智能建造下鐵路施工技術的應用

譚希學 裴雪雯

北京建筑大學，中國·北京 102600

1 引言

隨著現代鐵路運輸業的蓬勃發展，傳統的鐵路施工技術已無法滿足建造的需要，在信息與科技的推動下，智能建造已成為全球鐵路建設的主流方向。智能建造是集智能化、信息化為一體的新型鐵路建造模式，其全面涉及鐵路施工建設的全過程，是鐵路單位實現轉型升級的關鍵措施[1]。因中國智能建造起步較晚，故當前智能建造領域仍處于探索階段，缺乏系統性的技術創新。鐵路企業的技術創新多存在于建設項目中，由于建設項目與建材生產區域存在離散性，導致技術創新率較低、技術人員對鐵路施工項目創新的關注度較低，此外智能建造的社會推行方面存在“標簽化”現象，導致人們將智能建造單純地理解為走捷徑、抄襲；項目管理者在自我主觀意識上缺少精益求精的工作精神，未能真正用發展的思維去正確看待智能建造問題，在整體策劃方面，缺乏對其技術的頂層規劃與統籌，科研經費投入量較少，未能將技術與產業實現有機融合[2]。在具體的技術研發上，當前智能建造在實現網絡系統控制與工序自動化方面還存在諸多不足。針對智能建造在發展中所存在的不足，鐵路相關管理部門將打破傳統的發展模式，針對智能建造在鐵路施工中所遇到的壁壘，提出解決措施，為鐵路建造的智能化發展提供支持與幫助。

2 中國和其他國家在智能建造領域的發展及研究現狀

智能建造領域在鐵路工程建設方面的應用在全球范圍內已開啟，其他國家高速鐵路運行逐漸形成了以日本（新干線）、法國（TGV）及德國（ICE）為模式的智能鐵路建設運營系統。中國雖在智能領域起步較晚，但隨著近幾年信息技術的不斷提高，逐漸形成了具有中國特色的智能建造應用體系。

2.1 其他國家智能鐵路建造發展現狀分析

基于20世紀德國鋼鐵行業與采礦業的飛速發展，帶動鐵路運輸業邁向了更高臺階，鐵路的發展對交通起著重要作用，促進了科學技術、采礦、機械制造等重工業的發展，利于國防的建設及中國經濟的發展[3]。當前德國已逐步實現BIM鐵路規劃戰略。2014年，德國鐵路建設工程發起了向全歐國家針對新建造項目管理的招標，決定將5D BIM新型技術應用于鐵路建設項目的設計、規劃與虛擬過程中，正式開啟了應用5D BIM智能化數字管理平臺的全新之路。在后期諸多項目的建設與擴建中應用了該項技術。例如，Filstai大橋、德國城際高鐵等。法國作為西歐老牌鐵路運行強國，尤為重視軌道建設與相關設備的科技化、信息化應用。2015年，法國鐵路管理部門率先提出了數字化法鐵實施戰略，著重發展路網、列車、站點的信息化建設。預計將在2040年為客戶建造一個具有發展潛力，同時具備便捷及競爭力的鐵路項目，且與運輸相結合的智能化鐵路運輸系統。日本是第一個在全國范圍內推行鐵路智能建造的國家，在2011年均已實現鐵路公共工程的信息化及智能化管理，以鐵路建設項目的全過程為依托，以鐵路建設質量為核心，實現所有信息的無紙化及線上網絡信息的傳遞，提高當前的生產效率，壓縮建造成本，實現收益的最大化[4]。JR東日本鐵路建設單位提出“智能技術制造長期發展計劃”，其目的是實現營銷、強化服務、降低養護成本等方面的目標，最終實現國家鐵路的智能化運行。

2.2 中國鐵路智能建造發展現狀

隨著國際上發達國家鐵路智能建造戰略的實施與推行，中國也相繼頒布了“互聯網+”“人工智能”等一系列實質性的發展規劃與政策，在當下需求與政策的大力推動下，智能化信息技術被逐步引入工業制造與生產的各個環節，全面引領智能建造技術在鐵路工程建造業中的廣泛應用。智能化建造技術為未來鐵路部門建造的轉型升級提供了新方向，并在工程的設計、結構及建造管理等領域取得了良好的社會效益與經濟效益。隨著中國鐵路運輸行業的快速發展，中國高速鐵路已邁入一個全新發展的黃金時代，在鐵路軌道建設方面取得了傲人的成績，已進入世界鐵路先進行列，其中一部分技術已領先世界水平，逐漸形成了擁有自主知識產權及特色的高鐵智能化管理體系。中國高鐵運行部門大力推進鐵路建設的系統化升級，將新一代的人工智能引進軌道建設領域，強調與明確了鐵路局與國家鐵路建設單位及運行單位的關系，對工程監督機構進行重新調整與優化，堅決落實軌道交通建造的主體責任[5]。2013年，在充分分析與實地調研其他國家相關鐵路建造先進管理理念與技術后，重新確立了中國鐵路建設的智能化建設總方針，即以當代鐵路施工項目的總體設計、建造及維護為管理目標，以標準化的平臺管理為抓手，以實行BIM為整體工程的建設核心，建立全面、開放的鐵路智能化運行平臺。當前，“智能京張”鐵路建設項目已竣工，川藏鐵路建設項目勢在必行，中老等鐵路項目的成功建造讓“中國制造”更好地走向世界舞臺，充分展示著中國鐵路的驕傲。隨著智能化建造技術在鐵路建設與運行領域的不斷應用與推廣，智能技術將推動高鐵建造的升級換代，不斷提高建設施工的智能化水平與工程質量。未來將推動智能化技術在其他工業制造領域的發展，使之融合CIM等現代化技術，從而打破傳統鐵路設計、施工建設及管理領域的溝通屏障，構建一體化高鐵建設新征程，最終實現鐵路運行數據的共享及智能化服務管理，為推動鐵路運輸行業的發展奠定堅實基礎。

3 智能建造下鐵路施工技術應用思路探究

3.1 鐵路施工項目建設特點

鐵路項目工程的建設是一項龐大、系統性的工程，具有以下特點：

①項目建設時間長、參建單位多，因此在組織協同工作上存在一定難度；

②對建造設備、技術、檔案管理等要求較高，接口較多，造成在實際的技術管理中存在困難；

③現場施工環境復雜，工程質量風險責任重大；

④項目建設期投資、質量、外部協調的控制水平，與工程建設的順利推進存在密切聯系[6]。

基于上述鐵路建設特點，相關部門亟需打通傳統建設與智能化建設的窗口。

3.2 管理體系的構建

以中國上海鐵路局集團為例，該單位在鐵路項目施工建設中，存在參建與監管單位多等特點，并根據此建立了項目建設單位為主、層次分明的鐵路項目施工管理制度：

①應用與研究管理小組，討論并分析出鐵路項目施工建造的總體實施計劃。明確了在項目建設過程中的工作范圍、工作重點；

②項目施工研究應用小組，制定并推動智能化建造方案；

③建設生產小組，整個項目建設的技術、設計、檢測、監督等現場智能建造的具體落實及應用。

3.3 施工技術管理體系的構建

針對鐵路施工建設難度大、風險點多等特點，將鐵路項目工程的建設具體細分為建設規范、施工設計、鐵路運行及養護管理等4個不同階段。針對不同建造階段中的不同施工環節，以BIM為建設基礎，利用智能建造的知、感、傳及控，不斷優化人與物之間的聯系，實現對建設項目的智能化控制，確保鐵路建設工程能夠在安全的基礎上實現優質推進，顯著提升鐵路施工的建設水平（見圖1）。

圖1 智能化鐵路建設管理系統

3.4 智能建造下鐵路施工的實施路徑

通過對項目的工期、效益、安全及質量等數據資料的模擬分析及虛擬建造，以實現鐵路工程的信息共享及協同管理為目標，最終實現對整個項目的精益化管理，為儲備專業性技術人才奠定基礎。

4 關鍵技術的預測

智能信息化技術在鐵路項目的建造中全面依托雷達、衛星等載體，并在圖紙的設計過程中借助物聯網技術及3D虛擬技術，對現使用的技術進行深化與創新，不斷突破傳統技術的壁壘，優化當前的作業方式，努力實現項目建造信息資源的共享與服務，未來鐵路項目施工預測如下：

4.1 遙感大數據

基于海、陸、空為一體的信息網絡建設工程，對大量、異構數據進行智能化分析。通過掌握更多地遙感觀測原始數據，并融合先進的大數據智能化解析系統，幫助工作人員在大量的數據中能夠準確、快速地提取到相關地質、水文信息，為鐵路施工的前期勘察提供更準確的客觀數據，推動工程項目的實施。

4.2 基于BIM協同設計

依托當前的智能化信息技術，實現鐵路施工建設的多方面協同設計，實現對施工過程的模擬建造，使得項目設計過程更加形象化，更好的發現鐵路施工過程中各個環節所存在的問題及安全隱患，對工藝布置實施升級與優化，可極大提升項目的整體設計水平與質量，減少建設成本，提升工程質量。

4.3 信息智能化設計數據庫

通過建立與完善“鐵路項目工程智能化設計數據庫”，完善鐵路施工項目的設計朝著“智能化”“一體化”方向發展，將實地勘察的成果進行數字化共享，并建立和完善專家經驗數據庫及分析中心等，根據鐵路施工項目的具體情況，并結合專家經驗與共識，為項目的設計提供精準的數據支撐，減少物力及人力成本，降低施工勘探的風險[7]。

5 智能建造實施過程的技術支撐

5.1 建立與完善鐵路施工項目的信息化管理平臺

以當前中國鐵路總公司的項目管理系統為基礎，設置施工項目管理機構、參建單位為一體的綜合管理平臺，實現對鐵路施工項目的數據挖掘、收集、分析，同時開展對易出現安全隱患環節的嚴格管控，強化項目的整體管理水平，統籌現有資源，提升項目管理的綜合使用效率。

5.2 以信息化技術為依托實現對項目建設的過程化管理

5.2.1 采用BIM技術優化整體規劃布局

在鐵路項目建設的初級階段，充分采用BIM技術對輔助生產區域、生活區域進行嚴格的實地勘察分析，依據“永臨結合”的原則，對所規劃布局進行優化，同時在項目建設的過程中要做好對施工環節的動態調整，滿足項目施工的需要。在中國城際鐵路建設項目過程中，將谷歌地圖與BIM技術相融合，建立模擬梁場的模型，通過不斷整合最終實現對相關設備的合理化布局（見圖2）。

圖2 中國徐宿淮鹽城際鐵路

5.2.2 采用物聯網技術加強對質量源頭的控制

物聯網起源于傳媒領域，是信息科技產業的第三次革命，是指通過信息傳感設備，按約定的協議，將制定的物體與信息網絡相結合，物體通過信息媒介的傳遞與交換，實現智能化的定位、跟蹤功能。鐵路施工中采用物聯網技術能夠實現對建造構件與原材料的生產、發貨、庫存、物流跟蹤等全過程的智能化管控。信息化在鐵路施工相關管理中遵循憑證化與標識化原則，能夠實現對項目施工建設全過程的追蹤，從源頭實施對產品質量的控制。在中國徐鹽鐵路項目中，實驗室、物料倉信息化管理平臺，可實現對拌合站試驗檢測等關鍵環節的全程監控，實現危險源的遠程預警，確保項目建設工程所使用的混凝土滿足項目建設的需要[8]。

5.2.3 采用智能化技術加強對施工技術的管理

堅持“分級驗收、試驗現行”的工藝實施原則及“以點帶段、亮點輻射”的工藝方法，對鐵路施工項目中的難點開展工序模擬建造。在鐵路隧道工程建設中使用激光點云技術，自動生成三維建模，通過對其尺寸差異進行分析，不斷優化建設施工工藝，打造高品質項目工程（見圖3）。

圖3 鐵路隧道施工現場

5.2.4 基于BIM鐵路施工建造技術的深化運用

以中國正盤臺、八達嶺鐵路隧道工程為依托，對建設工程BIM的施工與建設平臺進行綜合開發與利用，使得項目施工進度、質量及安全等信息共享化、可視化，實現項目管理者對其施工全過程的精細化智能管理。中國清華園隧道使用BIM技術，實現了對鐵路隧道鋪設的遠程控制，大大降低財力、物力的投入，降低建造成本[9,10]。

6 結語

在中國鐵路管理相關單位的積極參與下，智能施工建造技術被逐步引入鐵路項目的建設中，通過對該項技術的不斷深入挖掘與探索，實現了對鐵路全過程的資源共享與整合，成為鐵路施工與運行的重要基礎。未來隨著科技的不斷變革，智能建造技術將會在現有的基礎上不斷深化與進步，推動該項技術向著縱深方向發展，在深入了解新時期智能建造的發展走向后，緊緊圍繞當下鐵路建設的需要，努力實現在鐵路施工智能設計、工具、平臺等方面的創新，使中國鐵路運輸行業領先世界。