BIM技術在鐵路“四電”工程項目管理中的應用

楊建偉

（中鐵武漢電氣化局集團華北區域指揮部 黨委書記、副指揮長，北京 100072）

1 研究的目的

1.1 國內BIM應用發展現狀

近年來BIM技術得到迅速發展和應用，并已被工程業普遍認為是行業的第二次信息技術革命。在我國，建筑工程中BIM的應用起步較晚，深度、廣度遠不及美國，但是近幾年在一些大型、復雜項目中進行了嘗試，取得了部分應用效果，也為后續的發展應用奠定基礎。由于BIM應用相關的配套標準不完善，軟件系統不落地，管理方式沒有跟進，從總體上呈現散點式的非系統性應用特點。建設部在2011年5月發布了 《2011—2015年建筑業信息化發展綱要》，2015年7月發布《關于推進建筑信息模型應用的指導意見》（建質函〔2015〕159號），以上海市為代表的各地區政府也出臺多個應用指南或規范，國內一些大型設計公司、施工企業和地產公司成立了自己的BIM團隊，為BIM應用研究投入了大量的人力物力。

1.2 研究目的

BIM技術以三維模型為基礎，逐步形成建筑物在工程全生命周期內的信息模型，支持建筑物在規劃、設計、施工、運維等各階段活動，從而實現工程領域的精細化方案、精細化施工和精細化管理。

本次研究依托BIM技術應用，建立 “四電”集成全屬性信息三維模型。在可視化方面，通過三維模型的快速展現，實現所見即所得，獲取更多的工程信息，為決策提供詳實的依據。在工程實踐中，可以利用BIM技術實現變（配）電所、信號中繼站、通信基站和綜合接地等集中纜線分層分路徑預定位和動態碰撞檢查。通過三維模型的4D模擬安裝、安裝演示等功能來指導實際的施工，減少在安裝過程中的錯漏碰缺，最大程度地減少返工和修改，最終實現“四電”接觸網等項目施工過程的可視化、信息化、協同化與數字化管理。

2 研究成果

2.1 主要研究內容

BIM信息模型是開展BIM應用的前提和基礎，是三維可視化的管理對象，是數據信息載體及竣工數字化交付的重要組成部分。創建與設計圖紙相一致，與實際施工相一致的BIM信息模型是項目管理BIM應用的重點工作之一。“四電”工程項目的BIM模型包含以下內容：

1）三維空間線路模型創建：線路作為其他各專業模型的定位依據，其坐標系統與高程系統必須與設計總圖保持一致。在其他建模工作開始之前，首先要完成線路模型的建立，以便其他各專業實時獲取線路空間參數信息。

2）站前土建部分模型創建：讀取已創建的三維空間線路模型幾何形體及空間參數，利用CSD軟件的路、橋、隧專業建模工具，設置好起止里程標、斷面類型等相關參數，軟件系統自動創建站前工程的三維模型。

3）接觸網參數化模型創建：CSD軟件為接觸網專業專門研發了接觸網設計模塊，模型創建方式與流程如下：（1）創建區間：選擇線路右線輸入區間名稱，設定起始樁號與終止樁號創建區間；（2）創建錨段：選擇區間并輸入錨段名稱，每個錨段均分為前段、中間錨段、后段三個部分，可分別控制接觸網支柱數量與間距，共同決定一個錨段的總長度，程序會根據輸入參數自動判斷生成錨段；（3）創建參考柱線：需要設定接觸網支柱限界、拉出值、導高、吊弦長度與數量等參數，確定接觸網支柱（含設備）的具體位置，選擇錨段或者區間定位平面線生成參考柱線；（4）創建接觸網柱（含設備）：使用實體模型類型，支柱類型可在構件庫中選擇不同的接觸網柱類型，構件庫內模型對象主要有兩種，一種是通過MS建立的實體模型入庫，另一種是由PCL語言創建的模型；（5）創建懸鏈：根據前面步驟設定參數，選擇相應的區間或者錨段自動生成接觸線。

2.2 鐵路“四電”BIM應用管理系統研發

“四電”BIM應用管理系統是開展基于BIM技術的項目可視化管理的重點，其主要功能如下：

1）加載管理三維BIM信息模型，將本地BIM模型通過輕量化處理，加載到管理系統中，為項目質量、進度、造價、安全等管理提供管理對象，為項目管理提供三維可視化工作場景。項目管理者可看到與項目現場一致的工程進展情況，并能通過虛擬仿真漫游等技術讓人有身臨其境的感覺。

2）為各個參與單位提供協同工作環境，“四電”管理系統為項目管理提供信息數據集成、共享環境，使各方獲得的數據能夠及時、唯一。本系統協同包括：能夠提供建設單位、施工單位（子單位）、監理單位等不同參與方及每個單位的不同部門之間協同，能夠提供“四電”不同專業間協同，能夠提供不同時間、空間之間協同。

3）為項目質量、進度、造價管理等提供專業管理工具，以傳統項目管理的流程和管理內容為基礎，加入三維可視管理的工具，讓項目質量、進度、造價等管理更為直觀、簡便。做到三維可視化模型、數據信息、現場實際三者相互對應，相互檢驗。

4）為項目過程信息數據處理提供專業工具，以BIM模型為對象，對項目施工過程的設計、采購、預配、施工、驗收等環節進行系統的數據采集、存儲、交換、分析，方便日后查詢、追溯。結合設備或構配件的二維碼管理，通過電腦PC端、移動端掃描對接，實現信息記錄、信息查詢不受時空限制。

2.3 關鍵技術及研究方法

以BIM理論及相關軟件為基礎，結合鐵路“四電”項目施工過程進行研究，在研究過程中主要采用如下研究方法：

1）智能設計法：三維建模過程中，基于Project Wise協同管理平臺，跨專業、跨地域地進行交互、協同設計，使數據與信息得到共享，保證每個參與人員及時獲得正確版本上游文件。數據模型的參數化與關聯性，使項目設計模型的部分專業或模塊如有變更，與之相關的數據參數可自動變化。

2）基于BIM的施工管理法：基于Civil Station Construction施工管理軟件，結合Project軟件調整和控制工程項目的施工進度，通過處理現場的施工計劃進度與實際進度，實現工程項目施工過程的可視化模擬；實時錄入工程質量驗收相關數據，對施工現場進行動態監控管理；工程量的動態統計，與造價信息的掛接，實現工程項目施工進度的4D（三維+時間）與5D動態管理。

3 BIM技術在“四電”工程項目管理中的具體應用

3.1 二維圖深化設計

通過使用三維BIM信息模型創建工具，將多個二維圖按照1：1比例集成創建鐵路“四電”項目信息模型（圖1、圖2），形成一個直觀具體的虛擬項目實體，集成項目設備構件的位置信息、外觀信息、矢量尺寸、規格型號等多項信息，可以360°無死角全面展示項目實際面貌，即（模型）所見為（施工后）所得，更加直觀表達設計師的意圖。通過協同管理平臺共享信息模型，參建各方、各個部分可以獲取相同的項目信息，提高各方交流與溝通的效率。

圖1接觸網BIM信息模型

圖2接觸網補償裝置模型

創建三維信息模型的過程也是工程施工預演過程，應用相關的工具軟件，分部創建單專業模型，然后通過協同平臺合并組裝，利用專業工具軟件進行碰撞檢查，檢驗各個專業之間信息模型是否存在錯、漏、碰、缺等設計質量缺陷（圖3），檢驗房間與設備之間的空間布局是否合理，設備的各項參數是否符合施工及運維要求，反查二維圖存在的缺陷與不足，提前修改，減少設計變更，減少過程返工，提高設計質量效率。同時，為后續的工程質量管理、進度管理、成本管理等創造條件。

圖3 BIM模型的生成及檢查

3.2 施工組織模擬

施工組織是進行正式施工前整體工作計劃安排，有著十分重要的作用，是對項目進行施工段劃分、工序劃分、各項人、材、機、物等資源的調配管理，來指導施工。傳統的施工組織都是在二維圖上進行推演，雖然發揮了重要作用，但也存在一些難以解決的問題。應用BIM技術進行施工組織，相比二維圖條件下，具有優勢：一是利用三維可視化BIM模型，可以在空間維度上進行作業空間劃分，按專業、工序合理安排各種資源，更加直觀、準確；二是應用BIM模型進行各類數據測算，能夠準確預判每個作業空間的資源需求，為施工組織計劃提供準確的數據支撐；三是對已安排的計劃利用BIM模型進行推演模擬，直觀地展示施工安裝工序以及工序之間的銜接，檢查施工組織計劃是否合理，發現計劃安排不合理的施工順序、不合理的資源安排，可能存在的作業安全隱患，預留的空間不足等問題，并清晰把握在安裝過程中的難點和要點，施工方也可以進一步對原有安裝方案進行優化和改善，以提高施工效率和施工方案的安全性。

3.3 工程量統計

工程量是整個項目實施中最為重要的基礎數據，是進行項目經濟性判斷、施工資源預配、項目成本測算、資金安排、項目進度計算的基礎。工程量是進行工程項目管理的樞紐，項目各參與單位甲方、設計、施工、監理等都非常重視，貫穿項目初步設計、施工圖設計、工程施工全過程（如圖4）。

圖4工程量使用類型及需求單位

傳統條件下，預算工程師（工料測量師）依據二維圖紙，結合國家設計、施工規范，安裝圖集等資料，先進行分類列項，再按順序逐一羅列項目，最后根據統計要求形成一份完整的工程量清單。利用BIM模型計算工程量，只要BIM模型創建完成，計算機會自動計算出準確詳實的工程數量，可以根據項目多種空間劃分、專業、時間、里程等多維度進行組合統計，統計方式更加靈活，統計速度更加快速，統計結果更加準確，能夠切實為項目管理者提供決策中數據支撐。BIM模型大大減少了繁瑣的人工操作和潛在錯誤，相比手工計算節省近90%工作時間。兩種工程量計算流程對比見圖5。

圖5兩種工程量計算流程對比

3.4 施工進度管理

施工進度管理是項目施工管理的重要內容之一，傳統管理方式是在類似工程經驗基礎上，以橫道圖（甘特圖）為主，來表達施工的空間關系、工序關系、時間進度等信息。由于專業性強，可視化程度低，無法清晰描述施工進度以及各種復雜關系，難以準確表達工程施工的動態變化過程，尤其是無法對工程進度量化。

應用BIM技術進行施工進度管理，通過將BIM與施工進度計劃相鏈接，將空間信息與時間信息整合在一個可視的 4D(3D+Time)模型中，可以直觀、精確地反映整個施工過程。具體來說，一是利用BIM模擬性，綜合考慮多因素來驗證既定進度計劃是否合理；二是通過BIM模型直觀反映工程實際進展，用不同顏色來區別構件是否按計劃時間完成；三是通過數據統計方法用柱狀圖或餅狀圖來表示（如圖6），從定性和定量兩個方面分析，隨時檢查不同時間維度、空間維度項目完成情況，對整個工程的施工進度、資源和質量進行統一管理和控制，以縮短工期、降低成本、提高質量。

圖6某“四電”項目接觸網專業進度統計柱狀圖

3.5 工程物料跟蹤

鐵路“四電”項目物料管理是確保工程質量符合設計要求，項目工期能夠按計劃推進的關鍵，建立一整套從物料計劃、物料采購到物料配送、現場安裝一體化的閉環管理流程是根本。在BIM技術出現以前，物料卡控的重點放在流程建立與制度管理方面，在技術方面借助較為成熟的物流行業的管理經驗及技術方案 (例如 RFID無線射頻識別電子標簽)。通過RFID可以把建筑物內各個設備構件貼上標簽，以實現對這些物體的跟蹤管理，但RFID本身無法進一步獲取物體更詳細的信息(如生產日期、生產廠家、構件尺寸等)。

應用BIM綜合管理平臺，結合物聯網技術應用，將物料需求單、物料采購、物料配送、過程監控、物料現場安裝等所有環節管理放在同一個平臺，減少手工錄入，每個階段信息無縫銜接，數據準確無誤。在BIM模型創建以后，系統會根據模型自動生成一個物料數據庫，每個物料都有唯一的編碼標識，選擇生成一份物料需求單，給出每種物料編碼（二維碼）、名稱、型號規格等相關技術要求。通過招投標以后，由相關人員推送給生產廠家，接下來的每個環節可以直接在系統中填報或掃描二維碼填報物料信息，隨時查詢了解各項數據是否準確，進行物料信息追蹤、比對，避免出現信息不對稱，形成信息孤島，引起物料質量不合格，采購與實際需求不一致，到場時間不及時，或發生物料丟失等情況。

3.6 工程信息管理

鐵路“四電”項目信息管理貫穿項目設計、施工兩階段，是以對應BIM模型為對象，通過對單位工程、分部工程、分項工程，分解到構成部件和最小構成單元——零件，逐級進行信息記錄，結構化信息存儲。記錄的內容涉及材料信息、人員信息、技術信息、時間信息，是包含設計圖紙信息、采購信息、預配信息、施工過程信息的全周期記錄。信息數據庫能夠查詢、追溯施工期間各類信息，進行各類數據統計，項目竣工后形成數字化檔案，永久服務運營管理，是鐵路“四電”項目大數據分析的基礎。

以某鐵路“四電”項目接觸網專業為例，工程技術人員通過BIM綜合管理系統或同步開發APP，隨時隨地記錄零部件的技術參數、施工人員、施工時間、施工條件等，并就這些信息進行前后對比，檢查是否有設計、施工偏差，并且共享這些數據信息，信息數據傳遞確保唯一性、及時性、無損性（如圖7）。

圖7某鐵路“四電”項目接觸網信息記錄

3.7 竣工模型交付

在傳統的竣工交付中，施工單位通常會向檔案管理單位移交一套竣工圖紙及紙質技術資料檔案。竣工資料在以后應用過程會出現很多問題，第一，竣工圖與工程實體的實際信息還有差距，信息不完整、不準確，有些工程表面看起來工作量不大，但在實際中卻非常重要；第二，技術資料非常龐雜，檢索起來并非易事，時間越久會越難。

應用BIM技術，項目竣工后，移交一套完整的與工程實體相一致的三維可視化數字檔案，不僅為后續的維管運營帶來便利，并且可以在未來的改造、擴建過程中為業主及項目團隊提供有效的歷史信息。一是BIM是動態的，BIM模型位置信息與工程現場實際完全一致，位置信息一一對應；二是BIM模型承載了一整套完整的貫穿設計施工全過程的信息數據，可以輕松檢索到各類信息；三是可以查看一般構件，也可以檢查隱蔽工程，實現全面查詢；四是信息數據庫存儲龐大的數據信息，是未來大數據分析的基礎。

4 社會效益與經濟效益

1）采用數字化手段，對工程項目進行虛擬化設計，方便進行技術比較，避免設計事故發生，從而減少工程返工，有效控制成本，提高設計產品質量。

2）運用三維設計和出圖，將重復性設計工作自動化，解放了設計人員生產力，進而縮短設計周期，大幅度提高了設計效率。

3）采用可視化技術，對項目設計、施工、運行各階段的總體情況進行展示說明，使項目的設計優越性和企業的管理先進性得以推廣，提升了設計影響力。

4）工程項目管理能力反映工程公司的水平，而協同設計正是工程項目管理的基礎。數字化設計工作的研究和開展，有利于增加企業核心競爭力。

5 結束語

鐵路“四電”工程項目管理引入BIM技術，使項目各參與方協同工作，實現工程項目的精細化管理，實現全生命周期的信息共享。2018年國家提出了鐵路工程的智能化、信息化的戰略方針，打造中國高鐵名片，把BIM應用在電氣化智能管理系統就是一次有意義的技術經濟探索。