基于BIM與工程數據的軌道交通總承包進度管理研究

何躍川, 汪 宇, 肖 薄, 李 奇

(中鐵科學研究院有限公司， 四川 成都 610032)

0 引言

以融投資為基礎的施工總承包模式在軌道交通領域廣泛應用，該模式下通常為剛性工期約束下的四邊工程且影響工期因素眾多[1]，對進度管理能力與企業履約能力提出了更高要求。傳統進度管理手段存在計劃制定只關注時間不關注資源消耗，計劃無可行性與經濟性[2]； 無法快速處理信息，無法預警計劃偏差，以事后管理為主； 僅用橫道圖或網絡圖等表達計劃，難以發現沖突矛盾；以產值為管理手段，無法掌握準確進度且難以判斷產值真實性等問題。

BIM(建筑信息模型)通過建立工程項目數字化表達，能夠承載建筑全生命周期工程數據，為項目進度管理提供數據支持，提高管理者管理效率。王婷等[3]將BIM和Project結合進行施工過程及場地布置模擬； 蔣平江等[4]運用DELMIA建立人體工學仿真BIM，實現三維技術交底與施工進度模擬； 何晨琛等[5]利用BIM進行進度控制基本模式并實現進度模擬； 袁振民等[6]利用BIM探索施工進度-成本優化方案； 李勇[7]嘗試利用BIM平臺進行施工進度復雜因素預測； 王乾坤等[8]利用BIM數據實現基于關鍵鏈進度計劃的進度預警。上述研究成果對BIM在進度管理中的應用進行了挖掘與探討，但尚沒有從施工總承包管理角度對BIM在進度管理中的應用進行系統性研究。本文從BIM發展現狀與總承包實際管理需要出發，研究軌道交通進度管理相關數據的相互關系與信息化管控模式，以期為類似工程提供參考。

1 總承包單位進度管理要點

1.1 進度管理工作

施工總承包管理不僅對建設單位承擔法律和經濟責任，還對分包單位、指定分包單位、專業承包商承擔監督、管理和協調義務[9]，其進度管理工作是將施工總目標進行詳細分解，通過計劃、組織、實施、激勵、控制5項管理手段確保項目順利推進與工程按期履約。

基于調研訪談反饋可將總承包單位進度管理工作細分為計劃管理、進度控制、成本控制和資料管理4個方面，并可得出進度管理主要影響因素[10]：

1)技術因素。包括項目參與方之間信息共享與傳遞情況，不同專業、工作面、工作計劃的協同工作情況[11]，施工計劃編制與調整優化水平，資源用量測算準確與合理性。

2)管理因素。包括進度計劃落實情況、人員素質與其施工內容的理解、工藝工法熟練程度與操作水平、分包單位工程人機料配置與供應情況、工程價款撥付準確與及時性。

3)客觀因素。包括施工環境條件、既有建筑與工況復雜度、總體計劃制定情況、政府與建設單位履約要求等。

1.2 基于BIM的進度管理應用點

分析施工總承包進度管理實施影響因素可知，總承包進度管理的對象為分包單位，主要進行形象進度、關鍵節點、資金資源撥付等控制，不需要對施工隊伍、機械臺班的工效進行直接控制。結合BIM技術特點與工程信息集成管理思想[12]可知，施工總承包管理中運用BIM技術的可行性高于分包單位管理，主要管理應用點如下：

1)通過整體線路及關鍵部位施工過程模擬、三維漫游、實時施工位置查看等，實現施工進度可視化；

2)快速獲取實際進度數據、進度計劃完成情況，實現進度實時跟蹤與計劃動態比較；

3)實現形象進度層次的工效控制，分析進度偏差產生原因與偏差影響，確定后續工作限制條件，調整并實施進度計劃；

4)快速統計產值與工程量，為工程的進度款撥付、工程結算提供參考，減少成本計劃與工程進度款支付爭議；

5)實時測算工程進度成本，糾正實際工程進度、成本與目標進度、成本差距，防止對整個項目的進度與結算造成影響；

6)實現基于數據庫的竣工進度信息模型集成交付，實現資產移交的信息化。

2 基于BIM的進度管理

本文利用BIM解決工程WBS與工程量清單相互關聯、結構化存儲與數據可視化問題，通過各階段施工計劃、關鍵節點、施工進度錄入、預警報警、數據統計等規則制定實現各項進度管理應用，并基于C#開發應用平臺進行功能實現。為不失一般性，本文僅從方案實施層面進行討論，不表述具體業務邏輯、數據庫規則、顯示渲染、模型輕量化、代碼編程、操作流程等軟件開發與運行問題。

2.1 系統架構與實施流程

基于BIM與工程數據的進度管理實施，系統架構分為數據層、服務層、業務邏輯層和交互層，用戶交互層主要分為數據配置、數據錄入和數據應用3個方面，具體平臺框架架構如圖1所示。

2.2 數據處理與基礎設置

2.2.1 數據關系

進度管理實施的前提包括對工程項目的實施對象與造價進行分解，傳統進度管理工具均以WBS(work breakdown structure，工作分解結構)進行數據分類存儲，但WBS不是工程項目固有屬性，其分解方式受管理者立場、能力、經驗及水平等因素影響而不同；而按照標準建立的BIM構件在單位工程中分類方式、模型顆粒度固定，故本文數據存儲以BIM構件為基本單元，對于單個BIM構件需要存儲的進度管理相關數據包括BIM自身數據、WBS數據、進度計劃數據、實際填報數據等，在進度管理部分應包含數據及其相互關系，如圖2所示。

圖1總承包BIM進度管理系統架構與實施流程

Fig. 1 Architecture and implementation process of schedule management system of construction primary contractor based on BIM

圖2 BIM與工程數據相互關系

2.2.2 BIM模型要求

目前BIM通用格式(例如工業基礎類(IFC)格式)還未被普遍采用，多數項目模型直接采用現有BIM建模軟件建立且未包含構件完整的編碼信息。為保證進度管理的順利實施，故對本項目所需BIM數據最低要求進行約定，如表1所示。

2.2.3 BIM與WBS映射

BIM按照適用的建模標準要求進行構件分類，例如隧道區間結構分為初期支護、二次襯砌、仰拱、走道板等。但施工進度計劃通常以WBS作為編制的依據，例如隧道區間分為施工準備、左線、右線、附屬結構等(各部分可能均包含初期支護與二次襯砌的構件)，所以WBS工作包對應BIM構件映射為多對多關系，WBS與BIM構件映射規則如表2所示。

表2 WBS與BIM映射關系

同時，為保證對BIM的可操作性，將WBS中需要綁定且能夠反映工程形象進度的BIM構件作為進度BIM構件，將過小、過多、地質、場地或其他不適用于綁定WBS情況的BIM構件作為非進度BIM構件，非進度BIM構件用于可視化展示，不用于工程量計算、WBS綁定等。考慮到WBS分解的非標準性，將需要掛接BIM構件的WBS構件WBS工作包作為“需構件WBS”； 對成本與工期對項目影響小且BIM構件不容易選擇的WBS作為“無構件WBS”；對工程驗收、內業、準備等工作作為“輔助工作WBS”。則“無構件WBS”與“輔助工作WBS”不需要定義映射BIM構件，系統自動按新建并綁定1個名稱為工作名稱、幾何數據為空、體積為1的“虛擬構件”處理。

2.2.4 產值與工程量處理

基于BIM的量價計算是BIM應用點之一，但由于國內計量計價規則與BIM建模扣減規則不一致，導致BIM模型中存儲的數據無法直接用于計量計價[14]。常規BIM軟件解決方案是先根據工程量建立計劃再綁定模型[15]，無法利用BIM可視化、聯動性的優勢； 軌道交通項目總包管理通常為固定總價合同，不需要對材料日常價格波動進行重新組價與動態控制，故提出采用通過中間關系表對BIM構件與工程量清單進行匹配，再利用包含清單工程量與產值的BIM構件與WBS結構映射，實現對進度管理所需量價信息關聯的技術路線，如圖3所示。

采用該技術路線實質為以項目系統分解(即EBS，通過建模標準約定)對工程量清單項目進行歸并，實現以形象進度為核心的工程量與產值的統計。對于單個BIM構件，工程量清單與WBS節點之間，產值與工程量的對應關系如圖4所示。對于總價措施費、其他費用、規費、稅金等，應作為輔助工作WBS進行處理(對于此類生成虛擬BIM構件情況，因為BIM構件數為1，故實質為直接建立清單與WBS關系)。

圖3 BIM模型工程量與產值處理技術路線對比

圖4 產值與工程量的對應關系

經上述處理后，單BIM構件工程量常不等于BIM模型中讀取的工程量(體積或長度等)，但該值與形象進度匹配，可實現通過BIM構件進行項目工程量與產值的估算。若發生工程量清單中數量與單價的修改，可實現已完工構件總工程量與總產值的自動更新。

2.2.5 進度計劃規則

進度計劃制定是指給各WBS節點賦予開始與結束時間,并指定節點相互關系。傳統進度管理軟件通常為單計劃管理，通過對總體計劃進行逐級細化到每個工作包制定詳細計劃，并通過調整該計劃實現進度優化，但對于施工總包管理而言，需要對不同計劃制定主體、不同階段計劃進行縱橫向對比(計劃往往相互沖突)，故單計劃管理無法滿足實際管理要求，本文結合軌道交通項目總承包管理需求，將計劃分為3類，將其功能與制定規則整理如下。

1)總體計劃。確定施工內容、竣工期限與需達到的質量及安全要求，確定各主要分部、分項工程起止時間、相互關聯、指出關鍵路線與節點。作為整個項目計劃的基礎，是總承包單位協助建設單位在項目決策階段總進度目標論證的結果，不應輕易修改。

2)階段計劃。在總體計劃的基礎上，在項目階段性工作開始以前，為某一階段或某項目參與方的生產任務做出的計劃。階段計劃是對總體計劃的合理細化，應避免與總體計劃沖突，但各階段計劃之間允許數據重疊；對于階段性工期計劃，各施工分包單位必須嚴格遵守。

3)周期計劃。由分包單位制定日常施工安排，是階段性工期計劃的延伸，制定計劃時需在滿足現場施工條件的前提下，充分考慮計劃的可操作性、周密性、機動性，能充分、完整地詮釋上級計劃，允許各計劃間數據重疊，允許在一定范圍內進行調整。應細化到構件級，需要分施工工作面分別計劃。

2.2.6 進度預警規則

施工總包進度管控以形象進度為主，進度預警是指各WBS節點按時完成的可能性判斷，包括對關鍵施工節點預警與周期計劃預警。

關鍵節點預警是指要求工程在某一時間點必須完成某一位置施工或達到某一工程量控制值；需設定預警類別、關鍵節點名稱、節點說明、參與判斷的WBS節點(可多選)、對應預定工程量或預定構件、預定時間點(完成各項預定工作的截至時間)。錄入后根據每次填報的實際進度，計算各項實際工程量是否已經超過預定工程量，若在達到預警時間(預定時間的前一段時間)，還沒有達到工作量時，推送預警。

周期計劃預警是在項目進行過程中，實時檢查剩余未完成計劃，若判斷剩余計劃已無法通過提高工效實現，則進行預警。每次實際進度錄入以后，統計剩余工作量與剩余時間，計算剩余工作的理論工效，若判斷剩余工作理論工效大于工效上限(初始采用平均工效乘以系數，在掌握某工作的準確工效后可直接指定)，則進行過程預警。

2.3 數據填報方式

2.3.1 施工計劃錄入

計劃錄入方式如圖5所示。

圖5 BIM進度管理計劃錄入流程

2.3.2 實際進度錄入

實際進度錄入應新建一子任務，輸入填報日期，選擇該日完成的BIM構件并錄入施工狀態(修建、拆除或維修)、當日工況、工作面信息等；數據按“日期+構件ID+實際完成百分比+構件當前狀態”記錄。對于已完成施工或已拆除的構件(完成百分比為100%)，修改BIM中“構件狀態標識”，為保證錄入的及時性，可以對進度填報情況進行消息推送。對于“虛擬BIM構件”節點視為1個沒有幾何的BIM構件進行錄入(系統自動選中該構件)；未施工情況也需要進行日常填報，錄入工況、備注等信息。

2.4 過程管理實施

基于BIM與工程數據整合的進度管理實施，主要是利用已有的數據基礎，快速生成管理者需要的三維、二維、表單資料，幫助管理者快速了解工程情況、輔助決策等。利用三維BIM模型、周邊GIS模型、地質模型、場地模型等，可進行施工過程、施工計劃、建成后的模擬展示；依托于構件級的BIM模型數據，建立模型構件、工程WBS、時間維度之間相互關系，實現計劃模擬與計劃對比，保證計劃制定的合理性；結合實際施工完成數據，實現對施工進度的查看、關鍵節點預警、工效預警與數據統計等，及時反饋計劃完成情況，為下階段計劃的制定提供依據；以構件級別的形象進度作為產值劃分依據，實現已完成工程量、產值、成本，計劃工程量、產值、成本的快速統計，實現對成本的快速掌握。

2.5 進度計劃變更處理

施工工程變更包括材料工藝、功能功效、位置尺寸、技術指標、工程數量、施工方法與時間安排等方面。對于進度管控而言，進度計劃變更實質為施工BIM與WBS(含計劃)數據改變與相互關系的處理，以及工程量的重新計算與分配。根據不同的變化情況，梳理對應的變更技術路線，如表3所示。

表3 單節點BIM與WBS變更處理

3 工程應用實例

3.1 工程概況

青島軌道交通8號線是青島市軌道交通建設的重點工程，其關鍵節點工程大洋站(含)—青島北站區間項目(以下簡稱海底隧道項目)線路全長約8.1 km(位置見圖6)，穿越膠州灣海域寬度約5.5 km，共設地下車站1座，施工斜井1座，通風豎井3座，廢水泵站3處，車站采用明挖法施工，區間隧道采用礦山法和盾構法施工。該項目地質條件和建筑結構復雜、施工作業面多、采用施工方法多、安全風險大，可能會因為人員配置不完善、信息溝通不及時、設備監控不嚴格等原因引發進度、安全與質量問題。土建工程作為地鐵項目后續專業工程的基礎，對進度管理的管理非常重要。

3.2 工程應用

本項目利用自主研發的“GIS+BIM數字化項目管控平臺”，通過數據集成、實時監控、模擬分析、虛擬建造等功能提升項目管理質量，在進度管理方面解決以下問題。

3.2.1 模型應用

利用BIM模型與進度填報數據可實現以下功能應用(如圖7所示)：

1)進度形象展示。三維顯示既有、施工中、待拆除BIM構件，讓管理者直觀了解項目當前施工情況，結合場地、周邊環境、地質等數據，快速掌握工程現狀，并可動態查詢構件施工狀態、施工時間、計劃時間、產值、工程量情況；

2)三維進度模擬。三維模擬計劃或實際施工過程，實現在三維環境中不同計劃之間、計劃與實際的多維度對比；

3)建成狀態展示。顯示所有BIM構件，并根據WBS或構件類型分類調整構件可見性，直觀地了解建成后狀態，便于管理者進行后續工作的整體規劃。

圖6項目位置示意

Fig. 6 Project location

圖7 進度形象展示

3.2.2 數據應用

對BIM模型的展示與模擬主要解決管理直觀性的問題，而利用數據基礎進行分析可解決更多管理需求。項目各工點分包單位技術人員錄入項目管理規劃階段，根據項目特點與資源配置情況制定的WBS并關聯已處理工程量數據的BIM構件，總包單位工程部技術人員錄入項目總體計劃與關鍵節點要求，再由分包單位負責年度計劃、季度計劃、月度計劃錄入以及每日進度數據填報，實現施工當月、當季、當年、總體進度計劃查看與計劃間對比分析(見圖8)以及月累、季累、年累、總體的實際進度/產值/工程量的完成情況查看。總包單位根據管控需要利用BIM數據可視化查詢任意時間段的實際、計劃完成量、產值分布情況，實現后續工作資源合理優化；系統自動對周期計劃、階段計劃、關鍵施工節點的完成情況進行計算分析，在未造成不可挽回工期延誤之前及時進行事前主動預警與報警，及時發現進度隱患，及時控制，減少工期延誤的風險，生成進度日報、周報、月報，并實現實際進度與計劃進度的數據對比，如圖9所示。

圖8進度分析功能展示

Fig. 8 Schedule analysis function display

圖9 產值統計功能展示

進度填報數據還用于為人員定位系統提供施工面更新數據，為盾構數據集成提供空間數據參考，為施工監控量測功能提供對比數據，實現了項目數據整合應用。

4 結論與討論

BIM作為一項新技術,必然會經歷漫長的發展周期，當前BIM從數據生成到數據運用均存在諸多問題。從前期的火熱推廣到趨于冷靜，BIM發展有了更多落地土壤與空間。本文基于現階段實際信息化發展水平與數據積累，對進度管理所需各項BIM數據與工程數據進行分析，并整理實現進度管理的BIM模型最低數據要求；利用獲得的數據基礎，實現各項進度管控功能，為項目管理者提供及時、準確、便捷的數據獲取與分析工具；立足現階段實際BIM與工程信息化發展現狀，探索能夠落地的信息化應用方案，符合當前技術發展情況；本文實現的管理模式針對軌道交通項目總承包單位的管理需求設計開發，并在一定程度上適用于業主單位與施工單位總體管理者的管理需求，同時也應該看到BIM實施需要穩定的數據采集，要求系統平臺對應的制度貫徹落實。隨著BIM技術的不斷成熟，可挖掘更多的落地應用。隨著5G技術、物聯網技術的不斷研究，利用人員定位、攝像頭等硬件手段輔助人工數據錄入可解決數據真實性與及時性問題，值得進一步研究。