基于BIM技術的公路機電項目管理系統研究

何蘭英　

基于BIM技術的公路機電項目管理系統研究

何蘭英

（廣西交科集團有限公司，廣西南寧 530007）

公路機電工程項目具有施工周期長、環境復雜、涉及面廣、參與人數眾多等特點，隨著智能化、高安全、高效率等生產需求的不斷提出，公路機電工程項目管理逐步走向模型化、數字化、全生命周期的系統管理模式。通過BIM模型化直觀反映項目整體的工程進度及安全隱患，通過數字化圖形圖表多維度反映工程項目的成本及質量，以統籌規劃項目下一步的工作內容，通過BIM技術全生命周期監測及管理整個項目，做到可追溯、可預測、可防范的全面管理。文章以在建的大型高速公路機電工程項目為基礎，研究在機電項目管理系統中應用BIM技術對項目的進度、質量、安全、智能化、高效率等進行全面管理的提升。

機電項目；BIM技術；模型；實踐；預測；可視化

引言

當前，我國公路建設進入一個高速發展的新階段，對公路機電工程的建設施工及運營管理提出了更高要求，在研究提升公路機電工程整體質量方面，勢必要不斷探索新技術、新思路在公路機電工程項目建設管理中的應用[1]。BIM技術具有可視化、協調性、模擬性等特點，其優勢是構建直觀的三維立體展示模型，使工程整體一目了然，為多部門協調一致提供依據，模擬工程未來進度成果，為預測風險及質量優化提供數據參考。筆者將BIM技術應用到機電項目管理系統中，探索在項目的全生命周期中實現可追溯、可預測、高質量、智能化的管理，現階段所取得的成果顯著。

1　BIM技術趨勢

目前，國內BIM技術及產業仍主要服務于建筑行業，圍繞建筑設計、建造、運維三個階段進行BIM技術應用及軟件研發。而隨著信息技術的不斷發展和滲透，BIM技術不僅能夠適應建筑行業領域的工作需求，還能不斷開拓工業互聯網工程、信息化工程、公路機電工程等適用的領域，呈現出多元化適用的發展趨勢[2]。

此外，隨著學科領域的不斷交叉應用和發展，BIM技術不斷凸顯出其優勢和影響力，公路工程、橋梁工程、城市管廊、水運工程、環境工程等越來越多的工程領域應用案例，充分體現了BIM技術在交叉學科領域的適用性和重要性，是符合人們意志的人性化表現[3]。

縱觀BIM技術發展態勢，BIM技術應用將更趨于多元化、人性化、可視化的發展方向。

2　公路機電項目管理系統組成

公路機電項目管理系統以BIM技術應用為核心，在此基礎上向外擴展相關業務，系統采用B/S架構，各項業務基于模塊化的組件形式，建立統一認證機制和細分的權限配置管理，同時提供第三方平臺業務接口以實現數據同步傳輸。系統結構分為模型層、硬件層、應用層等六個層次，包含數據資源整合管理體系、統一標準應用體系和信息安全保障體系。

2.1 項目概況

筆者參與的某高速公路機電工程設計施工總承包項目線路全長132.9 km，總投資近13億元，貫穿兩市一縣，是該省東西橫向交通規劃的主要通道之一。項目工程量大，工期緊，線路途徑兩處運河樞紐、一處非物質文化遺產保護區、一處生態環境保護區、及多處農田耕地等，此外還與一條南北縱向高速公路、多條地方道路存在交叉，因此，項目在建設實施的各個階段都對施工管理提出了更高要求。

2.2 系統架構

圖1 系統架構

系統架構如圖1所示，包含六個層次。

（1）模型層：基于Autodesk主流建模軟件的模型平臺，模型原?件輕量化轉換平臺實現模型 web 發布。

（2）硬件平臺層：硬件主要包括服務器、PC客戶端、APP移動客戶端等應用單元，交換機、網關、防火墻、光纖終端等網絡傳輸單元，采集器、傳感器、物聯感知等采集單元。平臺主要包含操作系統、子系統、中間件、GIS引擎、報表工具、插件等。

（3）數據資源層：包含輕量化的模型及編碼數據庫，權限配置及字典管理的基礎數據庫，以及包含進度管理、質量管理、安全管理、文檔管理的業務數據庫。

（4）綜合應用層：包含進度管理、質量管理、安全管理、預控價管理、計量支付管理、庫存管理、檔案管理七大主業務板塊，統一認證中心以及系統配置管理（組織結構、權限、角色）。

（5）決策支撐層：包含進度績效考核、技術優化改進、綜合評估指標三個決策支撐板塊，一個可視化的數據中心。

（6）多端支持層：主要包括web應用的PC客戶端，以及APP移動客戶端。

2.3 系統組成

圖2 系統組成

系統組成如圖2所示，包含監控系統、收費系統、通信系統、供配電系統、照明系統五大公路機電工程典型的組成部分，通過各部分工程量、進度比例、收支情況、整改情況、計量統計等參變量來實時跟蹤項目整體完工情況。

系統突出的特點是基于BIM技術的輕量化模型展示，直觀反映項目現場的各項數據，包括在進行的活動、計劃實施的活動、預計的資源需求、完工日期等，十分有利于項目決策層實時把握項目總體，并進行統籌規劃及決策調整。

系統還包含進度管理、質量管理、安全管理等功能板塊，目標是通過數據的專項統計分析反映項目的各項指標，以輔助BIM模型中的工作決策、過程改進、隱患排查等。

2.4 技術路線

在公路機電項目管理系統中，以BIM模型作為項目管理的核心數據基礎，對項目的各個組成構件進行逐一建模和編碼，模型應擁有清晰明確的存儲規則，包括一些存儲路徑的規范命名，同時編碼規則應確保模型在項目全生命周期中的身份標識唯一性，以保障模型屬性傳遞的一致性。

BIM模型搭建主要分兩大方面：一是綜合性生產模型，主要是項目現場的設備、機械、房建、給排水、道路、材料、倉儲等區域，反映的是必要的輔助設施和工序[4]；二是工程設計方案模型，主要是根據設計方案、設計圖紙、施工圖紙、以及各項技術指標進行建模，反映的是明確的工程指標模型。圖3為收費站模型。

圖3 收費站模型建立

系統實施過程中，在設計階段，對項目組成構件進行逐一編碼，確保其系統內唯一性。在施工階段，將工程量清單分項，并與構件編碼、清單編碼有機結合起來，施工期間的各類數據通過構件編碼進行傳遞和存儲。在運營和維護階段，構件編碼與項目實體物件進行關聯，通過物件心跳包保活和物件接口實時上傳數據，并同步更新到BIM模型中，模型總體完成量、質量、成本、安全等各項指標即反映了施工現場的真實狀況。BIM軟件編碼如圖4所示。

圖4 BIM構件編碼組成

3　BIM技術的應用實踐

3.1 輕量化渲染

前面提到，公路機電項目管理系統采用B/S架構，故為了實現BIM模型的web發布，采用將BIM模型多層切片及分布加載的方式進行輕量化渲染，在保證模型完整性的前提下降低模型大小，以適應web端、移動APP端實現模型快速預覽的需求。該解決方案在本項目實踐中得到廣泛認可和好評，即保持了BIM技術實現項目可視化管理的初衷，又達到了良好的用戶體驗。

BIM模型輕量化渲染應用實踐如圖5所示，保證模型主體框架的完整性，對項目主要關注的施工主體進行切片，去除非關鍵的環境模型，實現輕量化渲染。

圖5 服務區BIM輕量化

3.2 工序及碰撞檢查

公路機電工程項目所涉及的施工項種類繁多，專業性強，因環境復雜多變，受工藝水平、資源配置、工序交叉等因數影響，項目現場常常需要做出檢查和調整，如果仍然依靠施工圖紙等平面設計進行施工編組和排序，不僅難以切合應用實際，而且還有可能出現工藝偏差甚至返工的嚴重后果。因此，為保障各類施工項的有序開展，需要應用BIM技術進行場景建模，模擬各項工序過程，消除工序的交叉影響并進行合理編排[5]。同時，在諸如隧道配電房施工、機房弱電線路施工、收費島機電施工等方面，應用BIM模型進行碰撞檢查，將各項設施的安裝位置、空間需求、線路走向等模擬出來，通過三維模型動畫呈現分析和判斷各工序在交叉點是否存在碰撞情況，找出調整方案避免后續施工過程中出現類似問題。

通常工序及碰撞檢查需要經過不斷重復的推演和優化才能找到合理的排序和消除交叉影響。例如，有些工序排列看似沒有問題，也不存在交叉情況，但兩者之間的間隙很窄，導致后續施工項沒有足夠的操作空間，施工人員無法進行有效施工。這時就需要通過模型反復推演，同時把施工人員、輔助工具等關聯項考慮進來，才能消除交叉影響。

3.3 清單計算

公路機電工程項目涉及的設備種類繁多、數量大，如監控系統中就包括攝像機、服務器、解碼器、拼控器、交換機、安裝桿件、強弱電線路等設施，如果根據設計圖紙來統計設備清單，難免會因為圖紙設計問題、現場需要改變、人為統計錯誤等因數導致清單的不準確。BIM技術應用可以很好地解決這些問題，首先，通過設計階段的BIM構件進行分類統計，使統計結構清晰并便于后續更新；其次，通過模型進行消耗模擬和預估，設置一些預留分量；最后，對于固定數量的耗材按需實施配額，對于預留分量的耗材在施工配額時計算上分量數，對于可能包含潛在損耗的施工項，設置一定量的儲備。此外，還可以應用BIM模型推演技術來應對施工階段出現工序變更時所需耗材的變化，以及時同步更新到清單中。

統計清單除了包含材料損耗統計，還包含預期的施工時間、成本、人員投入、進度指標等，項目管理人員除憑借自身的管理經驗評估之外，結合應用BIM技術模擬和推演，將能更合理地對系統工作進行結構分解和任務預估，從而提供工程效率。BIM清單計算如圖6所示。

圖6 BIM清單計算

3.4 進度控制

進度控制是公路機電工程項目中一項需要反復循環進行的活動，它關乎項目能否在計劃的時間內保質、保量完成預定工作并交付使用，是項目成敗的關鍵指標之一。項目的進度管理包括計劃編制、活動定義、活動排序、資源估算以及進度控制等內容。在實際項目過程中，由于各種因數導致進度偏差或失控常有發生，而傳統的平面設計無法直觀反映進度狀況和找尋引起進度異常的原因。應用BIM模型設計時，除在設計階段通過模型對進度量化管理以外，在施工和運維階段還持續跟蹤管理，根據施工人員上報的進度績效信息，實時更新BIM模型上的進度信息，并能根據模型關聯分析造成進度異常的原因[6]。

在進度控制階段，根據上述分析結果，對偏差因數施加干預進行糾偏，對活動資源重新估算，從替代的處置方案中對比分析尋找最佳措施，在后續工作中實施糾偏措施，不僅能及時準確地實施進度控制，還能節約項目管理成本。BIM進度計劃如圖7所示。

圖7 BIM進度計劃對比

3.5 技術交底

公路機電項目管理的質量指標主要體現在安裝技術、施工工藝、機電設備質量等方面，具有較高的專業性和技術要求，對工程項目整體的質量指標影響最為突出。傳統的機電工程項目質量管理包括合同規范、現場監管、質量抽查等方式，在管理深度、廣度、細度方面存在明顯不足，特別是對一些隱蔽工程、防水工程等的質量管理存在欠缺情況。

引入BIM技術后，將模型構件與質量指標關聯并驗證后登記入冊，進行分項分級標識實現質量的細度管理，對于隱蔽工程、防水工程等特殊工序，通過模型推演來排查隱患項[7]。在可視化模型展示中，施工人員、負責人、專家等參與審核評估，建立虛擬現場的面對面溝通，可有效排查隱患，實施可靠的技術交底，從而保障工程整體質量。圖8為隧道技術交低。

圖8 隧道技術交低

3.6 施工安全

保障施工安全是機電項目管理的首要任務，施工安全問題的出現具有多方面原因，同時還具有一定的偶然性。以往的安全管理主要通過人員安全知識培訓、現場監督管理、經評估的風險預測和防范措施等，這在項目實踐過程中是無法根據環境因數等的變化及時準確預測和防范安全隱患的。BIM技術應用使得項目安全管理得到很好補充[8]，一方面是通過模型構件對施工過程進行數字化仿真，另一方面對關聯的仿真結果進行識別分析和再關聯，導入分析結果查看模型變化，從而準確預測隱患因數，記錄形成清單并才對相應措施進行預防。圖9為ETC門架施工警示圖。

圖9 ETC門架施工警示圖

3.7 人員管理

公路機電工程項目具有里程長、跨域大、施工節點分散等特點，項目人員部署到各個施工節點后，其管控的難度較大，尤其涉及高空、高壓、涉水等危險系數較高的施工項，其人員管理更是整個項目的重點。本項目引入了BIM技術與GIS地理信息系統相結合的方式，為項目人員配備帶GPS定位的智慧安全帽或安全服，從而建立BIM模型與人員的關聯，人員的地理位置、活動軌跡等真實反映在模型中，從而實時跟蹤管理。

一些特殊的施工環境，如隧道內、山坳間等GPS信號不強的環境，應采取加裝信號中繼的方式，確保每個施工面上的人員都能被監測到。此外，我們還依托這個人員與模型的關聯結構建立了人員與工作的關聯，根據BIM模型推演的施工計劃及人員投入需求，人員分配到工作任務后，其每日的進度績效即可在BIM模型上實時跟蹤。

圖10 施工人員定位

4 結束語

總體而言，BIM技術在機電項目管理系統中的應用具有深遠影響，在工程實際中，除了文中提及的幾方面應用實踐，BIM技術在項目的成本管理、運維管理等方面同樣具有相當高的實踐價值。BIM技術實踐基本覆蓋工程項目全生命周期的各個過程，在推動公路機電工程項目實現信息化、智慧化等方面具有重大意義，使筆者參與的機電工程項目的管理水平、整體質量得到前所未有的提升，非常值得繼續研究和推廣應用。

[1]鄭豆豆. BIM技術在高速公路機電工程中的應用[J]. 交通世界，2022(Z1): 221-222.

[2]李鑫. BIM技術在高速公路機電工程項目管理中的應用[J]. 江西建材，2021(9): 340-341.

[3]朱福典. 基于BIM的鐵路軌道工程三維數字化設計構想[J]. 中國設備工程，2022(7): 189-191.

[4]溫洪偉，王昊，石永剛. BIM技術在管道工程中的應用現狀[J]. 礦業工程，2022(2): 61-63.

[5]劉源. 基于BIM技術的項目建設管理應用研究[J]. 黑龍江科學，2022(6): 149-151.

[6]楊海霞. BIM技術在高速公路機電工程施工中的應用研究[J]. 智能建筑與智慧城市，2021(11): 164-165.

[7]張慶妹. 高速公路機電設備維護管理系統信息化研究[J]. 設備管理與維修，2021(10): 105-106.

[8]李愛龍. BIM技術在高速公路機電工程中的應用[J]. 科技風，2020(31): 96-97.

Research on Highway Electromechanical Project Management System Based on BIM Technology

The highway electromechanical engineering project has the characteristics of long construction period, complex environment, wide coverage and large number of participants. With the continuous raising of production demands such as intelligence, high safety and high efficiency, the highway electromechanical engineering project management is gradually moving towards the system management mode of modeling, digitization and full life cycle. Through BIM modeling, the overall project progress and potential safety hazards of the project can be directly reflected, and the cost and quality of the project can be reflected in multiple dimensions through digital graphics and charts, so as to plan the next work content of the project as a whole, monitor and manage the whole project through the whole life cycle of BIM technology, and achieve traceable, predictable and preventable comprehensive management. Based on the large-scale expressway electromechanical engineering project under construction, this paper studies the application of BIM technology in the electromechanical project management system to improve the overall management of the project progress, quality, safety, intelligence and efficiency.

electromechanical project; BIM technology; model; practice; forecast; visualization

TU17; U495

A

1008-1151(2022)07-0005-04

2022-04-26

2021年度交通運輸行業重點科技項目清單-創新研發項目“高速公路機電工程全生命周期管理BIM技術研究與應用”（2021-ZD2-052）。

何蘭英（1985－）女，廣西桂林人，廣西交科集團有限公司工程師，從事信息系統項目管理工作。