基于BIM技術的城市軌道交通建設工程質量與安全管理實踐

江中勇 龍 蛟 王春霖

中鐵二十二局集團第五工程有限公司 重慶 400700

近幾年，我國掀起城市軌道交通建設計劃擴建的熱潮。有關部門提出，發展交通運輸，基本要求建立安全、便捷、高效、綠色的現代綜合交通運輸體系，一些地區率先實現交通現代化。由于城軌項目涉及多個建設單元，施工過程存在詳細的建設要求。針對當前情況，需要采取合理的措施和技術，對城市軌道交通工程建設進行全面監理，確保工程施工過程能夠按照規定的標準要求實施施工工藝和施工工藝，并達到提高施工質量的目的。

1 BIM技術概述

BIM技術是基于3D數字技術，匯集建設項目的所有相關信息，一般來說，BIM是一種建筑信息模型，它以大量建設項目相關數據為基礎，通過數字信息準確模擬建筑物的真實信息和特性。對于建筑行業來說，BIM的誕生解決燃眉之急。BIM技術最顯著的特點是3D可視化，可以使用數字技術來創建一個或多個精確的、基于參數的虛擬建筑模型，這些模型能夠進行更精確的分析，BIM數據生成通過建立5D與數據庫的連接，實現工作量的精確快速計算，有效提高準確性和效率。BIM技術在中國被廣泛用于工作量計算[1]。

2 城市軌道交通建設工程安全管理現狀

城市軌道交通是基礎設施。相關項目建設一般由政府主導，相關法律法規、標準規范較為嚴格，因此項目團隊很少引進新技術。然而，在開始生產時，必須繪制2D地圖，然后將其轉換為3D模型。但是，如果設計經過多次修改，2D圖紙和3D模型就很難完全協調，而且根據現行法律，3D模型不具有法律效力。因此，無論是從避免責任的角度，還是從穩定工期的角度，二維地圖作為施工依據都是最重要的選擇。目前，城軌項目參與方普遍缺乏BIM技術，例如，某咨詢公司在進行管道綜合時，只能根據優先級機械地解決碰撞問題，而沒有考慮現場的施工條件，最終導致管道形狀極其復雜，優先級低，甚至無法應用。在項目竣工階段，由于竣工模型往往不符合實際情況，無法與很多設備制造商就每臺設備的運行狀態達成一致，竣工模型往往不能真正發揮運維作用，只能作為宣傳工具的輔助[2]。

3 基于BIM技術的城市軌道交通建設工程管理系統

3.1 系統核心

參考城市軌道交通全生命周期管理項目參與方的業務需求，初步提出軌道交通項目建設管理平臺。從模型的初步建立到模型的深化，再到整體管理，為未來的發展指明方向。軌道交通建設管理平臺秉承全生命周期管理理念，按照各單位勘探、設計、施工全過程整合信息。在信息傳輸和應用過程中，所有專業人員都可以隨時對數據進行分析，并采取適當的措施，及時解決出現的問題。管理平臺為管理人員提供各類信息數據接入，并進行在線監控，確保測試數據的準確性。

3.2 系統功能

在設計階段，完成初步設計的預演，及時發現設計缺陷，完善設計方案。在勘測階段，由于軌道交通設施的建設一般都在地下，無法通過鉆探直觀地表達地下地質情況。使用3D模型模擬盾牌場景可以消除以上狀況。在施工過程中，對施工模型進行分析，系統直觀地表達施工的每一個細節和過程，提高安全性，既保證施工質量，又大大提高施工人員的工作效率。在運營的最后階段，將現狀與最初的設計規劃進行對比，會非常直觀地對比優劣勢，讓未來的項目和地鐵建設少走彎路[3]。

3.3 模擬施工系統結構

基于BIM技術的模擬施工系統，可以在施工準備階段對項目進行虛擬施工可視化，提前考慮施工過程中可能出現的問題，修改和優化施工方案。

數據層面。收集、編碼和記錄設計者、供應商等項目參與方的基礎數據信息，如三維空間信息（包括構件尺寸、位置比例）、進度信息（包括總體進度、月度進度、周度進度和日常工作）計劃）和資源信息（包括人力、物力、機具信息），建立基礎數據庫，并導入進度計劃（如圖1所示）。

圖1 導入進度計劃

應用層面。主要工作是將數據層記錄的工程數據信息加載到模擬施工系統中，形成建筑模型進行建模分析。同時可以接收用戶終端的操作指令，調用并處理相關數據信息，最后將結果返回給操作層。

操作層面。主要工作是為授權用戶（包括設計師、施工方）提供電腦端、移動端等終端設備碰撞檢測、施工建模、進度建模、資源調配等操作。優化施工方案，為施工階段的項目管理提供指導。

3.4 實時施工系統結構

在施工之中BIM系統結構如下：

數據層面。借助無人機攝影技術和3D激光掃描技術，可以在施工現場快速實時采集3D數據，利用RFID技術快速讀取構件和材料尺寸數據，與建筑行業大數據相結合，數據導入過程如圖2所示，以此快速獲取相似工程數據信息，進一步提升施工現場管理能力。

圖2 無人機攝影數據導入

應用層面。主要任務是通過計算機自動識別收集到的零件形狀、三維尺寸、地理坐標和材料類型等數據來協調有關對象的信息。將數據加載到現有的模擬施工模型中，實時生成BIM施工模型。

操作層面。主要任務是將施工模型中的進度信息、成本信息、質量信息、資源信息和安全信息與施工模型進行實時對比分析。如遇其他問題，管理團隊應與所有專家進行溝通，及時采取措施，確保項目建設的順利進行[4]。

4 BIM技術在城市軌道交通建設工程安全管理的具體實踐

4.1 工程案例

本文以某城市軌道交通建設工程為例，該工程占地面積約為40萬㎡，其中建筑占地面積約為23萬㎡，其中軌道交通在整個工程中屬于核心，整條軌道長度約為29公里，建設質量能夠對開通時間造成直接影響。至目前為止，該部分施工情況較為順利，為進一步剖析BIM技術在該工程安全管理中的實踐，以下提出該技術在準備、施工以及運維環節的具體實踐。

4.2 施工準備環節

BIM系統有利于3D圖紙的聯合審查。審圖是項目施工前的必要技術工作，要求各參與單位就二維圖紙中的問題進行討論，提交項目組處理。為提高二維圖紙審核效率，施工單位將設計單位提交的二維圖紙提前轉換成三維模型導入BIM系統，同時實現設計圖紙與BIM模型的聯動機制，如圖3所示，通過3D模型的視覺特性使工作人員能夠直觀地理解設計意圖，大大提高審圖的效率。

圖3 設計圖紙與模型聯動

組合建模后BIM系統中的碰撞檢測。由于機電軌道安裝項目涉及二十多個子專業，其各自工作領域的BIM建模由多個承包商和設備制造商進行，每個模型單元使用的建模軟件包括Revit、Bentley、Tekla等，這些仿真程序的仿真和碰撞檢測都是面向軟件廠商自己的數據格式，不同廠商之間的數據交換和兼容性還存在問題。因此，施工過程需要一個精準模型，將多個建模程序組合在一個BIM系統中，然后檢測不同環節之間的碰撞。3D模型中的碰撞檢測可以基于結構和機電設計中可能存在的空間沖突，優化設計，減少專業摩擦，避免返工和延誤，減少人工和材料浪費，節省大量工程成本，具有明顯的經濟效益。

4.3 施工環節

4D施工過程模擬。運輸項目信息模型管理系統中，項目的逐步規劃和實際實施以動態形式呈現，提供施工成果的4D建模，如圖4所示，4D模擬包括每天、每周或每月不同時間間隔的施工進度連續或逆向模擬。模型上的不同顏色表示3D視圖中的不同結構狀態，完成的組件以預先分配的WBS顏色顯示。通過4D施工過程的建模，項目經理可以直觀地觀察不同時間的施工進度和具體地塊或結構構件的詳細施工狀態，以及不同前后的流程和工時是否有沖突。該功能為比較和驗證不同施工方案的可行性、優化施工方案和施工方法提供決策支持[5]。

圖4 施工進度模型

質量安全縮略圖。為協助監理部門進行日常監控，系統必須提供現場記錄進行填報，并以“縮略圖”的方式精準定位巡檢中發現的施工質量問題。通過模型上質量問題的直接識別，系統自動激活質量問題整改通知，發送至各施工單位整改，最終接收反饋整改信息，實現質量安全問題的封閉流程；此外，還可以在模型中識別出已完成的零件，并統計出有問題的零件。在金豐站試點項目中，通過縮略圖識別現場問題。通過將質量和安全問題直接鏈接到BIM模型并進行查看，可以在各級有效地傳達質量和安全問題。

基于派遣隊的質量安全管理體系。進度表是指施工單位根據批準的周計劃編制進度表，以工作單的形式下達施工任務。工作單包括人員、設備/材料、工藝手冊、安全風險和進入工作站時的注意事項。對于日常的施工管理，系統為施工方、監理方和施工方提供根據規劃指令跟蹤管理施工信息的功能。首先，通過工單明確施工任務、人員、所需設備和材料，并提交監理部門審核。取得許可后方可開工建設；執行調度命令后，必須向系統提交相應的可實現結果，并在模型中顯示施工完成狀態，及時預警未完成的施工任務；最后，系統從派單中提取實際進度數據，與計劃進度進行對比，分析延誤，量化完成任務的質量和數量。此外，系統會根據每日計劃表的內容自動生成施工日志等文件。

4.4 運維階段

在城市軌道交通中，絕大多數是運維階段。從成本分析來看，設計和施工成本僅占建筑全生命周期成本的20%-30%，而運營維護成本占全生命周期成本的67%以上。此外，運營階段是關鍵階段，直接面向公眾，對人民群眾生命財產安全負責，評價城市軌道交通建設是否發揮應有作用。雖然內陸軌道建設如火如荼，但BIM技術在大規模建設后期運輸管理中的應用相對較少。城市軌道交通運維管理涉及電機、通信、車輛安全等多方面，這些內容都有獨立的研究和管理體系。根據綜合安全系統的故障特點，提出容錯管理的替代模式，提高軌道運輸運維管理水平；針對傳統軌道空調系統冷凍水制冷機組不能自動調節冷卻水流量等問題，開發一種新型節能控制系統。分析電站冷負荷變化，中央監控系統降低能耗；結合電能計量和電能管理系統的設計，制定城市軌道電能計量的一般設計方法和存在的問題，在此基礎上，研究城市軌道交通能源管理系統的應用方案，以降低運營成本，提高能源效率。

5 結束語

綜上所述，從計算機輔助CAD制圖到后續的數字化應用，先進科技促進建筑業的發展。BIM技術的應用大大簡化建筑物的設計、施工和后續維護。BIM技術結合建筑物的基本特征，通過改變參數信息來實現建筑物形狀和特性的改變，為施工技術人員提供大量的數據方案。通過合理對比，技術人員可以選擇最合理的施工方案進行施工，從根本上提高施工效率，加強施工項目的基礎安全。