基于四層結(jié)構(gòu)軟件體系的高鐵特大橋BIM+施工信息管理系統(tǒng)開發(fā)

劉坤，沙尚典

（1.中鐵四局集團有限公司，安徽合肥 230041；2.四川華興捷運鐵路工程有限公司，四川成都 610037）

0 引言

隨著對高鐵施工現(xiàn)代化水平要求的提高，實現(xiàn)具有信息化建造流程的“智慧工地”（Smart Works）已成為當前高鐵工程領(lǐng)域一個熱點問題［1］。建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）技術(shù)的迅猛發(fā)展，為解決這一問題提供了有力的技術(shù)支持。

作為建造行業(yè)信息化的主要手段之一，早在2007年，澳大利亞新南威爾士大學的Plume等［2］就論述了BIM在多學科、多協(xié)同制造上的巨大作用；2014年，伯明翰大學的David等［3］建立了一種基于BIM技術(shù)的地下建筑信息模型，以獲得施工線路周圍的地下詳盡信息，為前期施工和后期施工提供了極大便利；2016年意大利布雷西亞大學的Ciribini等［4］采用基于4DBIM的可互操作流程極大地優(yōu)化了住宅建筑的設(shè)計和施工；2019年特溫特大學的Sloot等［5］詳細論述了4DBIM工具在建筑制造風險管理中的作用。

我國的BIM技術(shù)應(yīng)用起步稍晚于發(fā)達國家，但近年來也取得了不俗的成果。在基于BIM技術(shù)的自動化施工方法研究方面，蔡磊磊［6］研究BIM放樣機器人技術(shù)在地鐵施工測量中的應(yīng)用；方睿等［7］研究基于BIM平臺的測量機器人在施工放樣中的應(yīng)用；王勝軍［8］建立基于Navisworks Manage平臺的4DBIM施工信息模型；趙敬忠［9］研究基于Dematel分析模型和BIM技術(shù)的工程項目施工成本精細化管理；楊補平等［10-11］研究基于4DBIM的建筑施工優(yōu)化及動態(tài)管理技術(shù)；任盤小等［12］研究基于BIM技術(shù)與3D掃描技術(shù)結(jié)合，在風電、水電安裝工程中的深度運用。總體而言，BIM技術(shù)在我國的應(yīng)用大多還處于具體的模型應(yīng)用階段，很少有從“智慧工地”的全局出發(fā)，融合BIM模型中的設(shè)計數(shù)據(jù)與工程專業(yè)其他數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上實時反饋至施工過程之中，進而實現(xiàn)施工自動化的案例。

因此，在分析“智慧工地”實際需求基礎(chǔ)上［12-15］，以高鐵特大橋自動化放樣施工為例，針對傳統(tǒng)BIM技術(shù)專業(yè)性強而數(shù)據(jù)互通性、適配性較差等問題，運用四層結(jié)構(gòu)軟件體系模型，將BIM技術(shù)與施工自動化技術(shù)進行有機結(jié)合，重點研究在“高內(nèi)聚、低耦合”原則下，BIM數(shù)據(jù)和施工數(shù)據(jù)耦合于統(tǒng)一坐標體系的機制。在此基礎(chǔ)上，開發(fā)了一套高鐵特大橋自動化施工放樣系統(tǒng)，規(guī)范放樣流程，實現(xiàn)了高鐵特大橋異形結(jié)構(gòu)三維特征點的快速獲取及自動放樣，提高了施工流程的速度并保證了施工數(shù)據(jù)的精確性，為實現(xiàn)“智慧工地”探索一條新的途徑。

1 面向“智慧工地”的BIM+施工信息四層耦合機制

1.1 傳統(tǒng)BIM技術(shù)的局限

BIM技術(shù)起源于美國Georgia Institute of Technology的Chuck Eastman博士提出的一個重要概念：建筑信息模型包含了不同專業(yè)的屬性信息、功能要求以及相關(guān)性能，因此，可以將工程項目所涉及的設(shè)計過程、施工過程、運營管理過程等所有信息整合到一個完整的建筑模型之中［16］。該技術(shù)不是簡單的建造行業(yè)信息集成，而是一種全方位的建造行業(yè)信息綜合管理，具有信息完備性、關(guān)聯(lián)性、一致性、協(xié)調(diào)性、模擬性、優(yōu)化性、可視化以及可出圖性等8大特征。在過去10余年，BIM技術(shù)給建造行業(yè)帶來了“革命性”的變化，為建筑和制造行業(yè)作出了卓越的貢獻。

但傳統(tǒng)BIM技術(shù)本身仍然有著無法克服的缺陷與局限性，主要體現(xiàn)在：

（1）傳統(tǒng)BIM軟件專業(yè)性強而數(shù)據(jù)互通性、適配性較差，導致與其他異構(gòu)數(shù)據(jù)互聯(lián)互通困難，進而聯(lián)合其他行業(yè)、其他學科發(fā)揮作用的能力有限；

（2）傳統(tǒng)BIM技術(shù)在實現(xiàn)展示諸如施工建造這樣的動態(tài)過程上有著其固有的局限性，精心構(gòu)建的BIM模型在具體的施工過程中往往“好看不好用”，只能作為參考信息，還需要大量的現(xiàn)場測繪與計算作業(yè)予以配合，使得精密的BIM數(shù)據(jù)沒有實時反饋到施工過程中，未能真正實現(xiàn)BIM的“所見即所得”。

隨著“智慧工地”的日益發(fā)展，對BIM技術(shù)的應(yīng)用提出了更高的要求，而軟件工程中的四層結(jié)構(gòu)為這一目標提供了有效的技術(shù)支持。

1.2 四層結(jié)構(gòu)軟件體系模型

傳統(tǒng)的軟件開發(fā)將軟件系統(tǒng)分為3層，即數(shù)據(jù)庫管理層、應(yīng)用服務(wù)層和用戶界面層。這樣最大的缺點在于當面向具體的行業(yè)服務(wù)時，容易將數(shù)據(jù)管理、業(yè)務(wù)邏輯處理甚至界面交互功能混淆，或者把業(yè)務(wù)邏輯處理等同于簡單的數(shù)據(jù)管理，使得業(yè)務(wù)邏輯處理與界面交互功能混淆，將表達層的任務(wù)復(fù)雜化，增加了層與層之間的耦合程度。而“高內(nèi)聚、低耦合”［14］則是應(yīng)用軟件系統(tǒng)開發(fā)必須遵循的軟件工程原則。

針對這一問題，業(yè)界提出了新型的四層結(jié)構(gòu)軟件體系模型［17］（見圖1）。同傳統(tǒng)的三層結(jié)構(gòu)軟件體系相比，四層結(jié)構(gòu)將原來的應(yīng)用服務(wù)層分解為以下2個部分：

（1）業(yè)務(wù)規(guī)則層：負責驗證從其他功能層傳輸而來的專業(yè)信息，然后從數(shù)據(jù)庫中提取相關(guān)數(shù)據(jù)并返回；

（2）業(yè)務(wù)處理層：負責將相關(guān)系統(tǒng)功能的提供者和使用者分離。

四層結(jié)構(gòu)軟件體系模型極大地改善了傳統(tǒng)三層結(jié)構(gòu)的各層次間容易混淆的情況，使軟件系統(tǒng)中各層次的功能更加明確，強調(diào)建立數(shù)據(jù)耦合機制，并且獨立了數(shù)據(jù)一體化工作，在整個軟件工程中起到了承上啟下的關(guān)鍵作用。

1.3 BIM+施工信息四層耦合

通常實現(xiàn)BIM與施工信息集成的方法主要有3種［18］：

圖1 四層結(jié)構(gòu)軟件體系模型

（1）將BIM數(shù)據(jù)引入具有管理特性的施工系統(tǒng)中，這種模式只是BIM與MIS之間的參數(shù)傳遞操作，不具備真正意義上的BIM+功能；

（2）在BIM模型中直接集成施工信息，這種模式將施工信息作為一種屬性數(shù)據(jù)賦予BIM，僅是靜態(tài)調(diào)用，數(shù)據(jù)沒有真正地融合；

（3）基于BIM與施工信息四層耦合機制的統(tǒng)一集成平臺，可采用此方法為基本模式。

實現(xiàn)BIM與施工信息四層耦合的根本目的是實現(xiàn)二者優(yōu)勢互補：在統(tǒng)一坐標體系下，BIM模型向施工信息提供精準的空間位置數(shù)據(jù)，并通過可視化手段將數(shù)據(jù)動態(tài)地表現(xiàn)出來；施工信息向BIM模型反饋實時動態(tài)的施工數(shù)據(jù)；有機地結(jié)合工程施工所涉及的空間信息、靜態(tài)屬性和動態(tài)屬性，增強了對施工信息的實時反饋能力。由于BIM模型可以提供施工對象的空間信息，因此極大地提高了施工自動化的準確性及可靠性。將兩者數(shù)據(jù)耦合需遵循以下原則：

（1）采用四層結(jié)構(gòu)軟件體系實現(xiàn)BIM數(shù)據(jù)與施工數(shù)據(jù)的低耦合于統(tǒng)一坐標體系下；

（2）嚴格的功能劃分機制實現(xiàn)BIM建模與自動化施工數(shù)據(jù)功能模塊的高內(nèi)聚。

面向“智慧工地”的BIM+施工信息四層耦合方案結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 BIM+施工信息四層耦合方案結(jié)構(gòu)

2 應(yīng)用實例研究

運用四層結(jié)構(gòu)軟件體系設(shè)計了一套高鐵特大橋自動化施工系統(tǒng)，在工程實踐中取得了較好的效果。下面以系統(tǒng)中高鐵特大橋樁基自動化放樣施工模塊的開發(fā)為例說明BIM+施工信息四層耦合機制的應(yīng)用。

2.1 高鐵特大橋施工中的橋梁基柱放樣

樁基施工是高鐵特大橋工程中最重要的環(huán)節(jié)之一，樁基施工質(zhì)量可決定整個高鐵項目的成敗［19-20］。樁基施工是一種地下隱蔽施工，需要嚴謹縝密的前期準備工作以及完備的施工組織方案，施工中包括測量放樣、護筒埋設(shè)、鋼筋籠放置、樁基灌注等等重要工序。其中，測量放樣的目的是為了對施工對象在三維空間中的具體位置做準確定位，包括在地面上測設(shè)出點的平面坐標和高程。這一工序需要極其精確的數(shù)據(jù)，但少有軟件能提供相關(guān)技術(shù)支持。

總體而言，高鐵特大橋樁基施工信息可分為靜態(tài)的樁基空間數(shù)據(jù)、樁基屬性數(shù)據(jù)以及動態(tài)的施工管理數(shù)據(jù)：

（1）空間數(shù)據(jù)是指在統(tǒng)一坐標系下，描述樁基實體的位置、形態(tài)、分布和空間關(guān)系等的空間信息；

（2）屬性數(shù)據(jù)主要用于描述樁基實體的類別、體量以及零部件等信息，如里程數(shù)、編號、部位等；

（3）施工管理數(shù)據(jù)主要用于描述施工過程中用于管理和查詢的信息，如設(shè)備的操控、信號的傳輸反饋等。

在系統(tǒng)放樣施工模塊中，BIM主要提供精確的靜態(tài)數(shù)據(jù)，負責高鐵模型的構(gòu)建、更新并提供施工成果的校核算法；而施工管理部分則作為動態(tài)數(shù)據(jù)的組織者，負責相關(guān)動態(tài)數(shù)據(jù)，如信號反饋的獲取和存儲。

2.2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫設(shè)計

系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫以樁基實體為核心對象，與施工設(shè)備及屬性關(guān)聯(lián)，建立一對多關(guān)系，系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫擴展實體-關(guān)系（EE-R）圖見圖3。

圖3 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫EE-R圖

系統(tǒng)開發(fā)使用VS2012平臺；BIM建模采用Revit軟件；空間數(shù)據(jù)管理組件采用AE10.2；放樣設(shè)備采用徠卡MS60。系統(tǒng)工作流程見圖4，系統(tǒng)主界面見圖5。

圖4 系統(tǒng)工作流程

圖5 系統(tǒng)主界面

2.3 系統(tǒng)功能

2.3.1 BIM數(shù)據(jù)入庫功能

系統(tǒng)通過AutoCAD交換格式DXF數(shù)據(jù)導入平臺數(shù)據(jù)庫；同時，將模型設(shè)計坐標導入數(shù)據(jù)庫，并對原模型進行坐標系統(tǒng)一轉(zhuǎn)換并校核，若轉(zhuǎn)換后坐標比對結(jié)果差值不符合要求則進行重新建模。坐標統(tǒng)一后提取二維坐標以生成二維模型。在此基礎(chǔ)上，將二維模型與屬性信息，如項目參數(shù)、控制點、線路信息等逐一關(guān)聯(lián)。BIM數(shù)據(jù)入庫并統(tǒng)一坐標系的效果見圖6。

圖6 BIM數(shù)據(jù)入庫并統(tǒng)一坐標效果圖

2.3.2 數(shù)據(jù)四層耦合功能

系統(tǒng)總體設(shè)計遵循四層結(jié)構(gòu)軟件體系原則，在此基礎(chǔ)上，封裝ADO形成新的四層結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)增強對象用以實現(xiàn)BIM與施工系統(tǒng)數(shù)據(jù)耦合功能。該功能具有以下特征：

（1）向下支持ADO對象，向上提供前臺的實用性接口來簡化前臺調(diào)用，增強功能接口、控制方式和狀態(tài)跟蹤，并可根據(jù)功能要求和當前狀態(tài)調(diào)整ADO對象的調(diào)用，實現(xiàn)系統(tǒng)高內(nèi)聚目標［21］；

（2）BIM與施工信息耦合于統(tǒng)一坐標體系下，避免兩者間數(shù)據(jù)的重復(fù)調(diào)用，實現(xiàn)系統(tǒng)低耦合的目標。

開發(fā)的四層結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)增強對象采用事件調(diào)用機制來引發(fā)事件，即直接從系統(tǒng)底層出發(fā)，跳過中間各層而得到最上層的應(yīng)用。簡單地講，就是面向最上層對象，添加一個內(nèi)部方法，當事件觸發(fā)時，由下一層對象直接調(diào)用該層所緊鄰的上層對象。相對應(yīng)的，當上一層對象需要引發(fā)相應(yīng)事件時，可以直接調(diào)用最上層的相應(yīng)過程。

2.3.3 自動放樣功能

將BIM模型數(shù)據(jù)與施工數(shù)據(jù)耦合并指導自動化放樣施工是本軟件關(guān)鍵模塊。在模塊中開發(fā)設(shè)備參數(shù)設(shè)置、自動設(shè)站、測量放樣及放樣結(jié)果測量檢核4個功能（見圖7）。施工人員可根據(jù)實際情況和需求進行自動化放樣。

圖7 系統(tǒng)自動放樣功能模塊

2.3.4 自動校核及報表生成功能

為確保施工精確性，系統(tǒng)提供了坐標檢核及報表生成功能，前者可在實體施工完成后讀取全站儀中任意測量點的數(shù)據(jù)并與三維模型實現(xiàn)可視化校核，后者可根據(jù)校核結(jié)果成嚴密的數(shù)據(jù)表格，供設(shè)計施工人員通過數(shù)據(jù)和三維模型直觀地參考和評估施工質(zhì)量和進度，確保了自動化施工中最重要的精確性。實踐證明，系統(tǒng)自動化施工成果誤差精度均控制在毫米級（見圖8），完全符合高鐵施工規(guī)范要求。

圖8 系統(tǒng)自動校核及報表生成成果圖

3 結(jié)論與展望

從四層結(jié)構(gòu)軟件體系模型在高鐵行業(yè)的應(yīng)用角度出發(fā)，針對高鐵特大橋施工的技術(shù)特點，探討在“高內(nèi)聚、低耦合”原則下BIM與施工信息耦合于統(tǒng)一坐標系的機制，實現(xiàn)了高鐵特大橋異形結(jié)構(gòu)三維特征點的快速獲取及自動放樣。實踐證明，這一機制切實可行，并在實際工作中得到了很好的應(yīng)用。

作為建造領(lǐng)域的研究熱點，今后的工作將主要在以下2個方面展開：

（1）提高BIM與其他軟件之間的數(shù)據(jù)適配性和通用性，促進BIM與其他產(chǎn)業(yè)及學科的緊密結(jié)合與協(xié)作，進一步實現(xiàn)BIM+的思想。

（2）在保證工程的精確性、安全性的前提下，更多地實現(xiàn)基于BIM+對施工流程的可視化及管理乃至完全自動化的操控，打造真正意義上的“智慧工地”。