基于BIM技術的鐵路建設項目設計與施工管理研究

雷登峰

摘 ?要：當前，建筑信息模型（BIM）技術往往僅限于工程操作層面的討論，較少探究以數據驅動工程規劃與控制工作的全流程。尤其是在鐵路基礎設施的背景下，以數據驅動管理和施工的模型概念尚未明晰。基于此，該文基于BIM技術，通過利用來自現場監控技術以及自動化數據采集，構建數據-信息流生產與使用相融合的閉環設計與控制系統，以及時為鐵路建設項目的設計和施工提供優化方案。該研究致力于搭建以數據為中心的全面施工管理模式，以改進過去被動式的工程設計與施工管理模式，為基于BIM技術的鐵路建設項目設計與施工提供建議。

關鍵詞：建筑信息模型技術；數據驅動；施工規劃；現場監控；自動化數據采集

中圖分類號：TU17 ? ? ?文獻標志碼：A ? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2024）18-0144-05

Abstract： At present， building information modeling（BIM） technology is often limited to the discussion of engineering operation level， and seldom explore the whole process of data-driven engineering planning and control. Especially in the context of railway infrastructure， the concept of data-driven management and construction model is not yet clear. Based on this， based on BIM technology， this paper constructs a closed-loop design and control system with the integration of data-information flow production and use by using on-site monitoring technology and automatic data acquisition， so as to provide an optimization scheme for the design and construction of railway construction projects in time. This study is committed to building a comprehensive construction management model with data as the center， in order to improve the past passive engineering design and construction management model and provide suggestions for the design and construction of railway construction projects based on BIM technology.

Keywords： building information modeling technology; data-driven; construction planning; site monitoring; automatic data acquisition

隨著信息技術的發展與普及，我國鐵路建設在信息化應用中取得了較大的進展，并促進了鐵路建設的發展。在設計階段，利用計算機輔助設計（CAD）繪圖可以縮短設計周期；在施工階段，通過專業軟件的應用，如驗工計價、計劃和財務管理、合同管理、成本管理及物料設備管理等，可以提高工作效率；在運營維護階段，信息化應用在工務和電務管理、土地管理、設備管理、物業管理和列車調度等方面也提高了運營效率。

然而，目前的信息系統應用主要集中在單項業務的效率提升方面。鐵路建設項目是一個復雜的系統工程項目，涉及多個部門和不同專業人員之間的協同工作。在鐵路建設項目中，需要施工承包商、供應商、鐵路公司、設計機構以及政府等公共機構等大量主體之間的密切合作。在各階段各環節下，每個主體都會生成有關產品和施工過程的信息，使用各種各樣的信息化工具，存在多種數據格式，且往往難以互相操作。考慮到普遍存在的數據缺失、管理脫節等問題，國內鐵路建設數據化協同管理方面的研究十分稀缺。迄今為止，由于缺乏統一的架構，鐵路建設項目各階段所使用的不同系統都是相互獨立的。不同部門和不同階段的工作人員在協同過程中往往需要重復錄入信息，導致數據冗余和缺失的問題。目前，鐵路建設項目中的各個協同方，包括建設單位、設計、施工、監理和咨詢等，主要依賴紙質文檔進行協同工作，由此導致整體信息化管理水平較低。因此，構建一個系統性的數據化協同框架對于提升我國鐵路建設管理的信息化水平和現代化水平至關重要。

近年來，建筑信息模型（Building Information Modeling，簡稱BIM）概念在生產、制造與運營領域受到廣泛關注。BIM是一種基于數字化技術的建筑設計、施工和運營管理方法。它通過創建、管理和交換建筑項目的信息模型，實現了對建筑項目全生命周期內各個階段的數據集成、協同和可視化。在已有研究中，許多學者將設計和施工中生成的BIM等同于數字孿生的概念，指出其包括3個主要元素：物理人工制品、數字對應物以及將兩者結合在一起的連接[1]。其中，連接是物理和虛擬對應物之間的數據、信息和知識交換，通過高級傳感（例如計算機視覺）、物聯網（例如互連資產）、高速網絡（例如5G互聯網）和高級分析（例如機器學習）技術的發展來實現[2]。

在實際中，施工交付團隊編譯的BIM模型，反映項目的設計和計劃狀態，但不是竣工或執行狀態，并且不會隨著物理狀態的變化而更新。而竣工BIM捕獲施工的完成狀態，是在基礎設施交付給客戶時準備的，并且排除了過程信息。此外，項目現場的臨時性使得監控基礎設施的組件以及設備和工人的行動具有挑戰性。因此，通過構建基于BIM的以數據為中心的施工管理模式，基于充分知情和可靠的“假設”情景評估，在施工期間做出有關生產計劃和詳細設計的有效決策，以顯著減少施工中固有的浪費。

因此，為滿足當前鐵路現代化的發展需求，本文旨在以數據驅動為核心，使用BIM為鐵路建設項目的設計和施工的規劃、控制，制定一個連貫、全面和可行的綜合施工管理系統的工作流程框架。通過搭建數據化協同框架，可以整合不同部門和不同階段所使用的系統，實現數據的共享與交流。并通過統一的數據標準和接口，不同系統之間可以實現數據的無縫對接，避免信息重復錄入和數據冗余。同時，該框架可以提供跨部門、跨階段的協同工作平臺，促進各方之間的合作與溝通。此外，該協同框架還可以結合人工智能和大數據分析技術，實現對鐵路建設項目數據的智能化處理和分析。通過對數據的挖掘和分析，可以提供決策支持和預測能力，為項目管理和運營決策提供科學依據。綜上所述，構建系統性的數據化協同框架對于提升我國鐵路建設管理的信息化水平和現代化水平至關重要，并將有助于解決信息孤島和數據冗余的問題，提高工作效率和協同能力，推動鐵路建設向更高水平發展。

1 ?研究綜述

1.1 ?建筑信息模型技術

已有研究針對建筑信息模型（BIM）技術存在不同的界定。本文依據王曉丹[3]，認為BIM是以三維模型為主要載體，借助數字化的形式對建設項目各項數據進行整合集成，具有可視性、協同性、模擬性等特征的系統。即以數據為核心，包含多維度信息資源的數字化模型。近些年現代化進程加快，傳統建筑模式采用的二維模型，在建設過程中的弊端逐步顯現，二維平面模型無法實現項目各方及時有效溝通，導致項目建設效率低下，資源浪費現象時有發生。BIM技術通過數字化建模的形式實現項目設計和施工管理的信息化，提高建設質量、控制建設成本、提高資源利用率[3]。

已有研究基于BIM的可視性、協同性、模擬性三大特征進行了全面剖析。BIM可視性即打破傳統二維平面模式，以三維實體形式打造建筑模型，利于突出其設計要點、施工重點、項目細節等，減少項目設計以及施工過程中的漏洞，從而提高建設效率，彌補傳統模式的不足[4]。可視性作為BIM突出特性體現在建設全生命周期中，在項目設計前期充分展現項目細節，施工階段對施工過程進行全方位模擬，以保證項目進度的合理推進，對項目整體進行宏觀把控，盡可能避免項目進程中出現較大的質量問題。BIM協調性即統籌項目總過程，項目參與各方、項目全方位的協調。傳統建筑模式受各類因素影響，項目參與各方以及各階段獨立性較強，難以同時進行協調溝通，導致受外部因素影響的施工問題無法及時解決、各方意見不統一和設計理念上理解的偏差，造成項目進展延緩和資源浪費[5]。BIM以立體模型形式將項目整體構建，項目各方能夠在BIM模型上進行及時有效溝通與修改，避免在項目建設過程中進行大范圍的修改，從而達到利益最大化。BIM模擬性即對項目過程進行模擬，以便排查項目安全隱患，保證施工安全，提高施工效率[6]。傳統建筑項目在施工過程中通過人力監管，安全隱患無法解決，BIM技術對項目過程的模擬，通過數據分析對施工過程進行模擬，在項目模擬時排除一定的隱患，有效避免施工意外的發生。

1.2 ?BIM在項目設計與施工控制的應用

已有研究基于BIM技術特性，指出在項目設計過程中各階段參與者可同步參與模型整體開發[7]，將BIM技術與項目設計有效結合，BIM技術可借助數據分析，整合項目各方理念并針對外部環境因素對設計方案進行優化處理。項目設計是建設項目初期階段，關乎建筑效率、質量、成本以及市場效益等問題。例如，在前期結構設計過程中，及時更改圖紙、信息化設計資料[8]，以及項目各單位有效溝通，立體圖紙可更直觀感受設計方案的可行性，通過模擬施工過程找出后期可能會出現的施工問題，提高設計準確性與科學性[9]。在施工控制中，BIM可通過施工前期圖紙理解、施工管理、竣工管理、成本管理和施工安全方面對施工過程進行全面監控。傳統模式下設計圖紙通常為二維平面，施工過程中需注意細節無法在平面圖紙上展現，導致施工過程中易造成細節偏差，加大后期工程量。BIM技術可以通過借助相應手段對施工數據進行精準分析，在施工過程中便于施工方把控細節，對偏差部分進行同步更改。在施工管理方面，BIM技術對施工過程進行全過程動態監控[9]，對施工過程出現的問題及時匯報，利用BIM技術對問題進行定位，提出針對性改進方案，嚴格把控施工進度，一定程度上降低項目整體返工風險。在竣工管理方面，BIM技術通過對前期搭建數據庫，實現信息高效傳遞，避免傳遞過程出現信息偏差，提高施工效率，減少成本。在施工安全方面，BIM技術可通過與其他技術如定位技術與BIM技術充分結合，構建可視化的三維監管系統，加強安全培訓與人員管理[7]。然而，在實際項目工程中BIM技術的運用仍存在問題，并吸引了學者的廣泛關注。

國內針對BIM技術在建筑行業運用的研究呈現快速升溫態勢，隨著建筑市場不斷發展以及數字化信息技術的普及，BIM技術在建筑行業的有效運用已然成為近年學界研究熱點。學者們從BIM技術現狀分析[10]、裝配式建筑設計[11]、建筑工程管理[9]等不同視角開展了研究，相較而言，對于BIM在鐵路建設項目設計與施工中的應用探討仍存在一定的不足。

2 ?以數據為中心的施工管理

2.1 ?主要概念

為準確刻畫用于鐵路施工的流程設計，本文首先定義對相關術語的使用，例如，數據、信息與知識。區分這些概念至關重要，因為這些概念決定了對語義以及對工作流不同方面固有的不確定性程度的理解。在本文中，數據是通過從工地上的傳感器和其他監控設備捕獲的信號，并從施工公司的信息系統中收集起來的數據。通常而言，來自于任意單一來源的數據往往范圍有限、不完整或具有缺陷，需要大量的數據源來獲得有用的信息。例如，對土方工程進行掃描而獲得的一組土方工程的圖像，建造土方工程的工人數據，用于建造土方工程的材料交付數據，以及確定土方工程的位置（絕對位置和相對于其他組件的位置），工人在其附近花費的時間以及他們的生產力，土方工程的尺寸或者制造過程中使用的材料。

考慮到數據本身幾乎沒有價值，需要將數據進行解釋、處理以及與其他數據進行比較，以便推論和歸納有用的信息，從而提煉出具有意義的信息價值。其中，信息的價值是通過信息生命周期捕獲的：發生（發現、創作）、傳輸（聯網、檢索）、處理和管理（收集、驗證、索引和分類）和使用（監視、建模、解釋、預測和學習）。通過信息生命周期中的最后3個階段，即處理和管理（收集、驗證、索引和分類）和使用（監視、建模、解釋、預測和學習），可以創造知識。從傳統的理解來看，知識的功能包括對現象行為的描述、解釋和預測。然而，在生產科學的背景下，知識也具有規定性的功能，即生產理論還必須指導實踐的改進，并提供驗證手段。

因此，在應用BIM過程中，需要利用合適的方法從數據中獲取可靠的信息，也需要軟件模塊使用這些信息進行價值判斷，從而獲得有關符合設計或計劃的新知識。即通過構建模塊，將竣工和執行信息、計劃和設計信息進行比較。例如，通過對上文鐵路建設有關土方工程信息的比較可能可以得出結論，它并沒有建在正確的位置，或者它是使用錯誤的材料建造的，或者它花費了過多的時間進行建造。這些知識有助于在需要時做出決策，以改進未來的設計和計劃。

2.2 ?流程設計

從核心信息和流程概念出發，本文提出了一個基于BIM的全面施工管理模式工作流程，并描述了工作流程及其組件。首先，在任何鐵路建設項目開始時，需要在前期準備階段確定項目目標和需求，確定鐵路線路、車站、橋梁等基礎設施的位置、規模和功能要求。在設計階段，設計師都會根據項目目標和需求進行初步設計，例如線路規劃、橋梁設計與車站布局等，以滿足功能要求。緊隨其后的是，利用迭代的方式規劃施工，通過制定項目計劃與規劃，制定項目計劃、預算和時間表，并進行必要的項目管理和監督安排。這些功能由圖1的“項目設計與流程計劃”活動表示，生成的信息是項目計劃信息。在圖1的“施工預測”中，設計人員和規劃人員應用各種專門的工程仿真和分析軟件，這些軟件使用預期結果與計劃流程以及編纂的設計知識來預測其設計和計劃的可能表現。結果是關于鐵路建設行為的知識，統稱為項目計劃知識，設計師利用這些知識通過多次迭代來完善他們的設計。這項活動生成項目和工藝信息，在整個施工階段繼續為設計和計劃添加細節，直到施工完成。會生成項目計劃信息和項目計劃知識的多個版本，每個版本都使用適當的版本標識符進行記錄。

隨著施工的進行和數據的積累，解釋函數應用復雜事件處理來推斷執行的操作以及執行操作時消耗的資源。它生成的信息描述了項目的“竣工”和“已執行”狀態，即項目狀態信息。可以使用規則推理或機器學習算法對事件進行分類。輸入不僅包括來自多個流的原始監控數據，還包括項目計劃信息和以前周期的任何現有項目狀態信息。還可以利用歷史建筑雙胞胎中存檔的外部信息。項目計劃信息提供了有關預期內容的直接線索，并在物理上定位了預期的組件，從而縮小了搜索空間。同樣，項目狀態信息提供了產品和流程時間線的背景信息。

如圖1所示，利用一個專門的一致性評估函數將實際情況與預期情況，即項目計劃信息與項目狀態信息進行比較。這些是價值判斷，因為在每種情況下，它們都必須使用某個閾值來確定項目狀態信息和項目計劃信息之間的差異程度是可接受的還是需要修正的。例如，混凝土柱的實際寬度可能小于其標稱設計寬度，但如果偏差在預定義的允許公差范圍內，這可能是可以接受的。雖然可以使用各種人工智能方法自動進行一致性評估，但在許多情況下，此功能可能會征求用戶的意見以進行價值判斷，并將利用標準設計知識。此函數的輸出是關于項目狀態的知識，稱為項目狀態知識。需要適當的數據可視化工具來傳達項目狀態、與設計意圖或生產計劃的偏差以及任何其他異常情況。

在這個階段，過程的控制權歸還給設計師和施工規劃師，他們可以根據狀態知識對產品設計或生產計劃提出修改建議，從而完成“計劃-執行-檢查-行動”循環。他們可以使用相同的專業工程仿真和分析軟件（圖1中的“施工預測”）來預測任何可能更改的結果，從而比較和選擇有關設計、施工計劃或兩者更改的備選方案。任何選擇實施的選項都會添加到項目計劃信息中，從而生成新版本。修訂后的項目計劃信息繼續推動施工本身，并重復規劃和控制周期，直到項目完成。

施工階段從場外組件預制開始或現場施工活動開始以較早者為準開始。此時，監控開始積累構成PSM的數據和信息。承包商使用項目計劃信息來指導材料和非現場組件的采購，并控制鐵路建設的施工。場外的供應鏈和現場的建筑工程體現了定義項目狀態的物理信息正在建造的建筑物、執行的物理過程以及鐵路建設資源和設備是數字孿生。在此期間，應用各種監控技術來捕獲產品和過程的狀態（“監控”），并生成原始監控數據。

在項目結束時，所有積累的信息和知識（項目計劃信息、項目計劃知識、項目狀態信息和項目狀態知識）都會被存檔。在傳統的施工實踐中，有條不紊地提取一組資產信息并準備移交給客戶，以便進行運營和維護。這是可用信息的子集。其通常包括竣工產品信息（鐵路建設的土方工程、橋梁、隧道和車站等結構，鐵軌及其機械、電氣和通信系統等設備以及沿線綠化），但不包括產品設計信息和所有施工過程信息。任何有關活動、資源、建筑設備或任何臨時現場工程的信息都不會傳遞到資產模型中。設計信息、工藝信息以及從資產信息中排除的任何施工階段產品信息都可以存檔，以備將來在長期系統反饋中使用。為了能夠利用以往數字化施工信息檔案的這一方面，需要確保將來可能受雇設計、建造、翻新或維護該建筑物或類似建筑物的任何一方都能訪問這些信息。

最后，存在一個廣泛的“計劃—執行—檢查—行動”循環，每個項目都被視為一個設計-施工事件，之后數字建筑孿生信息被存檔，隨后用于組織或行業層面的學習（“檢查”），并在后續項目中改進行動。“計劃—執行—檢查—行動”循環是實時反饋循環，在這個循環中，信息直接從項目狀態信息饋送到現場的經理和工人。這包括質量和安全監控，在持續操作期間，必須提醒工人注意任何偏離設計意圖或安全行為的情況。安全監控中，包括通過發出警報以提醒工人注意即將發生的潛在碰撞的技術，而在質量控制反饋中，可在澆筑混凝土之前，使用激光掃描來指導橋墩中鋼纜錨插件的精確定位。

3 ?結束語

盡管BIM技術的創新本身具有重要意義，但需要一個統一的概念框架來定義如何管理和執行施工，并利用這些不同的創新來有效利用他們提供的數據和方法。本文的貢獻包括描述一個全面的以數據為中心的施工管理模式，基于BIM工具的施工管理模式與信息系統工作流程框架，并詳細審查實現該系統所需開發的內容，將信息和監控技術應用于精益的閉環規劃和控制系統中。流程包含“計劃—執行—檢查—行動”4個不同的周期，具有不同的時間分辨率，從監控技術到安全和質量控制的實時反饋，到通過機器學習的預測和基于案例的推理從存檔項目信息到正在進行的項目的長期反饋，將管理決策建立在可靠、準確、徹底和及時的信息之上，從而形成閉合控制循環。BIM和監控技術分別在建筑信息模型和獲取原始數據方面發揮著作用，并被納入一個利用數據、信息和知識來提供全面態勢感知的系統中。這項工作應用概念分析來推導出核心信息和過程，闡述了鐵路建設項目設計和施工階段的以數據為中心的全面施工管理模式的未來發展，有助于擴展對鐵路行業應用BIM的現有理解，是推動項目設計與施工管理從被動到主動轉變的重要組成部分。

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