基于BIM的鐵路隧道工程施工協同管理平臺研究

馬少雄,李昌寧,徐 宏,徐 飛,趙 欽

(1.陜西鐵路工程職業技術學院,陜西渭南 714000； 2.西安理工大學土木建筑工程學院,西安 710048； 3.中鐵一局集團有限公司,西安 710054； 4.西安工業大學計算機科學與工程學院,西安 710021)

隨著《中長期鐵路網規劃》和《交通強國建設綱要》等政策文件的頒布實施，我國迎來鐵路建設高潮。然而鐵路項目因為其施工參建單位多、工期要求緊、技術標準高、施工難度大和控制工點多等特點[1-5]，導致傳統的鐵路項目管理方式存在智能化程度不足、施工管理混亂等問題，成為制約鐵路工程產業建設轉型升級、提質增效的重要因素。在鐵路項目施工過程中，如何實現施工信息的高效共享和利用，提高協同管理水平，進而優化施工設計、合理制定計劃、掌握施工進度、合理使用各項資源，是縮短工期、降低成本、提高質量的根本途徑[6-10]。

BIM是利用三維數字技術建立包含工程項目各種相關信息的數據模型[11-14]，項目施工過程中，各參與方都可以在信息模型中插入、提取、更新和修改信息，以實現其各自職責的協同作業[15-20]。因此，BIM技術的核心思想是構筑多專業間協同管理環境，將分散的參與方從時間和空間上聯系起來，解決傳統紙質方式交流的“信息斷層”和“信息孤島”問題，提升各主體信息交互的效率與準確性，為建立建設項目數字化施工協同管理平臺提供了條件。利用BIM技術及計算機相關技術實現建設項目施工過程優化管理，可以達到提高項目管理水平、提升企業生產效益的目標[21-24]。目前，BIM技術在鐵路建設項目施工協同管理中的研究與應用成果較少。本文依托太焦鐵路TJZQ-5標武鄉隧道工程建設，對基于BIM的數字化施工協同管理平臺展開研究。

1 工程概況

太焦鐵路TJZQ-5標武鄉隧道位于山西省長治市武鄉縣，全長9 024 m，最大埋深約172.19 m，高程1 196.94 m。隧道區巖性主要為砂巖、泥巖，巖體節理裂隙較發育，多呈碎石狀、塊石狀，易產生局部坍塌、掉塊。其中Ⅴ級圍巖884 m，Ⅳ級圍巖3 610 m，Ⅲ級圍巖4 530 m。隧道施工過程中，先后4次下穿村莊，12次下穿既有道路，并且下穿村莊多為年久失修的窯洞，安全隱患極大。施工全部采用控制爆破、短進尺開挖。

2 工程施工特點

武鄉隧道工程具有涉及專業廣、施工干擾大、施工外部環境復雜、工期風險極高、現場調度管理難度極大等特點。同時，隧道開挖對沿線百姓生產生活影響較大。鑒于此，引入BIM技術，研發數字化施工協同管理平臺，一方面采用BIM技術實現碰撞檢測、優化隧道構件結構、虛擬建造等常規功能，提前避免因設計缺陷導致的工程返工問題，為隧道施工進度安排提供合理的參考依據，有效提升施工效率；另一方面在此過程中形成以BIM為核心、可支撐施工管理各參與方管理業務標準化運轉的施工過程協同管理環境，將影響或干擾施工管理的各因素可視化，將各專業信息數字化，提升施工管理效率，降低施工管理難度。

3 基于BIM的施工協同管理平臺研發

3.1 BIM協同管理平臺總體框架結構

鐵路建設項目數字化協同管理體系以鐵路隧道模型為基礎，以集成化管理理念與協同為主要理論依據，以關系數據庫存儲為支撐，以鐵路建設項目數字化管理平臺為核心，結合鐵路專業技術標準和統一編碼體系，通過集成編碼結構管理、規劃組織管理、人員管理、模型管理、權限管理、工序管理、圍巖等級管理、報表管理等功能模塊，輔助各參建單位等利益相關方可在鐵路建設項目施工全過程進行基于統一信息模型的數據采集、整理、統計、分析，從而有效開展決策支持、多目標綜合管理，確定基于BIM的協同管理平臺總體結構見圖1。

圖1 數字化協同管理平臺結構

3.2 數字化協同管理平臺子系統劃分

鐵路建設項目數字化協同管理體系的核心是數字化綜合管理，平臺由綜合展板、隧道展板、橋梁展板、軌道展板、路基展板五大模塊組成，其中隧道模塊由項目管理、組織機構管理、圍巖等級管理、工序管理、計劃管理、模型管理、報表管理、權限管理8個子系統構成，見圖2。

圖2 數字化協同管理平臺應用組成

3.2.1 項目管理與組織機構管理

項目管理與組織機構管理子系統包括項目基礎信息維護、組織機構維護功能，項目基礎信息包含項目唯一識別碼、項目簡稱、項目簡介、項目宣傳視頻圖片、項目開始結束時間、各參建單位等有關項目所有基本信息，以支持多項目集中維護，實現多項目信息相對獨立而又相互共享，滿足數據共享的要求，組織機構功能則對公司內部所有部門信息進行了系統的建立，支持從其他業務系統接入，也支持其他業務系統通過API接口共享訪問，為企業后期業務系統集成提供了統一的數據管理模型。

3.2.2 模型管理

通過專業的建模軟件對施工項目主體進行BIM建模，利用插件進行模型輕量化處理，通過Cesnium開源技術封裝的模型引擎對輕量化后的模型數據文件進行加載呈現。項目中存在多個BIM模型，就對應多個模型json數據文件，相互獨立存儲。在業務系統中，通過引擎API處理接口對所需的模型實現共同加載，達到多個模型融合的效果(圖3)。

圖3 模型管理子系統界面

3.2.3 計劃管理

計劃進度控制是將項目的各個階段和先后順序進行統籌規劃和協調，對人力、物力、財力等資源進行合理安排和充分利用，達到在預定的工期內以最優的時間和資源消耗完成工程項目建設的目標。進度控制要求建設單位要按照制定計劃、監控實施、積極調整的原則對工程建設全過程進行控制。

進度計劃子系統中使用表格進度計劃編制方式，快速定義任務的主要參數，包含計劃名稱、計劃天數、開始時間、結束時間、實際天數、實際開始時間、實際結束時間、前置任務等。模塊中設計計劃與模型銜接，實現計劃與模型的關聯，也可以從模型樹結構中直接提取有效參數批量設置計劃，實現模型與計劃的無縫對接(圖4)。

圖4 計劃管理子系統界面

3.2.4 工序管理

隧道施工過程中包括開挖、仰拱、初襯、水電溝槽等幾個常規施工步驟。此模塊主要功能是對隧道施工工序進行常規維護，用戶可以自定義工序步驟，由簡單工序到復雜工序都能進行統一的管理維護，并根據各個工序步驟相對整體工程進度的影響程度，由項目管理人員對工序步驟設置權重比例，方便根據隧道實際施工進度和權重比例進行報表的統計(圖5)。

圖5 工序管理子系統界面

3.2.5 圍巖等級管理

此模塊主要功能是對隧道圍巖等級進行設定，包含了圍巖等級編碼、圍巖等級名稱，通過將圍巖數據與平臺模型關聯，實現圍巖狀態的實時跟蹤并可視化展示，方便用戶及時掌握圍巖和支護結構狀態，及時制定應急方案，對圍巖信息進行統一管理維護(圖6)。

圖6 圍巖等級管理子系統界面

3.2.6 報表管理

報表管理模塊包含了施工進度累進報表、產值累進報表、施工進度折線圖多維度統計分析、產值數據多維度折線圖和柱狀圖分析、總完成占比分析等圖表可視化分析(圖7)。

圖7 報表管理子系統界面

3.2.7 權限管理

此模塊具有維護系統用戶、角色、權限分配等功能。

3.3 數字化協同管理平臺應用

利用基于BIM技術與軟件開發的可視化項目管理系統開展施工管理、審核和鑒權工作，可以科學有效地指導工程決策。通過數字化協同管理平臺，對項目實施情況進行實時監控與審核，及時上報問題并通知相關業務負責人進行處理。同時該系統具有鑒權功能，允許用戶根據自己的職位和權限進行有限制的操作，達到多人協同處理業務，形成一站式的業務流。

通過數字化協同管理平臺大屏顯示功能，點擊按鈕即可觀察隧道各個部分當前的施工狀態。在右側的展板清晰地查看數據的分析狀況，便于從宏觀角度對鐵路項目施工進行把控(圖8)。

圖8 管理平臺大屏展示

不同的使用者在該平臺對應不同的權限。系統管理員具有最高權限，能夠對平臺中所有的模塊進行管理，后臺實現基礎業務數據的采集、匯總、處理(圖9)，通過模型引擎、Echart框架在前臺進行模型渲染和數據可視化圖表展示。

圖9 系統管理員后臺展示

4 效益分析

4.1 經濟效益

在鐵路隧道項目施工過程中，利用BIM技術優化作業過程和工藝流程，開展施工管理技術創新，提升企業生產效益。基于BIM的數字化協同管理平臺在武鄉隧道施工過程中的應用，針對隧道洞口斷面定位減少變更費用30萬元、施工方案優選等方面減少變更費用137萬元，工程量核算對比節約830 m3混凝土約30萬元，節約93 t鋼材約25萬元，隧道既有工程碰撞檢查問題562處節約成本83萬元，路橋隧接口設計優化問題35處節約成本42萬元，圍巖風險預警58次節約成本40萬元，工序管理和圍巖管理的節約現場隧道施工數據分析，提高了工作效率及數據分析自動化，為項目節省人工和材料費用約48萬元，合計435萬元。

4.2 社會效益

BIM技術在武鄉隧道項目的成功應用，有效解決了傳統隧道施工過程中可視化程度不高、現場調度困難、協同管理水平低等問題。研發了基于BIM的可視化管理共享平臺及移動端，實現了對隧道施工過程中模型構件的全生命周期管理以及項目可視化、項目信息化，給企業、業主帶來良好經濟效益的同時，樹立了實體經濟與“互聯網、大數據、人工智能”等新技術深度融合的典范，提升了企業在行業的影響力。同時，也推動了BIM技術與鐵路施工技術的融合發展。

5 結論

(1)在鐵路隧道工程施工過程中，利用基于BIM技術的協同管理平臺進行施工管理，可以避免傳統管理方式中存在信息分散、各部門人員交流不順暢、進度質量安全問題處理不及時、管理混亂等缺陷，有效提升管理效率和管理水平。

(2)研發的協同管理平臺包含綜合展板、隧道展板、橋梁展板、軌道展板、路基展板五大模塊，其中隧道模塊由項目管理、組織機構管理、圍巖等級管理、工序管理、計劃管理、模型管理、報表管理、權限管理子系統組成，能夠實現施工過程中主要管理功能。

(3)該平臺可以直接觀察隧道各個部分當前的施工狀態，清晰地展示施工計劃和施工工序，快速分析施工數據，便于管理者從宏觀角度對鐵路項目施工進行把控。該平臺在武鄉隧道工程建設中的成功應用，節省近435萬元費用，是企業“提質增效”的有效途徑，同時為鐵路建設項目應用BIM技術進行施工管理提供了借鑒。