廣州地鐵十八和二十二號線基于BIM的項目管理平臺的研究與應用

陳 前 魏章俊 許城瑜

(1.中鐵建華南建設有限公司，廣州 511458； 2.中鐵二十五局集團有限公司，廣州 511458)

1 工程概況

廣州市軌道交通十八號線和二十二號線及同步實施場站綜合體設計施工總承包項目(簡稱“本項目”)，是廣州市有史以來規模最大的單個招標項目，也是目前中國鐵建在國內最大的設計施工總承包項目，兩條線同時也是國內首條設計時速160km的高規格地鐵市域快線，線路示意圖如圖1所示。

圖1 十八和二十二號線線路圖

十八號線從萬頃沙站起至廣州東站止，全長62.7km，設站9座，其中換乘站8座，分別與廣州市軌道交通一號線、三號線、七號線、八號線、十一號線、十三號線、十五號線、十七號線、二十二號線換乘。全線平均站間距7.6km，最大站間距26.0km，為橫瀝至番禺廣場站區間； 最小站間距2.3km，為石榴崗至琶洲西區區間。全線設置隴枕停車場、萬頃沙車輛段各一座。二十二號線從番禺廣場站起至白鵝潭站止，全長30.8km； 設站8座，其中換乘站4座，平均站間距4.2km，最大站間距7.2km，為祈福站至廣州南站區間； 最小站間距2.1km，為西三至東沙工業園站區間。全線設陳頭崗停車場一座。

十八及二十二號線埋深約6.5m至50m。線路穿越的主要地層有淤泥質土層、中粗砂層、粉質粘土層、強中微風化泥質粉砂巖和強中微風化花崗巖。其中，十八號線地質變化多，施工風險高，縱斷面如圖2。更重要的是線路首次采用設計時速160km，技術標準新，須在38個月開通75km，這些對工程項目管理提出了更高要求，如何更好地做好項目實施的策劃和項目實施的控制，以使項目的費用、進度和質量目標得以實現，是一個亟待解決的問題。

圖2 十八號線地質縱剖面圖

近年來，BIM與物聯網技術的應用提高了工程項目管理信息化水平。國內外在軌道交通領域應用BIM技術的案例較多，其中廖羚等人在南寧軌道交通3號線中應用了BIM技術，主要應用在建模、三維激光掃描、智能放樣等領域，未涉及到多參與方協同管理[1]。羅平等人在北京地鐵19號線設計及施工過程中都使用了BIM技術，主要應用了BIM的三維可視化的特點進行碰撞檢測、場地布置、風險管控等管理[2]。楊國華等人在軌道交通領域將BIM與GIS結合起來進行研究，并初步探索了BIM+GIS云平臺解決方案[3]。

本文在廣州地鐵派工單[4]相關研究的基礎上，結合本項目總承包實際需求，開發了“基于BIM的項目管理平臺”(以下簡稱“項目管理平臺”)，并在廣州地鐵十八和二十二號線全線推廣應用，總結地鐵建設過程中的BIM技術應用點，形成了一套可復制的應用模式。

2 企業概況與團隊組織介紹

中鐵建華南建設有限公司(以下簡稱“華南建設”)是中國鐵建旗下的全資子公司，具有建筑工程、市政公用工程兩項施工總承包一級資質。在本項目中，華南建設代表中國鐵建進行該項目的建設管理，提出了“五線一轉變”的管控思路，并在管理工具上注重科技創新，與廣州地鐵合作開發基于BIM的項目管理平臺，以及建設“智慧工地”綜合監控系統，通過信息化、智能化為十八和二十二號線工程總承包項目管理賦能。在項目團隊組織方面，廣州市軌道交通十八和二十二號線及同步實施場站綜合體設計施工總承包項目部(以下簡稱“總承包部”)作為華南建設下屬的工程總承包部，其組織機構如圖3所示。

圖3 組織機構框圖

總承包部作為本項目信息化統籌單位，在BIM研究應用上主要有四大工作職能：一是負責項目頂層設計與總體規劃； 二是制定相關技術標準和管理辦法； 三是構建系統業務框架、統籌業務需求分析與設計； 四是總體協調落地應用，指導分部工區(總承包部下屬單位)應用BIM技術服務于總承包模式的現場管理。

3 BIM應用環境搭建

通過對國內外相關標準研究[5-6]，本項目建立了較為完善的項目管理平臺管理體系，并形成多項標準文件。

BIM研發管理體系：為保證項目管理平臺開發工作順利進行，總承包部系統性編制了BIM平臺驗收技術標準、研發管理辦法[7-8]，考核細則等，實現對平臺開發項目組織、進度、產品質量的科學管理。

BIM技術標準：為了保證項目管理平臺數據采集質量，我們制定了BIM三維模型建模及交付審查標準，建立工程項目數據標準等標準體系，如圖4所示。

BIM應用制度[9]：為了保障開發出來的平臺能夠在本項目落地應用，總承包部專門組織編制了平臺應用細則、考核辦法等文件，為分部工區應用提供指導、監督、協調等服務。

項目實施過程中，以Autodesk系列軟件為主，Dynamo、SketchUp等軟件為輔[10]，建立了全專業BIM模型，如圖5所示。同時自主研發BIM項目管理平臺進行了深度、創新、集成BIM應用探索[11-12]。

圖4 標準文件

圖5 建模軟件

同時為了保障項目穩定運行，采購相關硬件設備，如圖6所示。

圖6 硬件配置

4 總體目標與建設思路

本項目期望通過項目管理平臺的建設，滿足項目各參與方應用該平臺開展各項工程項目管理工作，并將項目實施的各個階段的主要數據、資料實時、完備地記錄在平臺中，并與三維模型關聯。總體目標就是要實現項目各參與方之間的信息共享，支撐地鐵建設的多專業協同工作，能夠對施工進度、質量、資源、成本、安全和場地進行有效、動態、可視化的管控，實現基于數據的動態集成管理； 通過制定電子化集成交付標準，將設計、施工信息集成，達到全過程數字化移交，降低運維成本。

在具體建設思路上，我們統籌考慮建設方、總承包方、分部工區等各參與方的業務特點、應用場景的區別與聯系，針對性地進行需求分析，定制開發不同的業務應用系統。因此，項目管理平臺由一個云數據平臺和五個業務系統組成，總體頂層設計如圖7所示。其中六個業務系統分別為：項目建設管理系統、設計文檔管理系統、施工管理系統、工程綜合監控系統以及運維查詢系統。本文限于篇幅，僅論述項目建設管理系統、施工管理系統兩個業務系統的研究應用成果，同時對快速建模的研究應用做出概要論述。

圖7 總體頂層設計

5 BIM項目管理平臺各階段應用成果

5.1 前期設計階段應用

(1)快速建模工具的研發與應用

為了加快建模效率，提升模型質量，總承包部牽頭組織快速建模工具開發，并將建模標準內置工具中，提高模型應用效率。本項目共開發了12套快速建模插件，保證設計及建模的高標準、高效率、高質量。目前已研究出市政管線自動建模方法、三維地質自動建模方法、盾構管片自動建模方法。

其中，在三維地質建模方法上，本項目通過物探數據利用三維地質軟件生成三維地質模型，如圖8所示，利用此模型可在任何地方進行剖切查看該處的地質情況，幫助施工人員判斷風險； 同時也可以對模型進行剪切，快速統計出需要開挖的土方量。

對于一般臨建、圍護結構、主體結構等模型，由我們分部工區采用Autodesk系列工具進行建模，并利用自主研發的Revit構件編碼插件進行快速編碼，總承包部按照相關標準對分部工區的模型進行檢查審核。其中臨建模型建模效果如圖9所示。

圖8 番禺廣場站地質模型

圖9 建模效果

(2)輔助前期線路設計

在前期規劃階段，我們主要借助無人機航拍、傾斜攝影技術等進行三維實景建模，通過GIS平臺集成BIM模型與航拍影像圖，輔助前期線路的規劃設計，直觀可視化了解線路下穿既有線、水道等風險點，進而進行線路調整優化、合理盾構選型，降低施工風險，如圖10所示。

圖10 BIM模型與航拍圖輔助線路規劃

基于建模標準統一的廣州市城建坐標系，我們能夠將實施階段各種模型進行合模，以實現地表建筑物與地下管線關系可視化、地質層與地下管線關系可視化、區間盾構穿越地質層與地表建筑關系可視化，可以帶來多參與方、多專業協同效應，提高溝通效率，降低施工對周邊建筑、管線等產生的風險。如圖11所示。

圖11 合模效果

5.2 項目建設管理應用

圖12 項目建設管理系統功能架構圖

為實現建設方、總包方項目管理流程標準化、精細化，本項目建立了以會議任務驅動的項目建設管理系統(PMOA)，如圖12所示，管理行為記錄與留痕，綜合管理數據查詢與消息推送。其系統界面如圖13所示。

圖13 項目建設管理系統界面

基于該系統可實現會議任務動態跟蹤，驅動管理人員在規定時間內完成規定任務，實現基于數據的考核管理。

通過管理程序、制度流程，項目過程中的工作成果變得透明化且可追蹤，大大提升了溝通效率，為總承包管理賦能。PMOA手機端界面如圖14所示。

圖14 PMOA會議任務跟蹤

5.3 進場施工階段應用

在進場施工階段，我們主要給分部工區現場一線管理人員提供施工管理系統應用。該系統是項目資金、技術、生產等數據的重要匯聚工具。目前包括電腦端、手機端，如圖15所示分別為各端首頁，其主要功能如圖16所示，主要用于日常施工過程管理，例如派工單、質量問題跟蹤等。

圖15 施工管理系統首頁

圖16 客戶端功能架構圖

施工管理系統已實現全線、全員、全面應用。圖17為管理人員登錄頻次分布情況，數據顯示，從18年10月開始，累計訪問量(登錄次數)： 280 188次，總在線時長： 98 441.6h，產生結構化數據約209G。每天系統平均并發訪問人數60人，高峰期達到100人。

圖17 各分部管理人員系統登錄頻次

總體而言，我們已經通過系統采集了大量的施工過程數據，包括人材機、進度、安全、勞務考勤等，并隨工程進展與BIM模型建立起動態關聯。下面分別從人員、材料、施工設備、安全、進度、質量等管控目標介紹具體應用方法：

(1)建立了實名制人員信息庫

人員報到3天內，需在施工管理系統中錄入參建人員信息，包括身份信息、從業資格、項目崗位等40多項信息，這些信息已涵蓋廣州市建委用工實名管理所需的全部信息。

所有人員信息進入系統后，滿足條件的施工人員將匯總形成合格人員清冊，并可以被派工單選擇。系統通過派工單實現門禁系統的授權準入控制，自動統計人員進出記錄，生成出入場考勤，平臺可以按周、月統計各分部在場人員數量，如圖18所示。

圖18 實名制人員信息庫

(2)建立了合格施工設備信息庫

現場大型施工設備需全部錄入平臺，系統對施工設備的進出場記錄、進場報審程序、檢驗資料等進行統一管理。用戶可在系統中匯總統計現場主要施工設備各工點分布情況，導出設備臺賬，如圖19所示。

圖19 進場報監合格設備庫

(3)實現了施工圖工程量自動計算及建立合格材料信息庫

通過材料計劃單掛接BIM模型，施工圖工程量由模型自動生成。在物資進場報審驗過程監管方面，利用二維碼進行物資信息追蹤，簡化工作流程，精確信息錄入，要求材料進場必須做到檢驗報告、見證取樣及合格證等證明材料齊全準確，實現可追溯，可跟蹤。在內業工作上，通過系統實現報表臺賬的自動生成及記錄歸檔，提高內業工作效率，減少人為錯漏。

(4)建立了分級管理的計劃管控體系

計劃管理模塊主要給分部工區提供了創建、更新和查詢進度計劃的功能，工區創建與更新計劃突破了總承包方要求的關鍵節點，系統會自動給出預警提醒。計劃管理包括總計劃、年計劃、季度計劃、月計劃以及周計劃五級計劃結構，分級控制，層層細化，如圖20所示為計劃模塊應用案例。

圖20 計劃管理

(5)施工組織模擬

利用平臺三維建造模擬的可視化工具，輔助分部工區和監理方檢查計劃的可實施性，提前發現工序安排、作業面沖突、資源消耗不均衡等問題，對計劃進行優化完善，如圖21所示。

圖21 施工組織模擬

(6)進度管控的主線——派工單

派工單是連接虛擬與現實的橋梁。系統將模型與計劃、人員、空間、設備材料、工藝工法標準、安全風險及防控措施、檔案資料等要素關聯，進行虛擬建造，并優化施工組織后，將形成派工單，每天完工后，工程實體的實際資源投入、進度、質量、安全、檔案等信息，通過派工單反饋至系統及相應的模型中，最終得到包含完整信息的竣工模型，實現從虛擬到現實、從現實到虛擬的雙閉環，如圖22所示。總承包方或者建設方如果需要了解每月每周的計劃完成情況，可打開系統直觀查看模型進度完成情況以及進度對比情況，如圖23所示。

圖22 派工單應用邏輯

圖23 實際與計劃對比分析

本項目派工單與傳統工單相比，有以下三個創新點：

1)通過平臺約束了派工的三大前置條件。即用于派工的人、材、機是通過系統審核合格的，從源頭上規范了作業過程，有效推動了作業層管理的標準化、精細化。

2)降低了施工現場作業人員管控的風險。利用派工單去約定每天現場的準入施工人員名單，并自動推送至工地現場的人臉識別門禁系統，通過系統保證僅當天有作業安排的人員才能進入工地，將來自于人員的不確定性和風險大大降低。

3)實現檔案驗收資料與工程實體同步。通過在平臺中建立標準工序與檢驗批等各類質量驗收的對應關系，并按預歸檔要求進行預組卷，當對應工序的派工單工程實體施工完成后，系統就提示工區施工員開展質量驗收報審以及完成相應檔案資料歸集工作，并可在系統中直觀查看資料歸檔具體情況。

(7)安全檢查/巡檢應用

傳統模式下，現場安全檢查與巡檢發現的問題，一般通過手機拍照定位，回到辦公室填寫紙質整改通知單，然后交給接口人去整改落實。一旦工點數量多，安全問題的數量遞增，就會使得問題跟蹤困難，復查確認的協同效率較低。

為解決以上問題，我們研發了安全檢查模塊。該模塊以建設方/監理方和總承包部/分部工區兩級方式進行管理。如圖24所示，為安全檢查與安全巡檢的手機端應用。現場施工過程中或施工完成后，總承包部或建管部、監理在現場檢查、巡檢過程發現的問題，通過手機端將問題直觀定位在模型上，發起整改要求。現場駐地監理和工區項目部能快速聯動，及時落實整改，整改結果反饋回系統，形成發現問題到問題整改的閉環控制。

建設方或總承包方能夠站在全局角度監控每個分部工區的安全問題整體情況，并實時掌握各分部工區現場工點出現的安全問題情況，實時了解分部工區主要安全風險點，進行必要的監督提醒，以及重點關注。

(8)安全風險預控管理

為了加強和保障重大危險源管理工作的有序實施，通過對施工過程中的重大危險源進行辨識與控制，預防事故的發生，實現安全技術、安全管理標準化和科學化。

圖25 安全風險源管理

我們主要利用系統建立全線的安全風險源庫，如圖25所示，對每個風險點的控制措施進行登記、跟蹤措施的執行情況，并與派工單形成關聯，能夠根據派工單及實際工程進度提前關注安全風險源，在相關監測數據觸發安全風險的預警后，能夠將安全風險源的技術措施和安全應急預案推送給相應負責人，第一時間啟動應急預案。

(9)質量驗收過程控制

圖26 手機端質量驗收應用

目前，我們開發了手機端質量驗收模塊，如圖26所示。利用信息化工具的主要管控思路為：如果某個檢驗批關聯的派工單實體完成后，派工單模塊自動通知相關人員及時組織驗收。分部工區質檢人員必須要通過工地門禁系統驗證進入施工現場，實測實量地完成自檢，才能在手機端發起自檢記錄填報，一旦自檢數據合格，系統將推送通知給監理方組織質量驗收，監理方同樣需要進入現場實測實量，才能完成對驗收工作的審查與文件資料的審核。系統根據后臺配置驗收資料表單規則，生成可歸檔的驗收資料，如圖27，這為后續數字化移交奠定了基礎。

圖27 質量驗收預歸檔目錄

(10)質量驗收資料預歸檔管理

正是通過派工單的雙閉環管理，將檔案資料與工序進行掛接，實現派工單工序實體完成與質量驗收資料同步完成，同時依據檔案預歸檔預組卷要求，建立虛擬檔案室，如圖28所示。借助虛擬檔案室，我們能夠動態可視化查看檔案資料移交進度情況以及具體檔案驗收要求。

圖28 工程實體驗收與檔案交付同步

6 項目總結與展望

6.1 項目總結

(1)信息協同價值

廣州地鐵十八和二十二號線設計施工總承包項目通過三維輔助設計減少施工階段設計變更，研究管理數據標準、建設BIM項目管理平臺，基本實現了項目多參與方信息協同共享，前期設計到進場施工的跨階段應用。

(2)管理效益

該項目搭建了較為完善的BIM應用環境，特別是結合總承包項目自身實際管理體系，將相關標準制度借助信息化載體去落地實施，并采取試點應用研究的模式，以逐步貼近管理需要，初步實現了BIM項目管理平臺“全線、全員、全面”應用，大大減少參建各方的管理工作量及溝通成本。

(3)數據價值

本項目通過項目管理平臺實現了工程數據匯聚，基于匯聚的數據，開展以數據分析驅動項目管理，讓管理建立在真實、實時、有效、具有關聯性的數字之上，讓管理更有效，通過數據價值為總承包管理賦能。

(4)經濟社會效益

在總承包部統籌安排下，十八和二十二號線各分部工區積極開展BIM技術應用，取得了一定的經濟社會效益。通過快速建模工具的研發應用，使建模效率和質量大幅提升。通過實施以派工單為核心的精細化管控方法，促進了安全責任落實到人，降低了安全事故的風險，提高了節點工期目標的兌現的概率。通過質量驗收信息化督促施工方自檢以及監理方現場驗收檢查，避免了傳統質量驗收流于形式和以文件資料為主體的“假驗收”。這些舉措帶來的是無形的經濟社會效益，也是對工程建設的潛在增值。

6.2 展望

基于本項目的階段性研究應用成果，下一階段，在應用方面，我們將繼續在全線推廣應用相關研究成果，完善BIM相關標準體系及管理辦法，逐步形成可復制的技術沉淀，爭取成為城市軌道交通領域應用標桿。

其次在人才培養上，我們也會以項目為依托，為華南建設培養一批高端BIM管理型人才，同時帶動各分部培養一批BIM應用型人才。

最后，在科研創新上，繼續深入相關合作研究，形成原創的技術積累，申報相關知識產權，科技獎項、發表論文著作等，為公司高新技術企業發展積蓄力量，助力信息化管控的數字線，為新型總承包管理賦能。