BIM技術在高鐵梁場智慧生產管理中的創新及應用

摘要：針對傳統高鐵預制梁場管理缺少智能化手段支撐、設備數據無法關聯共享等難題，將BIM技術應用于梁場生產管理全過程，通過梁場全生產要素BIM建模實現對梁場物理對象的虛擬映射和全過程數字化管理。設計并研發了高鐵智慧梁場數字建造系統，包含預制梁“制—運—架”一體化施工、生產全流程追溯和人員安全智能管理，在梁場生產進度、質量、安全方面實現實時監測及動態預警的智能化管理，為實現鐵路梁場智能管理提供借鑒。

關鍵詞：智能建造；BIM技術；鐵路梁場；三維建模；數字化管控

一、前言

鐵路預制梁場是鐵路建設的關鍵工程，近年來隨著國內高速鐵路網的發展，鐵路梁場的建設規模也在不斷擴大，在技術、設備和管理水平方面提出更高的要求[1]。傳統鐵路梁場受到生產工藝和技術水平的限制，在資源利用方面存在較大的浪費，無法對梁體全部信息進行實時溯源，更無法掌握預制梁的工序進展，因此亟須引入新技術、新手段，以滿足智慧鐵路梁場的建設[2]。

近年來有學者進行了一些探索，高磊等[3]通過實際工程應用，結合梁場標準化、信息化，闡述了高速鐵路智慧梁場建設平臺的實用性和可行性。Qi Chenglong[4]結合鐵路橋梁工程特點，提出了引入智能施工的必要性，解決了鐵路橋梁粗放式施工模式中資源消耗高、勞動力短缺和信息集成度低的問題。隨著中國高鐵智能建造新技術、新方法的不斷快速發展，既有高鐵智慧梁場管理系統也要緊跟時代步伐，推陳出新，不斷更新綜合支撐能力。

鑒于此，本文以津濰高鐵壽光梁場項目為依托，基于BIM技術提出了高鐵梁場智慧建設實施路徑，并在此基礎上，探索并實施了數字孿生技術在高鐵智慧梁場全過程可視化、智能化管理的應用成效。

二、工程概況

壽光梁場位于濰坊市寒亭區高里街道辦事處、津濰高鐵線路左側，梁場中心里程對應線路里程DK364+000，規劃占地180畝，主要承擔新建天津至濰坊高速鐵路BWZH-3標段濰坊特大橋的箱梁預制任務（共計438孔）。梁場設有制梁臺座8個，存梁臺座54個，最大制梁能力達到每月60孔，最大存梁能力為108孔。

三、基于BIM技術的高鐵梁場智慧建設實施路徑

（一）高鐵梁場BIM精細化建模

根據高鐵梁場預制梁的類型和特性，采用統一的建模標準和數據標準體系，應用Revit軟件以及輔助插件進行三維模型的精細化建模工作，創建了相應的族單元，包含預制梁的幾何形狀、材質、尺寸等參數，將預制梁族單元按照設計要求進行組裝。族單元表達各預制梁模型的參數信息，并添加必要的標記，確保模型的準確性和完整性。針對預制梁生產過程，創建了預制梁BIM模型、預制梁BIM鋼筋模型、大型機械BIM模型等精細化三維模型，模型精度達到LOD400。同時，利用Revit的碰撞檢測功能，對結構模型進行碰撞檢查和優化調整。模型中的參數化信息可以直接用于指導施工人員的操作，減少施工過程中的錯誤和沖突。

考慮到梁場場地空間局限性，大型機械設備動線沖突概率大，為保障安全生產，建立了大型機械設備精細化模型，包括龍門吊、900T輪胎提梁機、架橋機以及運梁車等。通過大型機械設備模型、待安裝構件模型和吊裝設備模型的結合應用，在虛擬場景中合理規劃待安裝構件堆放位置、起吊行走路徑等，即施工前的方案預演，以防范物理世界動線沖突所引發的安全隱患。

（二）梁場核心區場布BIM深化設計

基于BIM模型可視化、參數化、信息化等特點，開展梁場核心區場布深化設計，旨在優化梁場布局，提高生產效率，降低施工難度和成本。本文應用BIM技術分別對壽光梁場鋼筋加工區、制存梁區、混凝土生產區以及辦公區進行了布置規劃和優化設計。與原有設計方案相比，深化后的核心區布置方案在工序銜接合理性、建設成本投入、生產效率等方面實現了最大化。

（三）梁場生產現場協同管理

基于統一的梁場全要素BIM模型，集成生產現場視頻監控、物態感知、智能工裝等生產過程信息，實現梁場物理模型與虛擬模型的數據聯動，為作業人員、管理人員、安全員等提供一個梁場生產過程和資源調動的可視化協同工具。

可視化監控方面，利用BIM模型集成物態感知數據，實時可視化反饋梁場實際生產狀況，包括生產進度、設備狀態、人員分布等情況。結合虛擬現實或增強現實技術，為人員提供沉浸式的監控體驗。基于大數據分析技術對梁場設備運行狀態數據進行實時分析，及時預警設備故障，輔助現場人員及時應對處置，提高生產效率。

資源調度方面，基于深度學習算法生成梁體制—運—架生產計劃，并運用BIM模型進行可視化表達，幫助管理人員減少生產沖突和資源浪費，支撐對人力、物料等進行合理配置，確保各方按計劃有序推進工作。

（四）智慧梁場數字孿生建造

通過引入先進的數字化技術和智能化管理理念，對預制梁生產全要素BIM模型進行賦能。基于上述構建的梁場精細化BIM模型，集成融合智能工裝、過程監測、環境監測、視頻監控、生產計劃與方案等預制梁生產全生命周期信息，實現將物理梁場映射到虛擬空間，形成梁場數字孿生體，支撐物理梁場與虛擬梁場的交互和融合。

智慧梁場數字孿生建造離不開系統支撐和工程實施。因此，本文結合壽光梁場預制梁全過程生產管理特點，設計了梁場數字建造系統架構和應用架構，如圖1所示。

四、基于BIM的高鐵智慧梁場數字建造系統

基于BIM的高鐵智慧梁場數字建造系統包含預制梁“制—運—架”一體化施工管理、預制梁生產質量全流程追溯管理和生產安全智能化管理這三個核心功能，可實現對梁場生產活動進行智能化管理。

（一）預制梁“制—運—架”一體化施工管理

預制梁“制—運—架”一體化施工管理功能包含制梁、架梁、運梁以及生產進度模擬四個模塊，可支撐查閱和管理梁場的整體布局、施工進度以及梁體制—運—架的進展情況可視化展示和智能化分析。預制梁“制—運—架”一體化施工管理模式首先依據預制梁先架先制的生產原則，導入架梁總計劃后可自動生成架梁時間和每道工序的生產時間，并支持根據實際情況調整制梁順序，重新生成制梁任務。其次根據排程結果可規劃每榀梁每個工序階段的臺座編號，生成制梁沙盤；然后通過對現場架設箱梁數據的采集，形成斜率圖，直觀高效地展示橋梁架設計劃和當前橋梁架設情況。最后基于梁場現場實際情況，引入架梁、制梁計劃，“制—運—架”閉環收集的大量梁場生產數據，通過大數據算法可對未來某一天或某一段時間內的生產模擬，輔助現場進行生產進度管理，為梁場工作人員進行系統性的指導。

（二）預制梁生產質量全流程追溯管理

梁場的質量管理模塊主要功能是保證和提高梁場產品質量，包括材料管理、智能張拉、智能壓漿、施工過程控制等模塊。

１.材料管理

根據對接地磅和拌和站的數據，計算出主材情況分析、庫存余量分析、進銷存統計、物資的節超分析等生產消耗的分析數據。

２.智能張拉

基于傳統的建筑工裝架基礎，將智能張拉一體臺車與自動張拉系統相結合，集成遙控電動底盤、車架系統、自動張拉設備，實現千斤頂精準定位、輔助安裝，自動張拉兩大關鍵工序的自動化協同控制，提高施工質量與效率。

３.智能壓漿

智能壓漿系統的功能包括自我診斷、自我保護、報警預警、自清洗等，通過計算機控制，保證孔道內漿體飽滿和密實，確保壓漿質量。

４.施工過程控制

通過制定作業指導書、施工工藝流程、內控驗收標準等，對施工過程進行嚴格控制，加強模板、鋼筋、混凝土拌合、澆筑等關鍵工序的質量監督和全過程。

（三）生產人員與機械安全智能化管理

梁場生產安全管理功能實現安全生產、增強員工安全意識以及降低安全事故發生率，主要包括人員管理、機械管理、智能安防管理以及環境監測管理等模塊。

１.人員管理

對梁場工作人員進行進出場統計、考勤統計、歷史統計、當天進出場統計，支持查看考勤詳情列表等功能。

２.機械管理

對梁場機械進行管理，應用大數據平臺實現機電裝備在線監測、設備跟蹤定位、能耗監測、節能降耗、故障報警。

３.智能安防監控

智能防控接入32路攝像頭，通過識別算法實現對人臉、人體、車牌、煙霧火焰、安全帽、打電話、抽煙、工作服、離崗、睡崗、電瓶車、區域入侵、跌倒、奔跑、攝像頭遮擋、消防通道占用等數十種安全事件場景的智能化報警預警。

4.環境監測

通過集成拌和站、實驗室、梁場生產區域等地點的揚塵監測設備，實時呈現數據風速、氣溫、氣壓、含氧量等信息，并從后臺監測設備是否正常。同時，拌和站環境監測與噴淋霧炮系統對接，可自動降塵。

五、基于BIM的高鐵智慧梁場實踐創新應用

（一）預制梁生產智能化編排應用

在智慧梁場系統中集成智能排程算法，精確計算梁場設備的生產能力，進而合理安排生產任務。智能化生產排程模塊還能夠根據生產任務需求，自動調整原材料、人力配置，確保資源最大化利用。智慧梁場生產管理系統在實際應用過程中，搜集了大量的生產數據，依托于這些大數據和相關算法，結合預制梁先架先制的生產原則，導入架梁總計劃后，通過鋪架任務結合月計劃生成制梁任務，制梁任務確定某榀梁投產日期、關鍵工藝完成時間節點、使用的投產占用制梁臺座、初張后占用的存梁臺座、移梁時間、發運時間。此外，根據存梁臺座布置、提梁機轉向區位，結合提梁機走的距離綜合計算選用的臺座信息，具備臺座占用回溯查看能力和排程方案對比能力，系統界面如圖2所示。

（二）生產全過程可視化監控應用

通過BIM和AI技術的融合應用來展現高鐵梁場生產過程中的各種數據和信息。信息采集方面，在智慧梁場中，通過在各個生產環節安裝傳感器和采集設備，實時采集生產數據，如原材料使用情況、設備運行狀態、生產進度等。數據處理方面，采集到的數據經過處理和分析，轉化為可視化的圖表和圖像，這些圖表和圖像可以展示生產過程中的各種信息，如生產進度條、設備狀態指示燈、質量分布圖等。實時監控方面，管理人員可以通過大屏幕或移動設備實時查看生產現場的情況，包括設備運行狀態、生產進度、質量情況等。同時，系統還可以發出警報和提示，以便管理人員及時發現和處理問題。動態調整方面，系統根據梁場實時監控的結果，管理人員可以對生產計劃、設備配置、人員安排等進行動態調整，以確保生產過程的順利進行。

（三）預制生產少人化/無人化應用

通過引入一系列自動化設備和技術，實現了預制梁從生產到養護重點工藝工序的自動化和智能化，促進實現少人化和無人化生產。應用場景包含臺座沉降、工程車輛定位、端模自動安拆系統、模板自動打磨噴涂等。

１.臺座沉降

在高鐵梁場的建設中，結合BIM技術進行臺座沉降監控與管理，可以實現多個顯著的效果，系統可以自動觸發預警或報警機制，減少沉降帶來的風險和損失。從澆筑到張拉過程中，BIM技術可全方位監控梁片的質量影響因素，保障預制場生產質量。

２.工程車輛定位

通過對接設備管理系統，并在挖機、罐車、機制砂運輸車等設備上安裝GPS、油料傳感器等，直觀呈現標段設備數量、設備聯網數量、設備利用率，同時可實時查看車輛工作狀態、運行軌跡、油料消耗、工作時長等信息，輔助項目人員管理。

３.端模自動安拆

平臺采用了機電液一體化設計，可對端模進行舉升及鎖定配合，并可將端模靈活轉運并調整姿態位置對齊外模。可解決傳統端模安裝操作費時費力、安全性較差的問題。設備利用率高，使用靈活，可明顯提高制梁的自動化水平，降低端模安拆的安全風險。

４.模板自動打磨噴涂

BIM+模板自動打磨噴涂技術在高鐵梁場中的應用，可以顯著提高施工效率和質量，降低施工成本，增強施工安全性，并實現智能化管理，對于推動高鐵梁場建設的現代化和智能化具有重要意義。BIM技術可實現各個表面的自動打磨與噴涂，避免了人為因素造成的漏磨、過度磨損、脫模劑涂刷不均勻等問題，實現對模板進行快速、精確、細致打磨與噴涂處理，提高預制梁生產的工效與質量。

六、結語

依托津濰高鐵壽光梁場項目，基于BIM的智能梁場系統得到落地應用，并全面展現了BIM技術在鐵路梁場生產制造領域的應用成果。通過BIM三維建模、碰撞檢測等技術應用，實現了預制梁生產過程的可視化和數字化管控，顯著提高了生產效率和質量。智慧梁場成果涵蓋綜合展示、施工模擬視頻、數據分析及智能化管控等多個方面，充分展現了BIM技術在高鐵梁場生產中的實際應用價值，不僅提升了行業對BIM技術的認知，也促進了技術交流與合作，為高鐵建設行業的創新發展樹立了標桿，不僅是鐵路預制梁場建設及運維技術進步和管理方式的更新換代，也將促使鐵路橋梁建造模式和管理方式的轉型。

參考文獻

[1]吳何，王波，吳巨峰，等.智慧梁場系統設計及應用研究[J].世界橋梁，2023，51（S1）：144-151.

[2]鄭松松，劉華，蘇三.高速公路項目智慧梁場的應用與探討[J].交通節能與環保，2024，20（03）：189-192.

[3]高磊，余沛.高速鐵路智慧梁場項目管理平臺研究與應用[J].建筑經濟，2024，45（S1）：170-174.

[4]Qi Chenglong.Research， Development and Application of Railway Bridge Information Construction Management Platform Based on BIM+GIS+IoT Technology[J].Proceedings of SPIE - The International Society for Optical Engineering， Volume 12610， 2023.

基金項目：中國國家鐵路集團有限公司科技研究開發計劃課題（項目編號：N2023G074）

作者單位：張俊堯，北京經緯信息技術有限公司；智鵬、郭鵬飛、王志華，中國鐵道科學研究院集團有限公司電子計算技術研究所

■ 責任編輯：張津平 尚丹