層記錄的工程數(shù)據(jù)信息加載到模擬施工系統(tǒng)中，形成建筑模型進(jìn)行建模分析。同時(shí)可以接收用戶終端的操作指令，調(diào)用并處理相關(guān)數(shù)據(jù)信息，最后將結(jié)果返回給操作層。

操作層面。主要工作是為授權(quán)用戶（包括設(shè)計(jì)師、施工方）提供電腦端、移動(dòng)端等終端設(shè)備碰撞檢測(cè)、施工建模、進(jìn)度建模、資源調(diào)配等操作。優(yōu)化施工方案，為施工階段的項(xiàng)目管理提供指導(dǎo)。

3.4 實(shí)時(shí)施工系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在施工之中BIM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下：

數(shù)據(jù)層面。借助無人機(jī)攝影技術(shù)和3D激光掃描技術(shù)，可以在施工現(xiàn)場(chǎng)快速實(shí)時(shí)采集3D數(shù)據(jù)，利用RFID技術(shù)快速讀取構(gòu)件和材料尺寸數(shù)據(jù)，與建筑行業(yè)大數(shù)據(jù)相結(jié)合，數(shù)據(jù)導(dǎo)入過程如圖2所示，以此快速獲取相似工程數(shù)據(jù)信息，進(jìn)一步提升施工現(xiàn)場(chǎng)管理能力。

圖2 無人機(jī)攝影數(shù)據(jù)導(dǎo)入

應(yīng)用層面。主要任務(wù)是通過計(jì)算機(jī)自動(dòng)識(shí)別收集到的零件形狀、三維尺寸、地理坐標(biāo)和材料類型等數(shù)據(jù)來協(xié)調(diào)有關(guān)對(duì)象的信息。將數(shù)據(jù)加載到現(xiàn)有的模擬施工模型中，實(shí)時(shí)生成BIM施工模型。

操作層面。主要任務(wù)是將施工模型中的進(jìn)度信息、成本信息、質(zhì)量信息、資源信息和安全信息與施工模型進(jìn)行實(shí)時(shí)對(duì)比分析。如遇其他問題，管理團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)與所有專家進(jìn)行溝通，及時(shí)采取措施，確保項(xiàng)目建設(shè)的順利進(jìn)行[4]。

4 BIM技術(shù)在城市軌道交通建設(shè)工程安全管理的具體實(shí)踐

4.1 工程案例

本文以某城市軌道交通建設(shè)工程為例，該工程占地面積約為40萬㎡，其中建筑占地面積約為23萬㎡，其中軌道交通在整個(gè)工程中屬于核心，整條軌道長(zhǎng)度約為29公里，建設(shè)質(zhì)量能夠?qū)﹂_通時(shí)間造成直接影響。至目前為止，該部分施工情況較為順利，為進(jìn)一步剖析BIM技術(shù)在該工程安全管理中的實(shí)踐，以下提出該技術(shù)在準(zhǔn)備、施工以及運(yùn)維環(huán)節(jié)的具體實(shí)踐。

4.2 施工準(zhǔn)備環(huán)節(jié)

BIM系統(tǒng)有利于3D圖紙的聯(lián)合審查。審圖是項(xiàng)目施工前的必要技術(shù)工作，要求各參與單位就二維圖紙中的問題進(jìn)行討論，提交項(xiàng)目組處理。為提高二維圖紙審核效率，施工單位將設(shè)計(jì)單位提交的二維圖紙?zhí)崆稗D(zhuǎn)換成三維模型導(dǎo)入BIM系統(tǒng)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)圖紙與BIM模型的聯(lián)動(dòng)機(jī)制，如圖3所示，通過3D模型的視覺特性使工作人員能夠直觀地理解設(shè)計(jì)意圖，大大提高審圖的效率。

圖3 設(shè)計(jì)圖紙與模型聯(lián)動(dòng)

組合建模后BIM系統(tǒng)中的碰撞檢測(cè)。由于機(jī)電軌道安裝項(xiàng)目涉及二十多個(gè)子專業(yè)，其各自工作領(lǐng)域的BIM建模由多個(gè)承包商和設(shè)備制造商進(jìn)行，每個(gè)模型單元使用的建模軟件包括Revit、Bentley、Tekla等，這些仿真程序的仿真和碰撞檢測(cè)都是面向軟件廠商自己的數(shù)據(jù)格式，不同廠商之間的數(shù)據(jù)交換和兼容性還存在問題。因此，施工過程需要一個(gè)精準(zhǔn)模型，將多個(gè)建模程序組合在一個(gè)BIM系統(tǒng)中，然后檢測(cè)不同環(huán)節(jié)之間的碰撞。3D模型中的碰撞檢測(cè)可以基于結(jié)構(gòu)和機(jī)電設(shè)計(jì)中可能存在的空間沖突，優(yōu)化設(shè)計(jì)，減少專業(yè)摩擦，避免返工和延誤，減少人工和材料浪費(fèi)，節(jié)省大量工程成本，具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益。

4.3 施工環(huán)節(jié)

4D施工過程模擬。運(yùn)輸項(xiàng)目信息模型管理系統(tǒng)中，項(xiàng)目的逐步規(guī)劃和實(shí)際實(shí)施以動(dòng)態(tài)形式呈現(xiàn)，提供施工成果的4D建模，如圖4所示，4D模擬包括每天、每周或每月不同時(shí)間間隔的施工進(jìn)度連續(xù)或逆向模擬。模型上的不同顏色表示3D視圖中的不同結(jié)構(gòu)狀態(tài)，完成的組件以預(yù)先分配的WBS顏色顯示。通過4D施工過程的建模，項(xiàng)目經(jīng)理可以直觀地觀察不同時(shí)間的施工進(jìn)度和具體地塊或結(jié)構(gòu)構(gòu)件的詳細(xì)施工狀態(tài)，以及不同前后的流程和工時(shí)是否有沖突。該功能為比較和驗(yàn)證不同施工方案的可行性、優(yōu)化施工方案和施工方法提供決策支持[5]。

圖4 施工進(jìn)度模型

質(zhì)量安全縮略圖。為協(xié)助監(jiān)理部門進(jìn)行日常監(jiān)控，系統(tǒng)必須提供現(xiàn)場(chǎng)記錄進(jìn)行填報(bào)，并以“縮略圖”的方式精準(zhǔn)定位巡檢中發(fā)現(xiàn)的施工質(zhì)量問題。通過模型上質(zhì)量問題的直接識(shí)別，系統(tǒng)自動(dòng)激活質(zhì)量問題整改通知，發(fā)送至各施工單位整改，最終接收反饋整改信息，實(shí)現(xiàn)質(zhì)量安全問題的封閉流程；此外，還可以在模型中識(shí)別出已完成的零件，并統(tǒng)計(jì)出有問題的零件。在金豐站試點(diǎn)項(xiàng)目中，通過縮略圖識(shí)別現(xiàn)場(chǎng)問題。通過將質(zhì)量和安全問題直接鏈接到BIM模型并進(jìn)行查看，可以在各級(jí)有效地傳達(dá)質(zhì)量和安全問題。

基于派遣隊(duì)的質(zhì)量安全管理體系。進(jìn)度表是指施工單位根據(jù)批準(zhǔn)的周計(jì)劃編制進(jìn)度表，以工作單的形式下達(dá)施工任務(wù)。工作單包括人員、設(shè)備/材料、工藝手冊(cè)、安全風(fēng)險(xiǎn)和進(jìn)入工作站時(shí)的注意事項(xiàng)。對(duì)于日常的施工管理，系統(tǒng)為施工方、監(jiān)理方和施工方提供根據(jù)規(guī)劃指令跟蹤管理施工信息的功能。首先，通過工單明確施工任務(wù)、人員、所需設(shè)備和材料，并提交監(jiān)理部門審核。取得許可后方可開工建設(shè)；執(zhí)行調(diào)度命令后，必須向系統(tǒng)提交相應(yīng)的可實(shí)現(xiàn)結(jié)果，并在模型中顯示施工完成狀態(tài)，及時(shí)預(yù)警未完成的施工任務(wù)；最后，系統(tǒng)從派單中提取實(shí)際進(jìn)度數(shù)據(jù)，與計(jì)劃進(jìn)度進(jìn)行對(duì)比，分析延誤，量化完成任務(wù)的質(zhì)量和數(shù)量。此外，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)每日計(jì)劃表的內(nèi)容自動(dòng)生成施工日志等文件。

4.4 運(yùn)維階段

在城市軌道交通中，絕大多數(shù)是運(yùn)維階段。從成本分析來看，設(shè)計(jì)和施工成本僅占建筑全生命周期成本的20%-30%，而運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本占全生命周期成本的67%以上。此外，運(yùn)營(yíng)階段是關(guān)鍵階段，直接面向公眾，對(duì)人民群眾生命財(cái)產(chǎn)安全負(fù)責(zé)，評(píng)價(jià)城市軌道交通建設(shè)是否發(fā)揮應(yīng)有作用。雖然內(nèi)陸軌道建設(shè)如火如荼，但BIM技術(shù)在大規(guī)模建設(shè)后期運(yùn)輸管理中的應(yīng)用相對(duì)較少。城市軌道交通運(yùn)維管理涉及電機(jī)、通信、車輛安全等多方面，這些內(nèi)容都有獨(dú)立的研究和管理體系。根據(jù)綜合安全系統(tǒng)的故障特點(diǎn)，提出容錯(cuò)管理的替代模式，提高軌道運(yùn)輸運(yùn)維管理水平；針對(duì)傳統(tǒng)軌道空調(diào)系統(tǒng)冷凍水制冷機(jī)組不能自動(dòng)調(diào)節(jié)冷卻水流量等問題，開發(fā)一種新型節(jié)能控制系統(tǒng)。分析電站冷負(fù)荷變化，中央監(jiān)控系統(tǒng)降低能耗；結(jié)合電能計(jì)量和電能管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，制定城市軌道電能計(jì)量的一般設(shè)計(jì)方法和存在的問題，在此基礎(chǔ)上，研究城市軌道交通能源管理系統(tǒng)的應(yīng)用方案，以降低運(yùn)營(yíng)成本，提高能源效率。

5 結(jié)束語

綜上所述，從計(jì)算機(jī)輔助CAD制圖到后續(xù)的數(shù)字化應(yīng)用，先進(jìn)科技促進(jìn)建筑業(yè)的發(fā)展。BIM技術(shù)的應(yīng)用大大簡(jiǎn)化建筑物的設(shè)計(jì)、施工和后續(xù)維護(hù)。BIM技術(shù)結(jié)合建筑物的基本特征，通過改變參數(shù)信息來實(shí)現(xiàn)建筑物形狀和特性的改變，為施工技術(shù)人員提供大量的數(shù)據(jù)方案。通過合理對(duì)比，技術(shù)人員可以選擇最合理的施工方案進(jìn)行施工，從根本上提高施工效率，加強(qiáng)施工項(xiàng)目的基礎(chǔ)安全。