基于BIM技術的高速鐵路四電接口管理系統研發與應用

劉紅良，楊斌，馬西章，解亞龍，吳明杰

（1.北京經緯信息技術有限公司，北京 100081；2.中國國家鐵路集團有限公司工程管理中心，北京 100844；3.雄安高速鐵路有限公司，河北保定 071700；4.中國鐵道科學研究院集團有限公司電子計算技術研究所，北京 100081）

0 引言

高速鐵路是一個龐大的系統工程，為達到高鐵建設的技術標準和質量要求，各要素、工序、節點之間必須精密匹配，確保高鐵系統的安全性與可靠性［1］。高速鐵路建設具有多單位參與、多專業協調、多方位推進、多工種交叉作業等特點，其建設過程涉及各專業間大量的接口問題，基于建設模式、工序銜接、結構安全、質量和投資控制等原因，部分四電基礎設施由土建單位負責實施。由于專業和建設特點的巨大差異，四電接口工程管理質量不高成為高鐵建設常見的通病和短板之一［2-6］。

概括來說，四電接口工程主要存在以下問題：

（1）相關單位對管理重視程度不夠，缺乏相應的管理制度；

（2）設計“差錯漏碰”，源頭出現問題；

（3）施工過程卡控不嚴，存在事后返工等質量問題；

（4）接口交接不規范，忽視及時交接的重要性；

（5）沒有有效的監督機制，不重視整改，未形成有效的閉環管理機制。

因此，亟需一種新的技術平臺對高速鐵路四電接口進行輔助管理，通過信息化手段，實現接口的自檢、復查、交接，對發現問題進行填報、處理、銷號，最終實現閉環管理。借助BIM （Building Information Modeling） 與 GIS （Geographic Information System） 技術，依托鐵路工程管理平臺［7-8］，研究開發高速鐵路四電接口管理系統，為接口提供可視化、協同化管理，為后續四電施工創造更好的條件。

1 需求分析

1.1 建設目標

基于BIM 技術的四電接口管理系統是以四電工程接口為管理對象，實現站前土建單位自檢，站后四電施工單位復查，監理、建設單位參與監督管理的信息化系統。系統將線下管理轉換為線上管理，形成“檢查—記錄—處理—銷號”等一整套閉環處理業務流程，建立站前、站后接口工程對接檢查處理機制，提升站前預留接口向站后施工單位移交的效率［9-10］。

1.2 業務流程

根據現場調研，梳理四電接口檢查業務流程如下：

（1）站前土建單位依據相關要求，對施工生產的四電工程接口進行過程卡控、成品自檢；監理單位依據施工過程監督及成品檢測，評定接口質量是否合格。對于不合格接口，由土建單位進行處置，直至合格為止；對于合格接口，由站前土建單位批量向站后四電單位進行初步交接。

（2）站后四電單位進場后，依據設計圖紙、質量驗收標準等，對站前土建單位移交的工程接口逐項復查，發現問題立即通知站前專業整改處理。監理、建設單位對復查、整改過程進行監督管理。

（3）針對復查合格的接口工程，在建設或監理單位組織下，完成接口正式移交，實現站前、站后的責任和權限劃分。

四電接口檢查流程示意見圖1。

2 總體架構及功能

2.1 總體架構

結合工程現場實際需求，立足接口檢查業務流程，依托鐵路工程管理平臺，設計基于BIM 技術的四電接口管理系統。該系統業務涉及站前土建、站后四電、監理、建設等單位，用戶多；專業涉及路基、橋梁、隧道、軌道、站場、牽引供電、電力、通信、信號等，專業多。為提高系統的易用性和穩定性，采用B/S架構設計，確保各級用戶直接通過用戶名和密碼登錄使用。系統采用數據層、應用與服務層、展示層等3級架構設計，總體架構示意見圖2。

2.1.1 數據層

數據層包含三維模型數據、項目組織機構及人員數據、項目信息數據、接口類型數據、接口臺賬數據等，具體內容如下：

（1）三維模型數據：包含現場的路基、橋梁、隧道、四電BIM模型及地形GIS數據等。

（2）項目組織機構及人員數據：包含建設單位、施工單位、標段、部門、工區及機構人員等，此部分主要為系統使用的機構及相關用戶。

（3）項目信息數據：包含站前土建、站后四電標段的工點及構筑物等，主要提供四電接口的地理位置信息。

（4）接口類型及接口臺賬數據：主要針對四電接口的類型及每種類型下需要檢查的項目，為系統主要業務數據。

2.1.2 應用與服務層

應用與服務層包含業務流程及關鍵技術和二、三維數據處理及關鍵技術，具體內容如下：

（1）業務流程及關鍵技術：通過流程引擎，根據不同項目需求，方便、快速地構造四電接口檢查業務流程，通過權限動態配置、接口類型動態配置、接口檢查項動態配置等，快速實現業務數據動態擴展，適用于不同項目、不同業務的應用場景。

圖1 四電接口檢查流程示意圖

圖2 總體架構示意圖

（2）二、三維數據處理及關鍵技術：利用BIM 輕量化技術和GIS 引擎技術，實現BIM 模型與GIS 的融合，并結合項目信息、接口臺賬等二維數據，達到二、三維多源數據集成。通過相關功能開發，最終實現接口的檢查管理、統計展示、消息提醒等業務功能，并在BIM+GIS的三維場景下進行可視化綜合展示。

2.1.3 展示層

展示層即終端應用層，表示不同用戶訪問、使用系統所需的終端設備（如PC 端、手機端、平板電腦等）。用戶登錄后，根據不同權限進行相應的數據訪問和功能操作。

2.2 功能設計

系統功能模塊主要依據需求分析和總體架構進行設計，可實現四電接口檢查管理及BIM+GIS 綜合展示，功能模塊的架構示意見圖3。

圖3 功能模塊架構示意圖

2.2.1 系統管理

系統管理模塊包含接口分類維護、角色維護、標段維護、授權中心等4個子模塊：

（1）接口分類維護：對路基、橋梁、隧道、站場、軌道鋪架等不同專業下的四電工程接口的分類進行動態性維護，如路基段接觸網預埋基礎、電纜過軌管，隧道段接觸網預埋槽道、綜合接地，橋梁段電纜爬架及鋸齒孔等。既要維護接口的類型，還要維護不同接口類型下的檢查項目，方便后續接口的檢查工作。

（2）角色維護：對四電接口檢查管理流程涉及的角色進行添加、刪除、修改等維護，如接口自檢員、四電站后復查員、評定員、處置員等角色的維護。

（3）標段維護：對土建專業和四電專業標段的區分，標段數據通過接口取自工程管理平臺。由于工程管理平臺中并未定義標段類型為站前土建還是站后四電，在流程管理中缺乏明確指向，因此，需要對標段進行維護區分。

（4）授權中心：對組織機構的各級管理和生產人員進行角色授予。如京雄城際鐵路施工一標張某被授予站前自檢員角色，當張某登錄系統，即獲接口自檢權限，可利用APP對接口臺賬進行檢查填報。

2.2.2 初始化管理

初始化管理模塊包含接口臺賬初始化、標段負責人初始化、整改期限初始化模塊等3個子模塊。

（1）接口臺賬初始化：指站前土建標段根據圖紙等設計資料，梳理四電接口臺賬，可通過EXCEL 表整體導入，增加初始化速度，也可添加單條臺賬，并滿足修改、刪除、查詢等功能。

（2）標段負責人初始化：對各標段負責人相關信息進行填報或導入，滿足線下溝通需要。

（3）整改期限初始化：根據建設單位管理需求，自檢、復查出問題后，對整改期限進行規定。檢查出問題時，整改時間根據整改期限自動計算得出。

2.2.3 檢查管理

檢查管理模塊包含檢查記錄表、交接管理、檢查問題庫等3個子模塊。

（1）檢查記錄表：將接口臺賬的初始化表格轉換為檢查記錄表，并賦予表中每條接口數據一種狀態，通過流程改變實現狀態改變，完成每條接口的自檢、初步交接、復查、處置、銷號、正式交接等流程的管理，確保每個接口有檢查、有記錄、可追溯，并通過APP采集現場照片。

（2）交接管理：交接管理包含自檢合格后的初次交接管理和復查合格后的正式交接管理。初次交接管理指站前土建單位自檢合格后，批量移交給四電單位進行復查，是一種形式上的交接；正式交接管理指站前單位將復查合格的接口工程批量移交給站后四電單位，需有監理、建設單位參與并簽字確認，是權限和責任的移交。接口正式移交是四電單位后續施工的先決條件。

（3）檢查問題庫：將接口自檢及復查出現的問題推送至問題庫模塊，并對問題進行處置、申請銷號、檢查等循環管理，直至問題解決。問題庫包含提醒推送功能，當檢查出現問題時，將問題數據快速、準確地推送給相關干系人，并提醒監理、建設單位督辦。

2.2.4 統計展示

統計展示包含BIM+GIS 綜合展示、檢查率統計、合格率統計、處置率統計等子模塊。

（1）BIM+GIS 綜合展示：利用BIM 模型輕量化技術，通過格式轉換，將站前、站后各專業BIM 模型載入GIS環境，實現BIM+GIS綜合展示，使站前、站后施工人員非常便捷、直觀地查看接口位置信息和臺賬信息，對照實際現場，檢查接口位置預留是否有誤、是否碰撞、是否侵限、是否滿足設計要求。檢查人員通過手機或平板電腦調取BIM 模型，實現基于BIM 模型的檢查填報，并將接口檢查記錄作為模型的非幾何信息在模型中保存。

（2）檢查率統計、合格率統計、處置率統計：對應不同權限的用戶，統計查詢四電接口的檢查率、合格率及出現問題的處置率，可作為建設單位對施工單位考核的一項指標。

3 系統應用

目前，基于BIM 技術的四電接口管理系統已在京雄城際鐵路進行了以下試用。

（1）臺賬初始化：站前土建標段人員依據設計圖紙，梳理標段管段內接口臺賬，并在系統中利用導入或新增的方式進行接口臺賬初始化。臺賬初始化界面見圖4。

圖4 臺賬初始化界面

（2）接口檢查：接口臺賬初始化完成后，接口數據狀態變為“待自檢狀態”，站前土建標段可通過手機APP 自檢（見圖5）。監理和站后四電單位同樣可利用APP完成接口評定及復查工作。

圖5 手機端APP自檢界面

（3）交接管理：土建單位針對自檢合格的接口，初步交接給四電單位復查（見圖6）；復查合格的接口，由站前土建單位批量或成區段地正式交接給四電單位（見圖7）。正式交接完成后，四電單位方可進行后續施工。

（4）統計查詢：不同用戶根據相應權限在PC 端查看四電接口的檢查狀態及檢查記錄表（見圖8、圖9），也可查看不同統計圖和統計表（見圖10）。當接口數據狀態發生變化或檢查發現問題時，APP 啟動提醒功能，精準推送給相關用戶（見圖11）。

圖6 初步交接界面

圖7 正式交接界面

圖8 檢查狀態界面

圖9 檢查記錄表界面

圖10 檢查統計圖表界面

圖11 APP提醒功能

（5）BIM+GIS 應用展示：土建站前單位通過BIM+GIS應用場景，提前檢查接口預留、預埋位置，里程是否有誤，是否遺漏、碰撞等，發現問題及時整改，以減少施工返工。基于BIM 技術的接口檢查場景見圖12。檢查記錄數據可在BIM 模型上查看，并進行BIM+GIS動態詳情展示（見圖13）。

4 總結與討論

基于BIM 技術的四電接口管理系統已應用于京雄城際鐵路，根據用戶反饋，總結出以下優點：

（1）系統為四電接口各參與單位提供了一個統一、開放、可視化的信息化平臺，各參與單位的職責和義務在系統中得到體現和約束。在建設單位的量化考核、監督下，改變了“土建強、四電弱”的傳統管理模式，使四電接口管理制度有效貫徹執行。

圖12 基于BIM技術的接口檢查場景

圖13 BIM+GIS動態詳情展示

（2）系統為四電接口提供了詳細的電子化檔案資料，覆蓋接口管理的全過程、全區域，尤其是隱蔽工程，有利于信息查詢及追溯。

（3）形成接口自檢、復查、交接的業務流程，對查出問題進行“記錄—處理—銷號”等閉環管理，建立站前、站后接口對接檢查處理機制，杜絕問題整改不徹底、遷就整改、采取過渡措施等現象發生。

（4）規范接口交接管理，系統提供批量或成區段接口交付，為站后施工提供了更好的作業條件。

（5）基于BIM+GIS 技術，為接口參與者提供可視化、協同化的信息化手段，有利于管理者和生產者提高對接口的認識，便于檢查管理。

但是，系統在應用過程中還存在一定不足，如流程冗長、應用不夠靈活、和工程實際存在一定脫節等，并且BIM 功能主要以可視化展示為主，體現“差錯漏碰”的優勢不夠充分，系統還需進一步優化和完善。