基于BIM+GIS技術(shù)的鐵路工程管理系統(tǒng)研發(fā)與應(yīng)用

石碩，倪葦

（中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710043）

1 概述

目前，我國(guó)鐵路工程建設(shè)領(lǐng)域大力發(fā)展BIM+GIS技術(shù)，兩者在概念與技術(shù)上的有效結(jié)合可以提高鐵路規(guī)劃、建設(shè)、運(yùn)維全生命周期資源管理的質(zhì)量，大量試點(diǎn)項(xiàng)目和推廣應(yīng)用取得了顯著的成效和寶貴的經(jīng)驗(yàn)［1-3］。

鐵路工程項(xiàng)目是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，其技術(shù)要求高、建設(shè)速度快、周期長(zhǎng)、專業(yè)多、工程規(guī)模大，并具有地域廣、跨度大、線狀分布、施工復(fù)雜的特點(diǎn)，傳統(tǒng)工程管理模式無法滿足多維信息共享傳遞的需求，是主要以人工為主的粗放型管理方式，對(duì)施工建設(shè)過程的管理精細(xì)化程度不高，未充分利用BIM、物聯(lián)網(wǎng)、激光測(cè)繪、3D GIS等技術(shù)，無法實(shí)時(shí)查看施工現(xiàn)場(chǎng)的進(jìn)度，缺少發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)反饋的機(jī)制。因此，開發(fā)基于BIM+GIS的新型鐵路工程管理模式具有重要的工程意義。

BIM技術(shù)的核心在于解決鐵路工程項(xiàng)目實(shí)施過程中的數(shù)據(jù)管理與共享問題，減少冗余投資、資源浪費(fèi)。BIM模型是智能化的3D模型，不僅使工程建設(shè)參與人員更直觀、便捷地獲取模型所承載的設(shè)計(jì)信息，同時(shí)負(fù)責(zé)全生命周期不同階段的數(shù)據(jù)資源傳遞，是對(duì)鐵路工程對(duì)象的完整描述。但是BIM模型存在多尺度表達(dá)、一致性和統(tǒng)一管理等問題，GIS作為描述地上、地下空間的信息科學(xué)，更善于進(jìn)行空間分析、時(shí)空可視化表達(dá)和地形建模，可以快速高效地獲取大范圍時(shí)空信息并建立三維場(chǎng)景模型，與BIM技術(shù)形成優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，滿足各部門工作人員對(duì)宏觀和微觀信息的把控［4-8］。BIM與GIS的深度融合可以為鐵路工程建設(shè)項(xiàng)目管理提供新技術(shù)手段，提高信息共享水平與傳遞效率、節(jié)約成本、縮短工期，促進(jìn)鐵路工程管理向標(biāo)準(zhǔn)化、信息化、智能化發(fā)展。

2 總體框架

基于BIM+GIS技術(shù)的鐵路工程管理系統(tǒng)采用微服務(wù)模式搭建系統(tǒng)框架，基于“標(biāo)準(zhǔn)流程+三維場(chǎng)景”的理念進(jìn)行設(shè)計(jì)，分離每項(xiàng)獨(dú)立業(yè)務(wù)功能，提供鐵路項(xiàng)目全過程工程管理的通用服務(wù)模塊。區(qū)別于傳統(tǒng)SOA模式的系統(tǒng)架構(gòu)，微服務(wù)具有高并發(fā)、高可用性、自由伸縮、負(fù)載均衡和故障轉(zhuǎn)移等特點(diǎn)，SOA模式與微服務(wù)模式的GIS服務(wù)對(duì)比見表1。

表1 SOA模式和微服務(wù)模式的GIS服務(wù)對(duì)比

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)充分發(fā)揮BIM+GIS的優(yōu)勢(shì)，形成了以全過程為主線、以BIM模型為觸點(diǎn)、以空間位置為檢索目標(biāo)的技術(shù)路線和方法，從檢驗(yàn)批逆向思考，將工程施工過程中的質(zhì)量、安全、進(jìn)度、人員、成本、物資等信息與BIM模型構(gòu)件、GIS場(chǎng)景、空間位置進(jìn)行動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)基于空間位置信息的BIM模型服務(wù)，從而提高建設(shè)施工的過程管控質(zhì)量，節(jié)省人力、物力資源，具有跨平臺(tái)、無插件、多尺度、高精度等特點(diǎn)。

系統(tǒng)架構(gòu)分為用戶層、服務(wù)接入層、前端呈現(xiàn)層、緩沖層、微服務(wù)層、數(shù)據(jù)支撐層和基礎(chǔ)設(shè)施層（見圖1）。其中，用戶層即終端應(yīng)用層，表示不同的訪問方式和所使用的設(shè)備；服務(wù)接入層負(fù)責(zé)承載大量的網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求并進(jìn)行負(fù)載均衡，同時(shí)實(shí)現(xiàn)資源隔離與統(tǒng)一認(rèn)證；呈現(xiàn)層主要負(fù)責(zé)前端頁面的展示和用戶的交互，采用前后端分離技術(shù)，基于Vue+ElementUI實(shí)現(xiàn)頁面設(shè)計(jì)；緩沖層通過Redis實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)靜態(tài)資源的緩存，提高訪問效率和用戶體驗(yàn)；微服務(wù)層是對(duì)業(yè)務(wù)邏輯獨(dú)立化的封裝，每個(gè)服務(wù)都是獨(dú)立部署的功能模塊，主要包括計(jì)劃進(jìn)度服務(wù)、物資管理服務(wù)、質(zhì)量服務(wù)、安全服務(wù)、文件管理服務(wù)等；數(shù)據(jù)支撐層包括關(guān)系、非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)及文件存儲(chǔ)系統(tǒng)，負(fù)責(zé)響應(yīng)服務(wù)層對(duì)數(shù)據(jù)的請(qǐng)求；基礎(chǔ)設(shè)施層主要包括軟硬件環(huán)境及虛擬化的Docker存儲(chǔ)容器。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)

2.2 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

通過建立細(xì)化的BIM施工模型，將BIM模型的結(jié)構(gòu)、屬性進(jìn)行解析與重構(gòu)，按照單位工程、分部分項(xiàng)工程的方式對(duì)BIM模型的邏輯層級(jí)關(guān)系進(jìn)行重組，形成便于使用和分析的工程結(jié)構(gòu)樹，通過BIM工程結(jié)構(gòu)樹將構(gòu)筑物及其施工現(xiàn)場(chǎng)3D模型與施工進(jìn)度、施工資源、物料管控、安全質(zhì)量、場(chǎng)地布置、成本變化等信息鏈接集成一體，實(shí)現(xiàn)基于BIM的施工進(jìn)度、人員、材料、設(shè)備、成本、安全、質(zhì)量等進(jìn)行動(dòng)態(tài)集成管理及施工過程可視化模擬，從而提高施工效率和水平，保障工程質(zhì)量。系統(tǒng)根據(jù)通用的業(yè)務(wù)功能進(jìn)行劃分，形成7大獨(dú)立服務(wù)模塊，主要包含質(zhì)量管理、安全管理、進(jìn)度計(jì)劃、物資管理、技術(shù)管理、BIM中心、系統(tǒng)管理（見圖2）。

圖2 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

2.2.1 質(zhì)量安全管理服務(wù)

質(zhì)量安全管理服務(wù)采用物聯(lián)網(wǎng)與LBS技術(shù)對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與問題地點(diǎn)定位，將這些數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)清洗、過濾等預(yù)處理，然后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與分析。基于BIM安全模型、BIM數(shù)據(jù)庫(kù)、知識(shí)庫(kù)、規(guī)則庫(kù)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析、安全評(píng)估，最后進(jìn)行質(zhì)量安全風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)控和預(yù)警，并對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行及時(shí)問題反饋（見圖3）。

2.2.2 進(jìn)度計(jì)劃管理服務(wù)

進(jìn)度計(jì)劃管理服務(wù)實(shí)現(xiàn)施工計(jì)劃的編制和審批，將施工進(jìn)度與BIM模型的具體構(gòu)件掛鉤，日志填報(bào)形象生動(dòng)地反映了不同工點(diǎn)的進(jìn)度信息，并用不同的顏色、符號(hào)、狀態(tài)進(jìn)行表達(dá)。

2.2.3 技術(shù)管理服務(wù)

技術(shù)管理服務(wù)主要包括施工組織設(shè)計(jì)、開工報(bào)告審批、施工作業(yè)指導(dǎo)書編寫、資料文件歸檔、圖紙變更和檢驗(yàn)批查詢。其中，施工組織設(shè)計(jì)通過將大臨工程BIM模型、料源點(diǎn)信息、交通線路圖、實(shí)景模型等數(shù)據(jù)快速導(dǎo)入系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)大臨工程信息的直觀表達(dá)、料源運(yùn)輸線路分析，通過GIS+BIM實(shí)現(xiàn)對(duì)工程概況、重難點(diǎn)工程工期進(jìn)度的可視化表達(dá)。

圖3 基于BIM與物聯(lián)網(wǎng)的質(zhì)量安全風(fēng)險(xiǎn)管理流程

2.2.4 物資管理服務(wù)

基于BIM+GIS技術(shù)的物資管理模式區(qū)別于傳統(tǒng)的報(bào)表管理方式，將工程物資與BIM模型關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)集中管理與形象化展示，完成物資采購(gòu)、存儲(chǔ)、發(fā)放、核算等功能，輔助現(xiàn)場(chǎng)工作人員基于BIM模型對(duì)工程用量進(jìn)行清單式管理與統(tǒng)計(jì)，保證物資庫(kù)存的動(dòng)態(tài)增長(zhǎng)，滿足工程施工建設(shè)的需要。

2.2.5 系統(tǒng)管理服務(wù)

系統(tǒng)管理主要實(shí)現(xiàn)對(duì)項(xiàng)目基本信息的維護(hù)，包括BIM模型工程結(jié)構(gòu)樹維護(hù)、用戶信息修改、權(quán)限分配、分部分項(xiàng)工程設(shè)置等功能。

3 應(yīng)用實(shí)踐

根據(jù)系統(tǒng)的總體架構(gòu)和功能設(shè)計(jì)思路，將每個(gè)功能服務(wù)獨(dú)立部署，形成多個(gè)頁面風(fēng)格統(tǒng)一的獨(dú)立子系統(tǒng)，為體現(xiàn)理論研究的實(shí)用性和領(lǐng)先性、系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)的先進(jìn)性和有效性，將基于BIM+GIS技術(shù)的鐵路工程管理系統(tǒng)成果于某鐵路項(xiàng)目中應(yīng)用。

（1）三維場(chǎng)景展示：將地形、BIM模型數(shù)據(jù)導(dǎo)入系統(tǒng)搭建三維場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)不同工點(diǎn)的精確定位、不同區(qū)域的分析、周邊線路的基本情況等工程概況信息展示（見圖4）。

（2）基于BIM模型的工程項(xiàng)目組織：根據(jù)項(xiàng)目的標(biāo)段、施工單位、單位工程、分部分項(xiàng)工程、檢驗(yàn)批等幾個(gè)不同層次進(jìn)行項(xiàng)目?jī)?nèi)容組織和管理，形成完整的BIM模型工程結(jié)構(gòu)樹，便于構(gòu)件定位與信息查詢（見圖5）。

圖4 三維場(chǎng)景

圖5 BIM精細(xì)模型信息查詢

（3）質(zhì)量安全巡檢：現(xiàn)場(chǎng)施工人員可以及時(shí)將質(zhì)量安全問題通過系統(tǒng)進(jìn)行反饋，并將現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)的事故通過圖片、視頻、文字等信息上傳系統(tǒng)，并與BIM模型綁定，便于對(duì)事故位置定位，分析原因（見圖6）。

（4）進(jìn)度計(jì)劃：根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)人員填報(bào)的施工進(jìn)度，系統(tǒng)基于BIM模型以泳道的方式表達(dá)不同工程部位的進(jìn)度信息，同時(shí)根據(jù)計(jì)劃中的工期要求，對(duì)比、分析、模擬計(jì)劃進(jìn)度和實(shí)際進(jìn)度的差異（見圖7、圖8）。

（5）施工組織設(shè)計(jì)管理：以重難點(diǎn)工程為核心，設(shè)計(jì)人員不僅可以在系統(tǒng)中通過大臨選址功能確定大臨工程的布設(shè)位置，還基于交通網(wǎng)絡(luò)分析功能，從運(yùn)輸方式、費(fèi)用、時(shí)間等角度對(duì)比分析不同物料的供貨方案，減少設(shè)計(jì)人員的分析工作量，提供最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案（見圖9）。

圖6 質(zhì)量安全巡檢

圖7 進(jìn)度統(tǒng)計(jì)

圖8 進(jìn)度對(duì)比

圖9 交通線路分析與料源點(diǎn)選取

4 結(jié)束語

基于BIM+GIS技術(shù)的鐵路工程管理系統(tǒng)可提高工程建設(shè)的質(zhì)量，保障建設(shè)安全，縮短建設(shè)周期。將鐵路工程建設(shè)進(jìn)度、工程概況、物料用量、質(zhì)量安全等信息與BIM模型關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)過程信息的直觀可視化表達(dá)，通過三維GIS技術(shù)確保空間信息的完整與全面。基于BIM+GIS的全建設(shè)周期的信息管理，保證從設(shè)計(jì)到施工現(xiàn)場(chǎng)再到管理層的信息通暢，促進(jìn)工程建設(shè)扁平化管理，為決策和監(jiān)督提供重要信息來源的同時(shí)，帶來規(guī)模效益，實(shí)現(xiàn)鐵路工程建設(shè)企業(yè)信息化，規(guī)避工程建設(shè)企業(yè)的技術(shù)、人力資源、經(jīng)濟(jì)、管理等風(fēng)險(xiǎn)，具備因工程建設(shè)技術(shù)創(chuàng)新、管理優(yōu)化等信息化需求不斷變化與發(fā)展的適應(yīng)能力，實(shí)現(xiàn)鐵路工程建設(shè)信息化資源優(yōu)化配置和可持續(xù)發(fā)展。