基于BIM技術的智能建造在鐵路行業的應用與發展

趙有明

（中國鐵道科學研究院集團有限公司， 北京 100081）

在新一輪科技革命和產業變革發展背景下，信息化與工業化的融合成為了世界各國積極推動的熱點工作，美國、英國、日本、德國等發達國家相繼發布了相關戰略規劃。面對挑戰與機遇，我國也不甘人后，先后發布了實質性規劃和政策，如《新一代人工智能發展規劃》、《互聯網+”行動計劃》等。政策與需求驅動興起一次新的工業革命浪潮，推動建筑業邁向由建筑信息模型（BIM）與移動互聯、物聯網、云計算、大數據、增強現實（AR）、虛擬現實（VR）等信息技術為支撐的智能建造。同時，也為鐵路建造提供了新的思路，著力推動中國鐵路由傳統建設體系向新時期智能建造模式的探索和轉變，中國鐵路初步確定了以BIM為先導的智能建造發展方向，智能建造將有極大的發展空間。另一方面，在取得快速發展的同時，鐵路建造與新技術深度融合應用方面還存在一定差距，急需探索出新的理論方法指導我國鐵路建造發展，滿足鐵路建造智能化發展新需求。

鐵路工程建設作為一項極其復雜的系統工程，具有建設周期長、參與單位數量多，協同組織困難；專業、設備、物資、檔案、質量等要求標準高、接口眾多，技術管理不易；施工環境十分復雜、質量安全風險控制責任重大；建設期技術、投資、進度、質量、安全、外部協調的控制水平與建設推進和安全運維密切相關等特點。因此，鐵路工程建設領域迫切需要運用智能建造的理念，將信息技術和傳統建設相結合，實現技術融創，推進鐵路建造過程精益、智慧、高效、綠色協同發展。

1 鐵路工程智能建造的主要內容

1.1 智能建造內涵

智能建造以BIM+地理信息系統（GIS） 技術為核心，綜合應用物聯網、云計算、移動互聯網、大數據等新一代信息技術，與先進的工程建造技術相融合，通過自動感知、智能診斷、協同互動、主動學習和智能決策等手段，進行工程設計及仿真、工廠化加工、精密測控、自動化安裝、動態監測和信息化管理等工程化應用，構建勘察、設計、施工、驗收、安質、監督全壽命可追溯的閉環體系，圍繞橋梁、隧道、路基、軌道及車站，實現建設過程中進度、質量、安全、投資的精細化和智能化管理，形成和諧共生的工程建設產業生態環境，使復雜的建造過程透明化、可視化，推動鐵路建設從信息化、數字化走向智能化發展[1-2]。鐵路智能建造內涵如圖1所示。

1.2 智能建造特征

鐵路工程建設領域的智能建造具有自動感知、智能診斷、協同互動、主動學習和智能決策5個基本特征，主要包括以下幾個方面：

（1）對鐵路工程建設中人、機、料、法、環等要素進行全面透徹的信息感知；

（2）對感知的海量大數據信息進行存儲、分析，形成對鐵路工程建設質量、安全、效率等指標的評判；

圖1 鐵路智能建造內涵

（3）提供更優質、更主動的交互以及廣泛、深度、安全可信的互聯互通和互操作，實現全面的信息和資源共享；

（4）積累大量數據和知識，不斷自主迭代，以適應鐵路工程建設發展需求；

（5）基于數據驅動、模型驅動、知識驅動等方法，從海量數據中提出決策信息，輔助建設管理和施工決策。

2 鐵路工程智能建造的核心技術體系

BIM是一個涵蓋項目從設計到運維生命期的管理工具，利用BIM進行設計應用、施工應用和建設管理，可以解決項目建設過程中復雜的技術問題[3]，提升鐵路精細化管理水平、增加資源利用率[4]。鐵路工程智能建造的核心技術為BIM技術，在建造生命期中，利用BIM進行應用管理，基于 BIM 的全生命周期建設管理理念，綜合運用GIS、大數據、AR、VR等技術，圍繞人員、機械、物料、方法、環境等關鍵要素，實現信息智能采集、管理高效協同、數據科學分析、過程智慧預測等為主要內容的工程建設信息化，從而實現鐵路建造生命期中各方面信息的集成與管控。在工程實踐中，探索形成了面向全球鐵路的BIM標準體系、基于BIM+GIS技術的全生命周期管理、泛在智能感知體系、基于移動互聯的智能物聯傳輸體系、基于云計算的全路工程建設智能管理平臺、基于大數據的智能分析決策和基于人工智能的機器人輔助作業等7大核心技術體系。

2.1 鐵路BIM標準體系

參照ISO12006、buildingSMART及中國國家BIM標準體系，通過在鐵路領域的大量拓展，形成一系列鐵路BIM相關標準[5]，包括技術標準和實施標準兩大部分，中國鐵路BIM標準體系如圖2所示。目前，已經發布了3項技術標準和6項實施標準，3項技術標準為：《鐵路工程信息模型分類和編碼標準（1.0版）》，《鐵路工程信息模型數據存儲標準（1.0版）》，《鐵路四電工程信息模型數據存儲標準（1.0版）》。6項實施標準為：《鐵路工程信息模型表達標準（1.0版）》，《鐵路工程信息模型交付精度標準（1.0版）》，《面向鐵路工程信息模型應用的地理信息交付標準（1.0版）》，《基于信息模型的鐵路工程施工圖設計文件編制辦法（1.0版）》，《鐵路工程數量標準格式編制指南（試用）》，《鐵路工程信息交換模板編制指南（試用）》 。

圖2 中國鐵路BIM標準體系框架

2.2 基于BIM+GIS技術的全生命周期管理

面向BIM+GIS設計、施工、運維的全生命周期和全專業的管理應用[6]，構建總體應用架構，如圖3所示。提供 “設計-工廠制造-現場裝配”產業模式的技術平臺，在此基礎上形成建設單位主導、項目參建各方共享、共同受益的技術體系，在勘察、設計、施工、運營的全生命周期中，實現信息共享和無損傳遞。

2.3 泛在智能感知體系

應用感知技術，建立鐵路建設時空自感體系，如圖4所示。實現對自然、人、工程實體、設備物資等工程要素的全面感知。例如：沿線地形、地勢、地貌、地質、水文條件等自然環境，橋梁、隧道、路基、站房等施工現場，拌和站、梁場、板場等大臨工程，壓力機、試驗機等實驗設備。通過對各類數據實時感知與采集，構建人與人、人與物、人與自然3個層次感知網絡，實現信息的無障礙獲取和傳遞。

圖3 基于BIM+GIS技術的全生命周期管理

圖4 泛在智能感知體系

2.4 基于移動互聯的智能物聯傳輸體系

針對鐵路工程建設現場多作業面同時施工而搭建的泛在智能感知體系，構建立體移動傳輸體系，如圖5所示。包括：基于近距離無線通信（NFC）、射頻識別（RFID）等技術的近場通信；基于WiFi、藍牙等技術的短距離大容量通信；基于NB-IoT、ZigBee 、LoRa等技術的低功耗遠距離通信；基于4G和衛星等技術的遠距離通信。總體實現建設現場、參與各方的無障礙傳輸，形成立體移動傳輸體系。

圖5 基于移動互聯的智能物聯傳輸體系

2.5 基于云計算的全路工程建設智能管理平臺

搭建行業私有云計算中心，如圖6所示。承載進度、質量、安全、投資、環境、驗收等多級多維工程建設應用，解決工程建設過程中快速計算、優化處理、云端存儲、信息共享等技術瓶頸，為建設單位、參建單位提供數據資源、專業管理和技術應用服務，實現基礎設施即服務、平臺即服務、應用即服務。

圖6 基于云計算的全路工程建設智能管理平臺

2.6 基于大數據的智能分析決策

如圖7所示，基于GIS、影像、物聯網感知、BIM、地質環境、視頻多媒體等各類結構化和非結構化信息，進行海量數據信息智能檢索與實時分析，挖掘主題知識，實現建設過程優化和輔助決策[7]。

圖7 基于大數據的智能分析決策

2.7 基于人工智能的機器人輔助作業

基于人工智能的機器人輔助作業如圖8所示[8]，主要包括2個方面：（1）通過應用無人機搭載傾斜攝影、軌道板智能精調小車等新型工裝機械，實現自動、自助采集實際施工過程數據，與BIM技術結合進行多算對比，在建造過程中形成全面監督和及時反饋；（2）應用BIM技術，對地形、地質、場地、實體模型進行統籌，對盾構機、架梁機、攤鋪機、挖掘機等設備進行指導，完成精準施工、智能評判，從而提高工程效率和質量。

圖8 基于人工智能的機器人輔助作業

3 鐵路工程智能建造的應用實踐

我國高度重視高速鐵路的發展，經過多年的技術研究、工程實踐和安全運營，高鐵事業取得了巨大成就，尤其是形成了以智能京張為代表的一系列創新實踐，在全路范圍打造出多項標桿工程。在摸索與實踐中形成了智能建造6大應用場景，即工程設計及仿真、工廠化加工、精密測控、自動化安裝、動態監測、信息化管理。

3.1 工程設計及仿真

工程設計及仿真優化，如圖9所示，包括：方案對比，方案優選，虛擬建造等應用。通過BIM工具快速生成鐵路工程信息模型，對比構筑物造型及環境，選取最優方案；基于BIM對預制構件深度拆分、房建工程綠建節能、構筑物穩定性等進行分析，完成設計方案優化；通過BIM模擬建造過程，利用精細化模型指導施工，提前發現問題，保證施工順利進行。

圖9 工程設計及仿真優化

3.2 工廠化加工

工廠化加工包括鋼梁、鋼筋自動化加工等應用，通過BIM數據與數控機床直接對接，實現將三維BIM轉化為數控機床的G代碼，供數控機床使用，減少人工二次轉換的工作量，并提高制造準確性。基于“BIM翻樣+數控加工”模式，實現鋼筋自動加工。

3.3 精密測控

精密測控包括數字化施工、軌道板精調、梁體自動張拉、樁基施工等應用。通過構建施工現場的北斗衛星定位和無線網絡覆蓋，實現數字化測量、數字化機械施工和施工過程的智能化。基于軌道板精調小車，實測平面位置及軌面高程，指導軌道調整；通過自動張拉設備，實現張拉過程一鍵全自動控制，精確調控張拉力，確保張拉同步，提高預制梁工程質量；利用無縫線路施工裝備自動監控軌溫、氣溫，自動判斷施工方法和鋼軌拉伸量，實時監控撞軌過程，自動判斷撞軌是否達到零應力狀態，全程監控鋼軌縱向位移值和均勻性；通過北斗定位及傳感器監測技術，實現對樁長、樁身垂直度、提鉆速率的實時監測，有效提高樁基施工質量。

3.4 自動化安裝

自動化安裝包括三維數字化預拼裝、橋梁、軌道板自動化安裝等應用。通過高精度測量桿件幾何尺寸，分析桿件制造精度，快速分析拼裝控制參數，并獲取桿件安裝變形，分析現場架設誤差并指導施工；利用架梁機、鋪軌機等大型智能工裝設備對橋梁、軌道板等進行半自動化安裝。

3.5 動態監測

動態監控包括線路沉降觀測、圍巖量測、連續梁線形監控等應用。應用智能技術，實現線路外業量測數據的實時采集、測點變形的實時預警，方便及時掌控沉降變形情況；在全站儀量測作業的同時自動分析計算，針對變形速率和累計變形量實行雙控報警，大幅提高隧道施工風險管控能力；對連續梁線形及偏差進行監測，輔助進行連續梁結構分析和后續施工控制，確保合龍線形符合設計要求。

3.6 信息化管理

鐵路工程建設信息化形成了“一門戶、三平臺、六體系” 模式[9]。“一門戶”即鐵路工程建設網站；“三平臺”即工作平臺、服務平臺及知識平臺；“六體系”分別為綜合管理體系、進度管理體系、材料管理體系、質量管理體系、安全管理體系和投資控制體系，如圖10所示。

圖10 鐵路工程管理平臺“六體系”

3.6.1 綜合管理體系

應用電子沙盤技術，對全線結構物、征地拆遷、大臨工程等的現狀分布、進度、安全、質量、檢驗及過程記錄進行全面、直觀揭示。按照預設和可調節的指標體系進行綜合分析，以此對現場進行調度指揮；提供移動工作平臺，方便建設項目相關人員隨時隨地使用，釋放精力專注現場。

3.6.2 進度管理體系

包括電子日志、施工組織、形象進度。通過施工現場安全員、技術員、質量員應用電子日志，全面、真實、實時反映現場作業實際，生成全線各標段單位工程二維、三維混合形象進度，應用施工組織指標對關鍵線路進行分析預判，對存在問題進行移動預警。

3.6.3 材料管理體系

包括拌和站、試驗室、物料進場驗收等。提供試驗過程全過程管理，能夠對壓力機、萬能機等主要試驗自動采集，對混凝土配合比、拌和時間進行采集分析報警，對原材進出場、庫存進行可視化、數字化管控，全面加強源頭控制。

3.6.4 質量管理體系

包括梁場、板場系統，自動張拉、樁基施工、路基連續壓實、橋梁靜載等。對線下、線上工程和梁、板、枕等廠制品生產制造過程利用信息化手段進行自動作業、采集和主動上傳，實現施工環節質量全過程監控和可追溯。

3.6.5 安全管理體系

包括隧道圍巖量測、超前地質預報、作業人員定位、跨線施工管理等。通過加強對施工環境、作業過程、作業行為的監管，實現對重大、突發風險的預防預判，強化安全風險管控能力。

3.6.6 投資管理體系

依托實時的實物工程量，結合概算指標進行投資，完成跟蹤及推算，為計劃管理提供依據；開展離線和在線結合的驗工計價技術支撐，提高工作效率。

4 鐵路工程智能建造發展展望

當前，基于BIM技術的鐵路智能建造取得階段性成果，隨著BIM、物聯網、云計算、機器人及數字孿生等技術的不斷發展，工程項目環境愈發復雜，需進一步統籌考慮鐵路工程全生命周期建造需求，推進BIM應用向縱深發展，強化智能機器人輔助作業，加強對多元信息分析整合，提高鐵路建造智能決策水平，進而構建和諧共生的工程建設產業生態環境。

4.1 BIM應用發展

BIM應用發展愈發縱深。BIM應用將覆蓋整個勘察、設計、施工、運營與維護全過程，涵蓋站前、站后等涉及設計、施工、建設管理、運營維修全專業和全體人員。

BIM應用將涵蓋整個勘察、設計、施工、運營和維護的全過程，涵蓋車站前后的整個專業人員，涉及設計、施工管理、運營維護等人員。

4.2 智能機器人輔助作業

智能機器人輔助作業更為廣泛。在現有智能機器人應用的基礎上，拓寬智能機器人在鐵路工程各環節的應用，特別是危險地段、隱蔽地段等可能危及施工人員安全或施工人員難以到達的位置，進一步保障施工安全，提高工程質量。

4.3 智能決策

智能決策更加精準。基于海量歷史數據和深度學習，對多元信息進行智能綜合檢索、多維分析，獲取更加精確的決策信息，輔助工程建設施工。

4.4 產業生態環境

產業生態環境趨向人性化、社會化，并且更加和諧。通過建立多方參與的協同共享、互利共生的開放平臺，創造和諧共生的產業生態環境，推進復雜的建造過程向透明化發展，進而實現建造過程的智能化、集成化以及互聯化。

5 結束語

在國家信息化與工業化融合發展的背景下，本文基于BIM技術開展積極探索，聚焦鐵路工程智能建造，提煉智能建造5個基本特征，形成7大技術體系，開展6種典型應用，在此基礎上研發實踐了“一門戶、三平臺、六體系”的信息化管理平臺，并提出智能建造在鐵路工程建設的發展展望，為打造符合新技術的標準化建造產品，助力鐵路可持續發展，服務廣大人民群眾奠定了堅實的基礎。