信息化技術(shù)在高速鐵路施工應(yīng)用的初步探索

我國鐵路在改革開放后取得了令人矚目的發(fā)展，全國鐵路運(yùn)營里程已經(jīng)突破7 萬公里，位居亞洲第一，世界第三。隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，國家提出“八縱八橫”大通道，充分發(fā)揮鐵路的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)勢(shì)，高速鐵路的建設(shè)也隨之如火如荼。然而施工工期緊湊和技術(shù)更新速率的加快，曝露出施工單位“粗放式”“人管人”等管理模式的弊病，迫切的需要一種融合新技術(shù)的管理手段來提升企業(yè)的管理水平。

信息化大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來，給施工管理帶來了新的思路和契機(jī)，隨著BIM 技術(shù)的出現(xiàn)和不斷發(fā)展成熟，以模型為載體的新的信息化管理模式將大大提高企業(yè)管理水平。

BIM 技術(shù)發(fā)展的現(xiàn)狀

BIM 即建筑信息模型（Building Information Modeling），是以三維模型為載體，實(shí)現(xiàn)資源共享，使各參與方協(xié)同作業(yè)的一種信息化技術(shù)。通過BIM 技術(shù)在施工過程中的應(yīng)用，可實(shí)現(xiàn)質(zhì)量管理的信息化和自動(dòng)化，便于施工質(zhì)量和成本的控制。BIM 技術(shù)有以下幾個(gè)特點(diǎn)：信息完備性、信息關(guān)聯(lián)性、信息一致性、可視化、協(xié)調(diào)性、模擬性、優(yōu)化性和可出圖性等。

從傳統(tǒng)的二維設(shè)計(jì)走向三維設(shè)計(jì)，用三維手段來指導(dǎo)施工，計(jì)算機(jī)為載體的BIM 技術(shù)帶來了建筑行業(yè)的又一次革命。以歐特克為代表的軟件公司迅速占領(lǐng)了房建等行業(yè)的BIM 軟件市場，同時(shí)如Tekla、Bentley等軟件也占有一席之地。

圖1 梁場五大功能區(qū)域

國內(nèi)BIM 技術(shù)研究相對(duì)較晚。2006 年，我國研發(fā)第一個(gè)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的4D 施工管理系統(tǒng)；2015 年，中鐵四局和清華大學(xué)精誠合作，針對(duì)鐵路大跨度橋梁施工，在既有的4D施工管理系統(tǒng)上開發(fā)了濟(jì)南黃河公鐵兩用橋工程施工安全監(jiān)測(cè)與4D 動(dòng)態(tài)管理系統(tǒng)。

高速鐵路預(yù)制梁場應(yīng)用BIM 技術(shù)的必要性

高速鐵路預(yù)制梁場是一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的管理系統(tǒng)，管理較為規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化。鐵路總公司推行的一系列信息化技術(shù)，如攪拌站、試驗(yàn)室、智能張拉、電子施工日志等已在鐵路預(yù)制梁場得到應(yīng)用，同時(shí)中鐵四局就梁場BIM 技術(shù)應(yīng)用做了一些嘗試，并取得了一定的成果。一系列信息化技術(shù)與BIM 的結(jié)合，進(jìn)一步規(guī)范現(xiàn)場管理，實(shí)現(xiàn)進(jìn)度、質(zhì)量管理的流程化，信息采集的自動(dòng)化，進(jìn)一步挖掘利用信息數(shù)據(jù)，體現(xiàn)信息數(shù)據(jù)的實(shí)用價(jià)值，探索和研發(fā)適用于梁場的信息管理系統(tǒng)相對(duì)容易實(shí)現(xiàn)。

BIM 及信息化技術(shù)在高速鐵路預(yù)制梁場施工應(yīng)用的案例分析

項(xiàng)目概況。龍城區(qū)制梁場位于遼寧省朝陽市龍城區(qū)大平房鎮(zhèn)境內(nèi)，梁場占地220 畝。承擔(dān)了中鐵四局集團(tuán)新建北京至沈陽鐵路客運(yùn)專線JSLNTJ-5 標(biāo)段管段內(nèi)8 座特大橋、7 座大橋、3 座中橋總計(jì)453 榀箱梁的預(yù)制施工任務(wù)，其中跨度31.5m 箱梁449 榀、跨度23.5m 箱梁4榀。梁場按照辦公生活區(qū)、混凝土拌和區(qū)、制梁區(qū)、存梁區(qū)、裝運(yùn)梁區(qū)規(guī)劃成五個(gè)功能區(qū)域（見圖1）。

基于龍城區(qū)制梁場研發(fā)的“鐵路梁場信息化管理系統(tǒng)”，是國內(nèi)將BIM 技術(shù)應(yīng)用于鐵路梁場施工管理的首次嘗試。

鐵路梁場信息化管理系統(tǒng)作為中鐵四局所有梁場施工的統(tǒng)一管理平臺(tái)，對(duì)中鐵四局目前涉及的鐵路箱梁施工體系進(jìn)行管理，并對(duì)箱梁施工產(chǎn)生的相關(guān)模型數(shù)據(jù)、質(zhì)量數(shù)據(jù)和施工過程進(jìn)行統(tǒng)一管理，促進(jìn)箱梁施工的標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化，提高施工過程管理與質(zhì)量管理的水平。

在項(xiàng)目前期制訂了以下總體目標(biāo)：一是構(gòu)建具有開放性、集成性、協(xié)同性的信息化平臺(tái)，作為中鐵四局鐵路梁場的統(tǒng)一管理平臺(tái)。二是建立統(tǒng)一、標(biāo)準(zhǔn)的構(gòu)件（如設(shè)備、工裝等）與工藝工法分類庫，充分進(jìn)行知識(shí)重用，提高工作效率。三是基于本項(xiàng)目的開發(fā)及實(shí)施，探索以該信息化管理系統(tǒng)來進(jìn)行項(xiàng)目可視化管理、生產(chǎn)管理（工序、質(zhì)量、物料）、成本管理等，真正改變鐵路施工行業(yè)的粗放式管理現(xiàn)狀，實(shí)現(xiàn)精細(xì)化的管理。四是在第三方支持下，實(shí)現(xiàn)雙方接口的集成。

鐵路梁場信息管理系統(tǒng)包含功能較多，按總體規(guī)劃、分步實(shí)施原則，自2014 年開始實(shí)施，目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)的主要功能有：模型算量，通過Catia 建立的箱梁相關(guān)模型，從中提取相關(guān)數(shù)據(jù)用于圖紙復(fù)核和材料計(jì)劃；碰撞檢查，通過碰撞，檢查構(gòu)件與構(gòu)件之間的相互空間關(guān)系，不滿足施工的設(shè)計(jì)構(gòu)件尺寸和部位提前優(yōu)化，避免施工過程中造成工期滯延；標(biāo)準(zhǔn)化族庫管理，建立相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)化族庫，方便以后其他梁場的場地建模；三維作業(yè)指導(dǎo)書，精確指導(dǎo)施工，與傳統(tǒng)的二維交底相比，作業(yè)指導(dǎo)書更加生動(dòng)準(zhǔn)確；移動(dòng)APP 執(zhí)行，包含梁場生產(chǎn)計(jì)劃執(zhí)行、預(yù)制梁轉(zhuǎn)運(yùn)、預(yù)制梁出場、質(zhì)量缺陷管理；進(jìn)度對(duì)比分析，包含周、月、季、半年、年計(jì)劃的對(duì)比分析，原因總結(jié)；實(shí)時(shí)進(jìn)度可視化展示，目前梁場實(shí)際制、存狀態(tài)和每榀箱梁當(dāng)前工序狀態(tài)的可視化展示。

傳統(tǒng)的鐵路施工中，都是根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙來提取相關(guān)工程數(shù)量用于后續(xù)的材料計(jì)劃、技術(shù)交底等工作，尤其對(duì)于箱梁，工作體量大，容易出錯(cuò)。通過Catia 建立的箱梁模型，包含了混凝土、預(yù)應(yīng)力、預(yù)埋件、鋼筋籠等模型，可整體和單個(gè)求出每個(gè)模型所需的材料數(shù)量，準(zhǔn)確、快捷。在客戶端可以單獨(dú)展示每個(gè)構(gòu)件下最小的單元，方便工程技術(shù)人員審圖核量，比對(duì)設(shè)計(jì)圖紙是否出現(xiàn)錯(cuò)誤。通過實(shí)際和設(shè)計(jì)工程數(shù)量的對(duì)比分析，可見上述工程數(shù)量的正負(fù)量差，有助于我們進(jìn)行成本綜合管理，最大程度節(jié)約成本，合理安排項(xiàng)目資金使用計(jì)劃，體現(xiàn)資金的時(shí)間價(jià)值。

利用BIM 可視化技術(shù)的特性，突破了傳統(tǒng)2D 設(shè)計(jì)圖的限制，提高施工圖檢查效率與精確度。在梁場部分臨建中，通常要預(yù)留工機(jī)具的工作空間，而傳統(tǒng)的二維圖紙不能精確檢查出預(yù)留空間是否滿足施工生產(chǎn)要求。預(yù)留空間過大，浪費(fèi)材料；預(yù)留空間過小，則工機(jī)具不能正常運(yùn)轉(zhuǎn)。如在梁場鋼筋加工棚中，利用BIM模型進(jìn)行碰撞檢查，精確發(fā)現(xiàn)了臨建施工過程中的10T 門式起重機(jī)與鋼筋加工棚干擾的問題，通過局部調(diào)整、深化設(shè)計(jì)，能夠更好地指導(dǎo)施工，最大限度地減少因返工造成的成本支出。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)化族庫

圖3 預(yù)應(yīng)力張拉作業(yè)指導(dǎo)書

BIM 模型的標(biāo)準(zhǔn)化族庫建設(shè)，通過本項(xiàng)目的數(shù)據(jù)積累，建立了梁場相關(guān)的機(jī)械設(shè)備庫、工裝庫、產(chǎn)品庫，隨著族庫建設(shè)的不斷完善，將極大地方便后續(xù)項(xiàng)目的BIM 技術(shù)應(yīng)用。每個(gè)模型都掛接相關(guān)廠家、標(biāo)定次數(shù)，當(dāng)使用或者檢修次數(shù)超過一定時(shí)間會(huì)自動(dòng)預(yù)警，方便相關(guān)人員保養(yǎng)維修(見圖2)。

傳統(tǒng)的技術(shù)交底和作業(yè)指導(dǎo)書都是文字輔以CAD 圖紙來說明設(shè)計(jì)重點(diǎn)和施工注意事項(xiàng)，比較生硬和難以理解，施工人員需要按照文字說明來想象具體施工過程和質(zhì)量控制要點(diǎn)。本系統(tǒng)制作的三維作業(yè)指導(dǎo)書，涵蓋了從施工準(zhǔn)備到工藝流程每個(gè)細(xì)節(jié)，生動(dòng)形象。縮短了工人培訓(xùn)的時(shí)間，也為施工生產(chǎn)質(zhì)量提供了有力保障，避免因識(shí)圖錯(cuò)誤而造成的返工，保證了每道工序的施工質(zhì)量（見圖3）。

在進(jìn)度管理中，本項(xiàng)目研發(fā)了與系統(tǒng)配套的手機(jī)移動(dòng)端，通過梁場生產(chǎn)中二維碼的掃描和信息錄入，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場信息數(shù)據(jù)的及時(shí)推送和接收，方便任務(wù)的上傳下達(dá)，提高了工序流轉(zhuǎn)效率。主要開發(fā)功能有手機(jī)端制梁工序任務(wù)接收、手機(jī)端箱梁二維碼驗(yàn)證、手機(jī)端二維碼信息掃描輸入、手機(jī)端工序任務(wù)的提交、手機(jī)端倒運(yùn)梁信息錄入。

在系統(tǒng)的進(jìn)度管理模塊，可以按照年度、季、月顯示總體的生產(chǎn)計(jì)劃，也可以按照工序顯示單片梁的進(jìn)度安排。在生產(chǎn)過程中，各工序按實(shí)際進(jìn)度向系統(tǒng)報(bào)交節(jié)點(diǎn)后，系統(tǒng)能自動(dòng)生成單片梁的計(jì)劃、實(shí)際的對(duì)比差異圖，形象而直觀。相關(guān)人員積極調(diào)整資源配置、調(diào)整施工計(jì)劃，優(yōu)化施工組織（見圖4）。

圖4 整體實(shí)時(shí)進(jìn)度場景

BIM 及信息化技術(shù)在鐵路行業(yè)應(yīng)用方向

隨著國家對(duì)高速鐵路投資建設(shè)力度的加大，同時(shí)施工行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化、精細(xì)化的管理要求，對(duì)傳統(tǒng)鐵路施工的“人管人”“粗放式”的管理模式提出了挑戰(zhàn)，為改變這種管理短板，提升企業(yè)自身形象和在行業(yè)中的競爭力，加強(qiáng)新技術(shù)、新理念的推廣應(yīng)用勢(shì)在必行。結(jié)合BIM信息化技術(shù)，繼續(xù)探索該技術(shù)在本行業(yè)應(yīng)用點(diǎn)。結(jié)合遠(yuǎn)程定位技術(shù)，在梁場整體場景中顯示目前的人員實(shí)時(shí)位置；同時(shí)實(shí)現(xiàn)梁場物資原材的扣減和預(yù)警。

實(shí)現(xiàn)鐵路工程管理平臺(tái)和本系統(tǒng)的接口集成。其中的拌合站信息化系統(tǒng)、靜載試驗(yàn)自動(dòng)加載系統(tǒng)、智能張拉系統(tǒng)、實(shí)驗(yàn)室信息化系統(tǒng)和本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)的自動(dòng)下載、錄入，并和相關(guān)模型掛接，實(shí)現(xiàn)質(zhì)量文檔和數(shù)據(jù)同步管理的模式探索。按照前期項(xiàng)目規(guī)劃，開發(fā)完善本系統(tǒng)中的質(zhì)量、安全、成本等模塊的功能。整合本企業(yè)其他信息化系統(tǒng)，最終形成一個(gè)大平臺(tái)，完成各個(gè)平臺(tái)數(shù)據(jù)的共享，實(shí)現(xiàn)真正的互聯(lián)互通。

從傳統(tǒng)的二維施工走向三維“管理”，以“大數(shù)據(jù)+ 互聯(lián)網(wǎng)”作為支撐的BIM 技術(shù)信息化管理手段必將代替?zhèn)鹘y(tǒng)的管理方式，實(shí)現(xiàn)企業(yè)管理的標(biāo)準(zhǔn)化、精細(xì)化、科學(xué)化。然而，一門新技術(shù)的推行必將受到很大的阻礙，尤其是傳統(tǒng)的鐵路施工行業(yè)，阻力重重。但BIM 技術(shù)的管理新理念和手段，信息周轉(zhuǎn)效率以及經(jīng)濟(jì)效益是建設(shè)環(huán)境友好型社會(huì)的重要舉措。