基于BIM的施工管理平臺應用研究

范志強，孟 飛，楊 斌，解亞龍，劉 偉

（1. 北京經緯信息技術有限公司，北京 100081；2. 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；3. 中國國家鐵路集團有限公司 工程管理中心，北京 100026）

隨著我國鐵路的快速發展，鐵路工程的建設任務逐年增加，為了對鐵路建設項目實現精細化管控[1]，正在鐵路行業中全面推廣信息化管理，同時引進了BIM技術作為重要的管理手段，實現鐵路工程建設高效、快速和便捷的全過程管理[2-3]。

鐵路工程施工建設涉及進度管控、安質可控、成本預控等多項內容。目前，各相關單位僅利用BIM技術進行單方面的管理，沒有進行信息共享和協同管理，因此，搭建統一的鐵路工程施工建設信息化、智慧化、人機交互化管理應用施工管理平臺迫在眉睫且勢在必行[4]。

1 平臺建設

1.1 建設目標

鐵路施工管理平臺（簡稱：平臺）以BIM技術為核心，對鐵路工程建設過程中的進度、成本、質量、安全等方面實行動態的全過程管理[5]。整個系統采用B/S結構，以施工進度為主線，以數據信息為基礎，以成本控制為核心，實現了企業的實時、多地區、多節點管理。

1.2 建設原則

施工管理平臺構建過程中，遵循開放指導原則，強調以施工人員為中心，廢除固定的、呆板的傳統設計[6]，在學習進度和教學信息的呈現形式上能給施工人員更多的自主控制權。建立系列化、流程化的施工指導流程，構建完整的施工知識體系，使平臺能夠適應不同認知特征用戶的需求。

由于施工建筑形式多樣、狀況復雜，因此，平臺構建時注重信息呈現及交互功能的靈活性，即圍繞同一狀況，設計多種不同起點，不同路徑的展示模式，提供多次展示機會，做出不同的判斷和抉擇，引導施工人員獲得多方面的理解和認識。

為保證平臺與其它系統兼容，并便于后期進行內容擴展和技術升級，整個系統的規范標準遵照國家規范標準和有關行業規范標準[7]。

1.3 平臺特色

依據規范化的鐵路工程建設施工項目知識體系，建立系列化、流程化、閉合管理的施工日常指導和操作，實現鐵路工程建設項目全生命周期內、不同崗位內的施工管控、質量把控、成本和周期可控的統一完整性。

平臺操作堅持以操作方便、界面簡潔、直觀為目標，集成智能流程可視化，避免重復操作。

2 平臺架構

2.1 平臺總體架構

系統整體采用B/S模式，具有良好的跨平臺性能。系統架構采用分層設置，如圖1所示。

圖1 平臺總體架構

（1）系統的訪問層通過瀏覽器、智能終端等不同方式進行平臺訪問。

（2）應用層實現具體業務功能，可以按需求提供訪問層進行調用。

（3）服務層為系統運行提供支撐。

（4）數據層存儲的數據分為模型數據、施工過程管理數據兩類。

（5）通過核心技術BIM+GIS實現整個系統的可視化展示。

2.2 平臺技術架構

2.2.1 技術架構

從技術角度出發，施工管理平臺分為4層，如圖2所示，分別為感知層、網絡層、平臺層和應用層。

圖2 平臺技術架構

（1）感知層：運用RFID技術、視頻監控技術、傳感器技術，收集施工現場的信息，為平臺提供數據。

（2）網絡層：是系統內部各子系統之間信息交換的載體，將感知數據傳輸至各子系統進行歸類、存儲、分析。

（3）平臺層：通過運用云計算、云存儲、云渲染、網絡安全等技術，實現鐵路工程建設過程中的安全質量、施工進度、施工過程、成本等方面的管理。

（4）應用層：利用Web圖形展示技術、多客戶端適應技術、組件化技術、內容管理技術等形成系統應用，最終實現對工程的可視化、流程化管控，提高工程建設質量，保障工程建設進度，降低安全風險，節約建設成本。

平臺采用基于.Net框架的結構形式，根據用戶已有服務器所運行的操作系統和工作環境，采用Microsoft.net或Mono.net運行庫。系統的三維場景瀏覽、交互及功能發布采用3D虛擬現實引擎——Unity3D 5.5.0f3 進行開發。

2.2.2 數據存儲

系統的數據交換與通信主要針對各類數據交換接口進行設計。

（1）客戶端與服務器之間的通信

客戶端與服務器端的通信方式有2種，如圖3所示：（1）用于網絡同步而進行的3D場景數據的交換；（2）用于支持仿真系統正常運轉和保證仿真正常進行的數據交換。具體形式，如圖3所示。

圖3 客戶端與服務器端通信

（2）服務器端與數據庫、文件系統之間的通信

數據庫系統中保存著系統運行所需的各類基礎數據，服務器利用系統提供的數據庫訪問接口對這些數據進行操作，如圖4所示。資源文件以文件系統的形式保存在服務器計算機的磁盤中，服務器通過自身的文件讀寫系統與這些資源文件進行交互與通信。此外，為保證對各類資源文件的協調、統一管理，在數據庫系統中以元數據的形式，對磁盤上的資源文件進行統一管理與分類。

圖4 服務器與數據庫、文件系統的通信關系

2.2.3 客戶端系統執行流程

客戶端是用戶與系統交互的主要人機界面，其系統操作流程，如圖5所示。

圖5 客戶端執行流程

3 系統功能

平臺對工程項目計劃、進度、3D可視化、圖紙發放、變更設計、勞務用工、施工對接、登記、標準規范等進行全面綜合管理；縱向貫穿學習、娛樂、分派、施工、竣工等方面控制，以及3D可視化、沉浸式交互、虛擬仿真等要素。

施工管理平臺針對鐵路施工建設實際需求，搭建13個模塊，具體情況，如圖6所示。

（1）電子沙盤

融合BIM和傾斜攝影模型，實現真實場景展示瀏覽，如圖7所示；實現構筑物基本信息查詢和快速定位、屬性關聯（包括幾何屬性和非幾何屬性、檢驗批、日志、工程影像、工程量等信息）、項目進度查看、光照分析、具體構件的工藝工法查看等功能。

（2）碰撞檢測

對重難點工程或關鍵部位模型進行碰撞檢測，預先排查出相關碰撞，提高圖紙審核質量，避免因圖紙問題影響施工。

（3）3D技術交底

圖6 施工管理平臺模塊列表

圖7 電子沙盤頁面

利用3D可視化技術協助施工現場管理人員實現技術交底，實現技術交底由2D向3D的轉換，能夠消除接受交底人員對交底內容理解的偏差。以更加直觀的方式展示施工方法和施工順序，減少信息傳遞過程的丟失，保障施工質量。

（4）4D施工模擬

通過錄入的施工計劃，通過與模型的關聯，進行重難點施工的模擬和優化，解決施工難點，驗證施工計劃編制的合理性，確保安全合理進行施工。

（5）虛擬樣板

對重要施工節點進行施工交底時，通過高精度的3D BIM模型更加形象化的對細節進行展示，同時取代施工現場搭建樣板的工作，起到占用空間小、節約施工場地、節省材料和人工、可重復利用、減少成本的目的。

（6）工藝工法

對鐵路各專業工藝工法進行形象、可視化展示，指導施工人員對于施工重點難點快速了解和熟悉，解決施工進度問題，同時規范化施工流程和施工安全。在工藝工法上，添加每個施工項目的視頻，以動畫模擬方式具體描述施工內容。詳細介紹每個施工環節的注意事項。

（7）施工過程管理

對施工過程中的施工方案、人員變更、設計變更等進行規范，做到可追溯。

（8）施工臺賬

對施工過程中的施工臺帳，自動生成日、月、年進度，對工程進度進行管理，實現可控管理。

（9）圖紙管理

對圖紙進行臺賬管理，隨時更新圖紙信息，替換已作廢的圖紙，同時記錄變更的詳細信息，實現項目全生命周期的圖紙有序可追溯管理。

（10）無人機巡檢

在電子沙盤頁面中設計無人機飛行路線和飛行時間，實現無人機對工地進行日常拍照檢查，對施工進度、施工質量和安全進行日常抽查管控。

（11）隱患排查

實現安全質量管理，通過Web端和App端對施工過程存在的安全隱患進行排查和處理。根據隱患類別及危害程度，對不同級別的隱患進行管理和響應[8]。各項隱患的排查、響應、整改、消除，各環節形成閉環，實現質量安全隱患全面徹底排查、及時治理消除，預防可能導致質量安全事故或者工程重要使用功能受損發生的人的不安全行為、物的危險狀態、環境影響因素、質量和管理上的缺陷。

（12）施工進度管理

實現施工進度協同管理，根據填報的計劃進度，自動生成甘特圖，并與模型相關聯，進行任務包分派和任務閉環，實時、系統地解決施工進度管理問題[9-10]。

（13）工程量統計

即成本管理，實現工程量與模型的掛件和統計，通過BIM信息，進行成本預算、管理和核算，高效有序進行數據多方比對管理，提高項目效益。

4 結束語

基于BIM的施工管理平臺已在多個工程項目上應用，以BIM+GIS的手段實現了施工建設項目的可視化效果，為管理人員提供了直觀的項目信息查看；通過信息化的手段對施工過程進行管理，規范了管理方法，細化了管理力度，減少了信息在各單位、各部門之間傳遞過程中產生的偏差。提高施工建設管理效率約30%，為鐵路工程施工建設提供了有效的管理工具。

依托具體項目對施工管理平臺的應用，通過電子沙盤可視化的展示了工程的建設特點，如圖8所示，為管理者的決策提供了更有效的支撐。

圖8 施工進度在沙盤中展示效果

通過對施工過程全過程、全方位的管理，實現了鐵路工程建設由傳統的管理向信息化管理的轉化，由2D圖紙向3D BIM的轉變。為鐵路工程信息化建設積累了經驗，驗證了信息化在鐵路工程的實用性、有效性，見證了對質量、安全、進度管理的精細化和高效化。